Láser de fibra
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Un láser de fibra (o láser de fibra en inglés británico ) es un láser en el que el medio de ganancia activa es una fibra óptica dopada con elementos de tierras raras como erbio , iterbio , neodimio , disprosio , praseodimio , tulio y holmio . Están relacionados con los amplificadores de fibra dopada , que proporcionan amplificación de luz sin láser . No linealidades de la fibra , como la dispersión Raman estimuladao la mezcla de cuatro ondas también puede proporcionar ganancia y, por lo tanto, servir como medio de ganancia para un láser de fibra. [ cita requerida ]

Ventajas y aplicaciones

Una ventaja de los láseres de fibra sobre otros tipos de láseres es que la luz láser se genera y se envía a través de un medio inherentemente flexible, que permite una entrega más fácil a la ubicación de enfoque y al objetivo. Esto puede ser importante para el corte por láser, la soldadura y el plegado de metales y polímeros. Otra ventaja es la alta potencia de salida en comparación con otros tipos de láser. Los láseres de fibra pueden tener regiones activas de varios kilómetros de largo, por lo que pueden proporcionar una ganancia óptica muy alta. Pueden soportar niveles de kilovatios de potencia de salida continua debido a la alta proporción de área de superficie a volumen de la fibra , que permite un enfriamiento eficiente. Las propiedades de la guía de ondas de la fibra reducen o eliminan la distorsión térmica del camino óptico, produciendo típicamente unHaz óptico de alta calidad con difracción limitada . Los láseres de fibra son compactos en comparación con los láseres de gas o de estado sólido de potencia comparable, porque la fibra se puede doblar y enrollar, excepto en el caso de diseños de tipo varilla más gruesa, para ahorrar espacio. Tienen un menor costo de propiedad . [1] [2] [3] Los láseres de fibra son confiables y exhiben alta temperatura y estabilidad vibratoria y una vida útil prolongada. La alta potencia máxima y los pulsos de nanosegundos mejoran el marcado y el grabado. La potencia adicional y la mejor calidad del haz proporcionan bordes de corte más limpios y velocidades de corte más rápidas. [4] [5]

Otras aplicaciones de los láseres de fibra incluyen el procesamiento de materiales, las telecomunicaciones , la espectroscopia , la medicina y las armas de energía dirigida . [6]

Diseño y fabricación

Ver también: Construcción láser

A diferencia de la mayoría de los otros tipos de láseres, la cavidad del láser en los láseres de fibra se construye de forma monolítica mediante el empalme por fusión de diferentes tipos de fibra; Las rejillas de fibra de Bragg reemplazan los espejos dieléctricos convencionales para proporcionar retroalimentación óptica . También pueden diseñarse para el funcionamiento en modo longitudinal único de láseres de retroalimentación distribuida (DFB) ultra estrechos donde una rejilla de Bragg con desplazamiento de fase se superpone al medio de ganancia. Los láseres de fibra son bombeados por diodos láser semiconductores o por otros láseres de fibra.

Fibras de doble revestimiento

Fibra de doble revestimiento
Artículo principal: fibra de doble revestimiento

Muchos láseres de fibra de alta potencia se basan en fibra de doble revestimiento . El medio de ganancia forma el núcleo de la fibra, que está rodeado por dos capas de revestimiento. El modo láser se propaga en el núcleo, mientras que un haz de bomba multimodo se propaga en la capa de revestimiento interior. El revestimiento exterior mantiene esta bomba ligera confinada. Esta disposición permite que el núcleo sea bombeado con un rayo de potencia mucho mayor de lo que se podría propagar en él, y permite la conversión de la luz de bombeo con un brillo relativamente bajo en una señal con un brillo mucho más alto. Hay una pregunta importante sobre la forma de la fibra de doble revestimiento; una fibra con simetría circular parece ser el peor diseño posible. [7] [8] [9][10] [11] [12] El diseño debe permitir que el núcleo sea lo suficientemente pequeño como para admitir solo unos pocos (o incluso uno) modos. Debería proporcionar un revestimiento suficiente para confinar el núcleo y la sección de la bomba óptica sobre una pieza relativamente corta de la fibra.

La fibra cónica de doble revestimiento (T-DCF) tiene un núcleo cónico y un revestimiento que permite escalar la potencia de los amplificadores y láseres sin inestabilidad del modo de lente térmica. [13] [14]

Escala de potencia

Los desarrollos recientes en la tecnología de láser de fibra han llevado a un rápido y gran aumento en las potencias de haz de difracción limitadas logradas de los láseres de estado sólido bombeados por diodos . Debido a la introducción de fibras de gran superficie modo (LMA), así como los continuos avances en alta potencia y diodos de alta luminosidad, de onda continua solo o en modo transversal potencias de los láseres de fibra dopada con Yb han aumentado de 100 W en 2001 a más de 20 kW. [ cita requerida ] En 2014, un láser de fibra de haz combinado demostró una potencia de 30 kW. [15]

Los láseres de fibra de alta potencia promedio generalmente consisten en un oscilador maestro de potencia relativamente baja , o un láser semilla y un esquema de amplificador de potencia (MOPA). En los amplificadores para pulsos ópticos ultracortos, las intensidades de los picos ópticos pueden llegar a ser muy altas, de modo que puede producirse una distorsión de pulso no lineal perjudicial o incluso la destrucción del medio de ganancia u otros elementos ópticos. Esto generalmente se evita empleando amplificación de pulso chirrido (CPA). Las tecnologías de láser de fibra de alta potencia de vanguardia que utilizan amplificadores de varilla han alcanzado 1 kW con pulsos de 260 fs [16] y han logrado un progreso sobresaliente y han proporcionado soluciones prácticas para la mayoría de estos problemas.

