¿Qué es un láser de fibra?
La fibra óptica es la abreviatura de fibra óptica y suele ser una guía de ondas cilíndrica para ondas de luz. Utiliza el principio de reflexión total para confinar las ondas de luz al núcleo y guiarlas en la dirección del eje de la fibra. Reemplazar el alambre de cobre con vidrio de cuarzo cambió el mundo.
Como medio para conducir ondas de luz, la fibra óptica ha sido ampliamente utilizada desde 1966 cuando fue presentada por Charles Kao, gracias a su alta capacidad de comunicación, alta inmunidad a interferencias, baja pérdida de transmisión, larga distancia de transmisión, buena confidencialidad, adaptabilidad, tamaño pequeño , peso ligero y fuentes abundantes de materias primas. Conocido como el "padre de la fibra óptica", Kao recibió el Premio Nobel de Física en 2009 por su trabajo. Con la creciente perfección y practicidad de la fibra óptica, ha revolucionado la industria de las telecomunicaciones y ha reemplazado en gran medida al cable de cobre como componente central de las comunicaciones modernas.
El sistema de comunicación de fibra óptica es un sistema de comunicación que utiliza la luz como portador de información y la fibra óptica como medio de guía de ondas. Cuando la fibra óptica transmite información, la señal eléctrica se transforma en una señal óptica, que luego se transmite dentro de la fibra. Como tecnología de comunicación emergente, la comunicación por fibra óptica ha demostrado una superioridad sin igual desde el principio y ha atraído un gran interés y una atención generalizada. El uso generalizado de fibras ópticas en las comunicaciones también ha contribuido al rápido desarrollo de amplificadores de fibra óptica y láseres de fibra al mismo tiempo. Además de las comunicaciones, los sistemas de fibra óptica también se utilizan en una amplia gama de aplicaciones en medicina, detección y otros campos.
Fibras ópticas
El medio de ganancia de un láser de fibra es la fibra activa. Según su estructura se puede dividir en fibra monomodo, fibra de doble revestimiento y fibra de cristal fotónico tres.
Fibra óptica monomodo La fibra monomodo consiste en una capa de núcleo, revestimiento y revestimiento, donde el índice de refracción del material del núcleo n1, mayor que el índice de refracción del material del revestimiento n2, cuando el ángulo incidente de la luz incidente es mayor que el Imagen de ángulo crítico, el haz de luz en el núcleo de la emisión completa, por lo que la fibra se puede unir al haz de luz en la propagación del núcleo. El revestimiento interno de las fibras monomodo no puede desempeñar un papel restrictivo para la luz de la bomba multimodo, y la apertura numérica del núcleo es baja, por lo que solo se puede usar el acoplamiento de la luz de la bomba monomodo en el núcleo para obtener una salida láser. Los primeros láseres de fibra usaban esta fibra monomodo, lo que resultaba en una baja eficiencia de acoplamiento y láseres con potencia de salida en el rango de milivatios.
Fibras de doble revestimiento
Con el fin de superar las limitaciones de las fibras dopadas con iterbio (Yb3 plus) de un solo modo y un solo revestimiento convencionales en cuanto a la eficiencia de conversión y la potencia de salida, Maurer (R. Maurer) propuso por primera vez el concepto de fibras de doble revestimiento en 1974. Desde entonces, no fue hasta 1988, cuando E. Snitzer y otros propusieron la tecnología de bombeo de revestimiento [3], que los láseres/amplificadores de fibra dopados con Yb de alta potencia se desarrollaron rápidamente.
Una fibra de doble revestimiento es una fibra óptica con una estructura especial que agrega una capa de revestimiento interior a la fibra convencional, que consta de una capa de revestimiento, una capa de revestimiento interior, una capa de revestimiento exterior y un núcleo de fibra dopada. La tecnología de bombeo del revestimiento se basa en una fibra de doble revestimiento, cuyo núcleo es permitir que la luz de la bomba multimodo se transmita en el revestimiento interior y la luz láser se transmita en el núcleo, lo que permite la eficiencia de conversión de bombeo y la potencia de salida de el láser de fibra para ser mejorado en gran medida. La estructura de la fibra de doble revestimiento, la forma del revestimiento interior y el método de acoplamiento de la luz de la bomba son las claves de esta tecnología.
