Láser de fibra de iterbio: dispositivo, principio de funcionamiento, potencia, producción, aplicación

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Última modificación: 2023-12-17 10:24

Los láseres de fibra son compactos y resistentes, apuntan con precisión y disipan la energía térmica con facilidad. Vienen en una variedad de formas y, aunque tienen mucho en común con otros tipos de generadores cuánticos ópticos, tienen sus propias ventajas únicas.

Láseres de fibra: cómo funcionan

Los dispositivos de este tipo son una variación de una fuente estándar de estado sólido de radiación coherente con un medio de trabajo hecho de fibra en lugar de una varilla, placa o disco. La luz es generada por un dopante en el centro de la fibra. La estructura básica puede variar de simple a bastante compleja. El diseño del láser de fibra de iterbio es tal que la fibra tiene una gran relación superficie/volumen, por lo que el calor puede disiparse con relativa facilidad.

Los láseres de fibra son bombeados ópticamente, la mayoría de las veces por generadores cuánticos de diodos, pero en algunos casos por las mismas fuentes. Las ópticas utilizadas en estos sistemas suelen ser componentes de fibra, con la mayoría o todos ellos conectados entre sí. En algunos casosSe utilizan ópticas volumétricas y, en ocasiones, se combina un sistema de fibra óptica interna con ópticas volumétricas externas.

La fuente de bombeo de diodos puede ser un diodo, una matriz o una pluralidad de diodos individuales, cada uno de los cuales está conectado a un conector mediante una guía de luz de fibra óptica. La fibra dopada tiene un espejo resonador de cavidad en cada extremo; en la práctica, se fabrican rejillas de Bragg en la fibra. No hay elementos ópticos a granel en los extremos, a menos que el haz de salida entre en algo que no sea una fibra. La guía de luz se puede torcer, de modo que, si se desea, la cavidad del láser puede tener varios metros de largo.

Estructura de doble núcleo

La estructura de la fibra utilizada en los láseres de fibra es importante. La geometría más común es la estructura de doble núcleo. El núcleo exterior sin dopar (a veces llamado revestimiento interior) recoge la luz bombeada y la dirige a lo largo de la fibra. La emisión estimulada generada en la fibra pasa a través del núcleo interno, que suele ser monomodo. El núcleo interno contiene un dopante de iterbio estimulado por el haz de luz de la bomba. Hay muchas formas no circulares del núcleo externo, incluidas las hexagonales, en forma de D y rectangulares, que reducen la posibilidad de que el haz de luz se pierda en el núcleo central.

El láser de fibra se puede bombear al final o al costado. En el primer caso, la luz de una o más fuentes ingresa al final de la fibra. En el bombeo lateral, la luz se alimenta a un divisor, que la suministra al núcleo exterior. esose diferencia del láser de varilla, donde la luz entra perpendicular al eje.

Esta solución requiere mucho desarrollo de diseño. Se presta una atención considerable a la conducción de la luz de la bomba hacia el núcleo para producir una inversión de población que conduzca a una emisión estimulada en el núcleo interno. El núcleo del láser puede tener diferente grado de amplificación dependiendo del dopaje de la fibra, así como de su longitud. Estos factores son ajustados por el ingeniero de diseño para obtener los parámetros requeridos.

Pueden ocurrir limitaciones de energía, particularmente cuando se opera dentro de fibra monomodo. Dicho núcleo tiene un área de sección transversal muy pequeña y, como resultado, pasa a través de él una luz de muy alta intensidad. Al mismo tiempo, la dispersión de Brillouin no lineal se vuelve cada vez más notable, lo que limita la potencia de salida a varios miles de vatios. Si la señal de salida es lo suficientemente alta, el extremo de la fibra puede dañarse.

Características de los láseres de fibra

Usar fibra como medio de trabajo proporciona una longitud de interacción larga que funciona bien con el bombeo de diodos. Esta geometría da como resultado una alta eficiencia de conversión de fotones, así como un diseño robusto y compacto sin óptica discreta para ajustar o alinear.

El láser de fibra, cuyo dispositivo le permite adaptarse bien, puede adaptarse tanto para soldar chapas gruesas como para producir pulsos de femtosegundos. Los amplificadores de fibra óptica proporcionan amplificación de un solo paso y se utilizan en telecomunicaciones porque pueden amplificar muchas longitudes de onda simultáneamente. La misma ganancia se usa en amplificadores de potencia con un oscilador maestro. En algunos casos, el amplificador puede funcionar con un láser CW.