Sin embargo, a pesar de las atractivas características de los láseres de fibra, surgen varios problemas cuando se escala la potencia. Los más importantes son las lentes térmicas y la resistencia del material, los efectos no lineales como la dispersión Raman estimulada (SRS), la dispersión Brillouin estimulada (SBS), las inestabilidades de modo y la mala calidad del haz de salida.

El enfoque principal para resolver los problemas relacionados con el aumento de la potencia de salida de los pulsos ha sido aumentar el diámetro del núcleo de la fibra. Se desarrollaron fibras activas especiales con modos grandes para aumentar la relación superficie-volumen activo de las fibras activas y, por lo tanto, mejorar la disipación de calor permitiendo el escalado de potencia.

Además, se han utilizado estructuras de doble revestimiento especialmente desarrolladas para reducir los requisitos de brillo de los diodos de bombeo de alta potencia controlando la propagación y absorción de la bomba entre el revestimiento interior y el núcleo.

Se han desarrollado varios tipos de fibras activas con una gran área de modo efectivo (LMA) para el escalado de alta potencia, incluidas las fibras LMA con un núcleo de baja apertura, [17] fibra tipo varilla microestructurada [16] [18] núcleo helicoidal [ 19] o fibras acopladas quiralmente, [20] y fibras ahusadas de doble revestimiento (T-DCF). [13] El diámetro del campo modal (MFD) logrado con estas tecnologías de baja apertura [16] [17] [18] [19] [20] generalmente no excede los 20-30 μm. La fibra tipo varilla microestructurada tiene un MFD mucho más grande (hasta 65 μm [21]) y buen desempeño. Se demostró una impresionante energía de pulso de 2,2 mJ mediante un MOPA de femtosegundo [22] que contiene fibras de paso grande (LPF). Sin embargo, el defecto de los sistemas de amplificación con LPF es que sus fibras de tipo varilla no doblables relativamente largas (hasta 1,2 m), lo que significa un esquema óptico bastante voluminoso y engorroso. [22] La fabricación de LPF es muy compleja y requiere un procesamiento importante, como el taladrado de precisión de las preformas de fibra. Las fibras LPF son muy sensibles a la flexión, lo que significa que la robustez y la portabilidad se ven comprometidas.

Bloqueo de modo

Artículo principal: Bloqueo de modo

Además de los tipos de bloqueo de modo que se utilizan con otros láseres, los láseres de fibra se pueden bloquear de forma pasiva mediante el uso de la birrefringencia de la propia fibra. [23] El efecto Kerr óptico no lineal provoca un cambio en la polarización que varía con la intensidad de la luz. Esto permite que un polarizador en la cavidad del láser actúe como un absorbente saturable , bloqueando la luz de baja intensidad pero permitiendo que la luz de alta intensidad pase con poca atenuación. Esto permite que el láser forme pulsos de modo bloqueado, y luego la no linealidad de la fibra da forma a cada pulso en un pulso de solitón óptico ultracorto .

Los espejos absorbedores saturables de semiconductores (SESAM) también se pueden utilizar para bloquear el modo de láseres de fibra. Una ventaja importante que tienen los SESAM sobre otras técnicas de absorbentes saturables es que los parámetros del absorbente se pueden adaptar fácilmente para satisfacer las necesidades de un diseño de láser en particular. Por ejemplo, la fluencia de saturación se puede controlar variando la reflectividad del reflector superior, mientras que la profundidad de modulación y el tiempo de recuperación se pueden adaptar cambiando las condiciones de crecimiento a baja temperatura para las capas absorbentes. Esta libertad de diseño ha ampliado aún más la aplicación de SESAM en modelos de láser de fibra donde se necesita una profundidad de modulación relativamente alta para garantizar el autoencendido y la estabilidad de funcionamiento. Se demostraron con éxito láseres de fibra que funcionan a 1 µm y 1,5 µm. [24] [25] [26][27]

También se han utilizado absorbentes saturables de grafeno para los láseres de fibra de bloqueo de modo. [28] [29] [30] La absorción saturable del grafeno no es muy sensible a la longitud de onda, lo que lo hace útil para los láseres sintonizables de bloqueo de modo.

Láseres de fibra de solitón oscuro

En el régimen de bloqueo sin modo, se creó con éxito un láser de fibra de solitón oscuro utilizando un láser de fibra dopada con erbio de dispersión completamente normal con un polarizador en la cavidad. Los resultados experimentales indican que, además de la emisión de pulsos brillantes, en condiciones adecuadas, el láser de fibra también podría emitir pulsos oscuros únicos o múltiples. Según simulaciones numéricas, la formación de pulsos oscuros en el láser puede ser el resultado de la formación de solitones oscuros. [31]

Láseres de fibra de longitud de onda múltiple

La emisión de múltiples longitudes de onda en un láser de fibra demostró luz coherente azul y verde simultánea utilizando fibra óptica ZBLAN. El láser de bombeo final se basó en un medio de ganancia óptica de conversión ascendente que usaba un láser semiconductor de longitud de onda más larga para bombear una fibra de fluoruro dopada con Pr3 + / Yb3 + que usaba espejos dieléctricos recubiertos en cada extremo de la fibra para formar la cavidad. [32]

Láseres de disco de fibra

3 láseres de disco de fibra
Artículo principal: láser de disco de fibra

Otro tipo de láser de fibra es el láser de disco de fibra . En tales láseres, la bomba no está confinada dentro del revestimiento de la fibra, sino que la luz de la bomba se envía a través del núcleo varias veces porque está enrollada sobre sí misma. Esta configuración es adecuada para escalado de potencia en el que se utilizan muchas fuentes de bomba alrededor de la periferia de la bobina. [33] [34] [35] [36]

Ver también

  • Láser de figura 8

Referencias

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