El núcleo de la fibra de doble revestimiento está compuesto de dióxido de silicio (SiO2) dopado con elementos de tierras raras, que es tanto el medio láser como el canal de transmisión de la señal láser en el láser de fibra, correspondiente a la longitud de onda de trabajo. El tamaño transversal (decenas de veces el diámetro de un núcleo convencional) y la apertura numérica del revestimiento interior son mucho mayores que los del núcleo, y el índice de refracción es menor que el del núcleo, lo que limita por completo la propagación de la luz láser. dentro del núcleo. Esto crea una guía de onda óptica de gran apertura numérica, de gran sección transversal, entre el núcleo y el revestimiento exterior, lo que permite que la luz bombeada de alta potencia multimodo, de gran apertura numérica y de gran sección transversal se acople a la fibra y se limite a la transmisión dentro el revestimiento interior sin difusión, facilitando el mantenimiento del bombeo óptico de alta densidad de potencia. El revestimiento exterior está compuesto por un material polimérico con un índice de refracción menor que el revestimiento interior; la capa más externa es una capa protectora compuesta de material orgánico. El área de acoplamiento de la fibra de doble revestimiento a la luz bombeada está determinada por el tamaño del revestimiento interior, a diferencia de las fibras monomodo convencionales, que están determinadas únicamente por el núcleo. Por un lado, esto mejora la eficiencia de acoplamiento de potencia del láser de fibra humana, permitiendo que la luz de la bomba atraviese el revestimiento interior varias veces para excitar los iones dopados para la emisión del láser; por otro lado, la calidad del haz de salida está determinada por la naturaleza del núcleo de la fibra, y la introducción del revestimiento interior no destruye la calidad del haz de la salida del láser de fibra.
Inicialmente, el revestimiento interno de fibras de doble revestimiento era cilíndricamente simétrico y relativamente simple de fabricar y fácil de acoplar a la cola de cerdo del diodo láser de bombeo (LD), pero su perfecta simetría resultó en una gran cantidad de rayos de luz de bombeo en espiral en el revestimiento interno que nunca llegó a la región del núcleo incluso después de suficientes reflejos para ser absorbido por el núcleo, de modo que incluso con fibras más largas todavía hay una gran cantidad de fuga de luz, lo que dificulta mejorar la eficiencia de conversión. Por este motivo, se debe romper la simetría cilíndrica del revestimiento interior.
Fibras de cristal fotónico
En las fibras normales de doble revestimiento, la geometría del núcleo determina la potencia del láser de salida. La apertura numérica determina la calidad del haz del láser de salida. Debido a las limitaciones de los efectos no lineales, el daño óptico y otros mecanismos físicos en las fibras ópticas, un solo medio para aumentar el diámetro del núcleo no puede satisfacer la demanda de operación monomodo a alta potencia de salida en fibras de doble revestimiento de campo modal grande. La aparición de fibras especiales, como las fibras de cristal fotónico (PCF), proporciona una solución técnica eficaz a este desafío.
El concepto de cristales fotónicos fue introducido por primera vez por E. Yablonovitch en 19871 como una estructura periódica con diferentes constantes dieléctricas en una, dos o tres dimensiones que permite que la luz se propague en la banda de conducción fotónica y prohíbe que la luz se propague en la banda prohibida fotónica ( PBG). Los PCF son cristales fotónicos bidimensionales, también conocidos como fibras microestructuradas o fibras porosas, y en 1996 JC Knight et al. produjo las primeras PCF con un mecanismo de guía de luz similar al de las fibras convencionales con reflexión interna total. Después de 2005, el diseño y la preparación de PCF de campo modal grande comenzaron a diversificarse, con la aparición de varias formas, incluidas PCF de canal con fugas, PCF en forma de barra, PCF de paso grande y PCF multinúcleo. El área de campo modal de la fibra también ha seguido aumentando en consecuencia.
En apariencia, las PCF son muy similares a las fibras monomodo convencionales, pero microscópicamente exhiben estructuras complejas de matriz de agujeros. Son estas características estructurales las que otorgan a los PCF ventajas únicas e inigualables sobre las fibras convencionales, como la transmisión monomodo sin cortes, el área de campo de modo grande, la dispersión sintonizable y la pérdida límite baja, que pueden superar muchos de los desafíos de los láseres convencionales. . Por ejemplo, PCF puede lograr una operación de modo único en un área de campo de modo grande, al tiempo que garantiza la calidad del haz, reduce significativamente la densidad de potencia del láser en la fibra, reduce los efectos no lineales en la fibra y aumenta el umbral de daño de la fibra; puede lograr una gran apertura numérica, lo que significa que se puede lograr un mayor acoplamiento óptico de la bomba y una salida de láser de mayor potencia. Esto lo ha convertido en un nuevo punto culminante de la investigación en láseres de fibra, desempeñando un papel cada vez más importante en la aplicación de láseres de fibra de alta potencia.