Otro ejemplo son las fuentes de emisión espontánea amplificadas por fibra en las que se suprime la emisión estimulada. Otro ejemplo es un láser de fibra Raman con amplificación de dispersión combinada, que cambia significativamente la longitud de onda. Ha encontrado aplicación en la investigación científica, donde las fibras de vidrio de fluoruro se utilizan para la generación y amplificación de Raman, en lugar de las fibras de cuarzo estándar.

Sin embargo, por regla general, las fibras están hechas de vidrio de cuarzo con un dopante de tierras raras en el núcleo. Los principales aditivos son el iterbio y el erbio. El iterbio tiene longitudes de onda de 1030 a 1080 nm y puede irradiar en un rango más amplio. El uso de bombeo de diodos de 940 nm reduce significativamente el déficit de fotones. El iterbio no tiene ninguno de los efectos de extinción automática que tiene el neodimio a altas densidades, por lo que el neodimio se usa en láseres a granel y el iterbio en láseres de fibra (ambos proporcionan aproximadamente la misma longitud de onda).

El erbio emite en el rango de 1530-1620 nm, que es seguro para los ojos. La frecuencia se puede duplicar para generar luz a 780 nm, que no está disponible para otros tipos de láseres de fibra. Finalmente, el iterbio se puede agregar al erbio de tal manera que el elemento absorbabombear radiación y transferir esta energía al erbio. El tulio es otro dopante del infrarrojo cercano, por lo que es un material seguro para los ojos.

Alta eficiencia

El láser de fibra es un sistema de casi tres niveles. El fotón de la bomba excita la transición del estado fundamental al nivel superior. Una transición láser es una transición desde la parte más baja del nivel superior a uno de los estados básicos divididos. Esto es muy eficiente: por ejemplo, el iterbio con un fotón de bomba de 940 nm emite un fotón con una longitud de onda de 1030 nm y un defecto cuántico (pérdida de energía) de solo alrededor del 9%.

En contraste, el neodimio bombeado a 808nm pierde alrededor del 24% de su energía. Por lo tanto, el iterbio tiene inherentemente una mayor eficiencia, aunque no se puede lograr todo debido a la pérdida de algunos fotones. Yb se puede bombear en varias bandas de frecuencia, mientras que el erbio se puede bombear a 1480 o 980 nm. Una frecuencia más alta no es tan eficiente en términos de defectos de fotones, pero es útil incluso en este caso porque hay mejores fuentes disponibles a 980nm.

En general, la eficiencia de un láser de fibra es el resultado de un proceso de dos pasos. Primero, esta es la eficiencia del diodo de bomba. Las fuentes semiconductoras de radiación coherente son muy eficientes, con un 50% de eficiencia en convertir una señal eléctrica en una óptica. Los resultados de los estudios de laboratorio indican que es posible alcanzar un valor del 70% o más. Con una coincidencia exacta de la línea de radiación de salidaAbsorción de láser de fibra y alta eficiencia de bombeo.

La segunda es la eficiencia de conversión óptica-óptica. Con un pequeño defecto de fotón, se puede lograr un alto grado de eficiencia de excitación y extracción con una eficiencia de conversión opto-óptica de 60 a 70%. La eficiencia resultante está en el rango de 25 a 35%.

Varias configuraciones

Los generadores cuánticos de radiación continua de fibra óptica pueden ser monomodo o multimodo (para modos transversales). Los láseres monomodo producen un haz de alta calidad para materiales que operan o se transmiten a través de la atmósfera, mientras que los láseres de fibra industrial multimodo pueden generar alta potencia. Esto se utiliza para cortar y soldar, y en particular para el tratamiento térmico donde se ilumina un área grande.

El láser de fibra de pulso largo es esencialmente un dispositivo casi continuo, que normalmente produce pulsos de milisegundos. Por lo general, su ciclo de trabajo es del 10%. Esto da como resultado una potencia máxima más alta que en el modo continuo (típicamente diez veces más) que se usa para la perforación de pulsos, por ejemplo. La frecuencia puede alcanzar los 500 Hz, dependiendo de la duración.

Q-switching en láseres de fibra funciona de la misma manera que en láseres a granel. La duración típica del pulso está en el rango de nanosegundos a microsegundos. Cuanto más larga sea la fibra, más tardará el cambio de Q en la salida, lo que dará como resultado un pulso más largo.

Las propiedades de la fibra imponen algunas restricciones a la conmutación Q. La no linealidad de un láser de fibra es más significativa debido a la pequeña sección transversal del núcleo, por lo que la potencia máxima debe ser algo limitada. Se pueden utilizar interruptores Q volumétricos, que dan un mejor rendimiento, o moduladores de fibra, que se conectan en los extremos de la parte activa.

Los pulsos de Q-switched se pueden amplificar en la fibra o en un resonador de cavidad. Un ejemplo de esto último se puede encontrar en la Instalación Nacional de Simulación de Pruebas Nucleares (NIF, Livermore, CA), donde un láser de fibra de iterbio es el oscilador maestro para 192 haces. Los pulsos pequeños en grandes losas de vidrio dopado se amplifican a megajulios.

En los láseres de fibra bloqueados, la tasa de repetición depende de la longitud del material de ganancia, como en otros esquemas de bloqueo de modo, y la duración del pulso depende del ancho de banda de ganancia. Los más cortos están en el rango de 50 fs y los más típicos están en el rango de 100 fs.

Existe una diferencia importante entre las fibras de erbio e iterbio, por lo que operan en diferentes modos de dispersión. Las fibras dopadas con erbio emiten a 1550 nm en la región de dispersión anómala. Esto permite la producción de solitones. Las fibras de iterbio se encuentran en la región de dispersión positiva o normal; como resultado, generan pulsos con una frecuencia de modulación lineal pronunciada. Como resultado, es posible que se necesite una rejilla de Bragg para comprimir la longitud del pulso.

Hay varias formas de modificar los pulsos de láser de fibra, particularmente para estudios de picosegundos ultrarrápidos. Las fibras de cristal fotónico se pueden fabricar con núcleos muy pequeños para producir fuertes efectos no lineales, como la generación supercontinua. Por el contrario, los cristales fotónicos también se pueden fabricar con núcleos monomodo muy grandes para evitar efectos no lineales a altas potencias.

Las fibras de cristal fotónico flexibles de núcleo grande están diseñadas para aplicaciones de alta potencia. Una técnica es doblar intencionalmente dicha fibra para eliminar cualquier modo de orden superior no deseado mientras se retiene solo el modo transversal fundamental. La no linealidad crea armónicos; restando y sumando frecuencias, se pueden crear ondas más cortas y más largas. Los efectos no lineales también pueden comprimir pulsos, lo que da como resultado peines de frecuencia.

Como fuente de supercontinuo, los pulsos muy cortos producen un amplio espectro continuo utilizando modulación de fase propia. Por ejemplo, a partir de los pulsos iniciales de 6 ps a 1050 nm que crea un láser de fibra de iterbio, se obtiene un espectro en el rango del ultravioleta a más de 1600 nm. Otra fuente IR supercontinua se bombea con una fuente de erbio a 1550 nm.

Alta potencia

La industria es actualmente el mayor consumidor de láseres de fibra. La energía tiene una gran demanda en este momento.alrededor de un kilovatio, utilizado en la industria automotriz. La industria automotriz se está moviendo hacia vehículos de acero de alta resistencia para cumplir con los requisitos de durabilidad y ser relativamente livianos para una mejor economía de combustible. Es muy difícil para las máquinas herramienta ordinarias, por ejemplo, perforar agujeros en este tipo de acero, pero las fuentes de radiación coherentes lo facilitan.

Cortar metales con un láser de fibra, en comparación con otros tipos de generadores cuánticos, tiene una serie de ventajas. Por ejemplo, los metales absorben bien las longitudes de onda del infrarrojo cercano. El haz se puede enviar sobre la fibra, lo que permite que el robot mueva el foco fácilmente al cortar y perforar.

Fiber cumple con los requisitos de potencia más altos. Un arma de la Marina de los EE. UU. probada en 2014 consta de láseres de 6 fibras y 5,5 kW combinados en un solo haz que emite a través de un sistema óptico de formación. La unidad de 33 kW se utilizó para destruir un vehículo aéreo no tripulado. Aunque el haz no es monomodo, el sistema es interesante porque le permite crear un láser de fibra con sus propias manos a partir de componentes estándar fácilmente disponibles.

La fuente de luz coherente monomodo de mayor potencia de IPG Photonics es de 10 kW. El oscilador maestro produce un kilovatio de potencia óptica, que se alimenta a la etapa amplificadora bombeada a 1018 nm con luz de otros láseres de fibra. Todo el sistema tiene el tamaño de dos refrigeradores.

El uso de láseres de fibra también se ha extendido al corte y la soldadura de alta potencia. Por ejemplo, reemplazaronsoldadura por resistencia de chapa de acero, resolviendo el problema de la deformación del material. El control de la potencia y otros parámetros permite un corte muy preciso de las curvas, especialmente en las esquinas.

El láser de fibra multimodo más potente, una máquina de corte de metal del mismo fabricante, alcanza los 100 kW. El sistema se basa en una combinación de un haz incoherente, por lo que no es un haz de altísima calidad. Esta durabilidad hace que los láseres de fibra sean atractivos para la industria.

Perforación de hormigón

El láser de fibra multimodo 4KW se puede utilizar para cortar y perforar hormigón. ¿Por qué es necesario? Cuando los ingenieros intentan lograr la resistencia a terremotos en edificios existentes, hay que tener mucho cuidado con el hormigón. Si se instala un refuerzo de acero, por ejemplo, la perforación con martillo convencional puede agrietar y debilitar el hormigón, pero los láseres de fibra lo cortan sin aplastarlo.

Los generadores cuánticos con fibra Q-Switched se utilizan, por ejemplo, para marcar o en la producción de electrónica de semiconductores. También se utilizan en telémetros: los módulos del tamaño de una mano contienen láseres de fibra seguros para la vista con una potencia de 4 kW, una frecuencia de 50 kHz y un ancho de pulso de 5-15 ns.

Tratamiento de superficie

Hay mucho interés en los láseres de fibra pequeña para micro y nanomecanizado. Al quitar la capa superficial, si la duración del pulso es inferior a 35 ps, no hay salpicaduras del material. Esto previene la formación de depresiones yotros artefactos no deseados. Los pulsos de femtosegundos producen efectos no lineales que no son sensibles a la longitud de onda y no calientan el espacio circundante, lo que permite la operación sin daño significativo o debilitamiento de las áreas circundantes. Además, los orificios se pueden cortar con una alta relación de profundidad a ancho, por ejemplo, rápidamente (en milisegundos) haciendo pequeños orificios en acero inoxidable de 1 mm usando pulsos de 800 fs a 1 MHz.

También se puede utilizar para el tratamiento de superficies de materiales transparentes como los ojos humanos. Para cortar un colgajo en la microcirugía ocular, los pulsos de femtosegundos se enfocan estrechamente mediante un objetivo de alta apertura en un punto por debajo de la superficie ocular, sin causar ningún daño a la superficie, pero destruyendo el material ocular a una profundidad controlada. La superficie lisa de la córnea, que es esencial para la visión, permanece intacta. El colgajo, separado desde abajo, puede entonces levantarse para la formación de lentes de láser excimer de superficie. Otras aplicaciones médicas incluyen la cirugía de penetración superficial en dermatología y el uso en algunos tipos de tomografía de coherencia óptica.

Láseres de femtosegundo

Los generadores cuánticos de femtosegundos se utilizan en la ciencia para la espectroscopia de excitación con descomposición láser, la espectroscopia de fluorescencia resuelta en el tiempo, así como para la investigación general de materiales. Además, son necesarios para la producción de frecuencias de femtosegundos.peines necesarios en metrología e investigación general. Una de las aplicaciones reales a corto plazo serán los relojes atómicos para los satélites GPS de próxima generación, que mejorarán la precisión del posicionamiento.

El láser de fibra de frecuencia única se produce con un ancho de línea espectral inferior a 1 kHz. Es un dispositivo impresionantemente pequeño con una potencia de salida que oscila entre 10 mW y 1 W. Encuentra aplicación en el campo de las comunicaciones, metrología (por ejemplo, en giroscopios de fibra) y espectroscopia.

¿Qué sigue?

En cuanto a otras aplicaciones de I+D, se están explorando muchas más. Por ejemplo, un desarrollo militar que se puede aplicar a otras áreas, que consiste en combinar haces de láser de fibra para obtener un haz de alta calidad mediante una combinación coherente o espectral. Como resultado, se logra más potencia en el haz monomodo.

La producción de láseres de fibra está creciendo rápidamente, especialmente para las necesidades de la industria automotriz. Los dispositivos que no son de fibra también se están reemplazando por otros de fibra. Además de las mejoras generales en costo y rendimiento, los generadores cuánticos de femtosegundos y las fuentes supercontinuas se están volviendo cada vez más prácticos. Los láseres de fibra son cada vez más específicos y se están convirtiendo en una fuente de mejora para otros tipos de láseres.