La invención del láser de fibra
Los láseres que utilizan fibras ópticas como medio de ganancia láser se conocen como láseres de fibra. Al igual que otros tipos de láseres, consta de tres partes: el medio de ganancia, la fuente de bombeo y la cavidad resonante. Los láseres de fibra utilizan una fibra activa con un núcleo dopado con elementos de tierras raras como medio de ganancia. Generalmente se utiliza un láser semiconductor como fuente de bombeo. La cavidad resonante generalmente se compone de espejos reflectantes, superficies de extremos de fibra, espejos de anillo de fibra o rejillas de fibra.
De acuerdo con las características del dominio del tiempo del láser de fibra, se puede dividir en láser de fibra continua y láser de fibra pulsada; de acuerdo con la estructura de la cavidad resonante, se puede dividir en láser de fibra de cavidad lineal, láser de fibra de retroalimentación distribuida y láser de fibra de cavidad anular; De acuerdo con la ganancia de fibra y los diferentes métodos de bombeo, se puede dividir en láser de fibra de revestimiento simple (bombeo de núcleo de fibra) y láser de fibra de revestimiento doble (bombeo de revestimiento).
En 1961, Snitzer descubrió la radiación láser en guías de ondas de vidrio dopadas con neodimio (Nd). 1966, Kao estudió en detalle las principales causas de la atenuación de la luz en las fibras ópticas y señaló los principales problemas técnicos que deben resolverse para la aplicación práctica de las fibras ópticas en las comunicaciones. 1970, Corning en los EE. UU. desarrolló fibras ópticas con una atenuación inferior a 20 dB/km, lo que sentó las bases para el desarrollo de la industria de las comunicaciones ópticas y la optoelectrónica. Esto sentó las bases para el desarrollo de las industrias de comunicaciones ópticas y optoelectrónica. En las décadas de 1970 y 1980, la maduración y comercialización de la tecnología láser de semiconductores proporcionó una fuente de bombeo confiable y diversa para el desarrollo de láseres de fibra. Al mismo tiempo, el desarrollo del método de deposición de vapor químico hace que la pérdida de transmisión de la fibra óptica se reduzca continuamente. Los láseres de fibra también se están desarrollando rápidamente en la dirección de la diversificación, con fibras dopadas con una variedad de elementos de tierras raras, como erbio (Er3 plus), iterbio (Yb3 plus), neodimio (Nd3 plus), samario (Sm 3 plus), tulio (Tm3 plus), holmio (Ho3 plus), praseodimio (Pr3 plus), disprosio (Dy3 plus), bismuto (Bi3 plus), etc. Dependiendo de los iones dopados, se pueden lograr diferentes longitudes de onda de salida de láser. Para cumplir con los requisitos de diferentes aplicaciones.
Características de los láseres de fibra de alta potencia
Las ventajas de los láseres de fibra de alta potencia son las siguientes.
(1) Buena calidad de haz. La estructura de la guía de ondas de la fibra óptica facilita la obtención de una salida de modo transversal único, y la influencia de factores externos es muy pequeña para lograr una salida de láser de alto brillo.
(2) alta eficiencia. El láser de fibra al elegir la longitud de onda de emisión y las características de absorción de elementos de tierras raras dopadas del láser semiconductor para la fuente de bombeo, puede lograr una eficiencia de conversión de luz muy alta. Para los láseres de fibra de alta potencia dopados con iterbio, generalmente elija láseres semiconductores de 915nm o 975nm, debido a la estructura de nivel de energía simple de Yb3 plus, la conversión ascendente, la absorción del estado excitado y los estallidos de concentración son menos probables, la vida de la fluorescencia es más larga y puede almacenar energía de manera efectiva para operación de alta potencia. La eficiencia electroóptica general de los láseres de fibra comerciales es de hasta un 25 por ciento, lo que conduce a la reducción de costos, el ahorro de energía y la protección del medio ambiente.
(3) Buenas características de disipación de calor. Los láseres de fibra se utilizan como un medio de ganancia de láser utilizando una fibra delgada dopada con elementos de tierras raras con una relación de área de superficie a volumen muy grande. Aproximadamente 1000 veces el láser de bloque sólido, en términos de capacidad de disipación de calor tiene una ventaja natural. No se requiere un enfriamiento especial de la fibra para casos de baja y media potencia, y se usa enfriamiento por agua para casos de alta potencia, lo que también evita de manera efectiva la degradación de la calidad y la eficiencia del haz debido a los efectos térmicos que se encuentran comúnmente en los láseres de estado sólido.
(4) Estructura compacta, alta confiabilidad. Como el láser de fibra utiliza una fibra pequeña y flexible como medio de ganancia láser, ayuda a comprimir el volumen y ahorrar costos. La fuente de bombeo también se utiliza en láseres semiconductores de tamaño pequeño y fáciles de modular, los productos comerciales generalmente están disponibles con salida flexible, combinados con rejilla de fibra Bragg y otros dispositivos de fibra óptica, siempre que estos dispositivos estén fusionados entre sí para lograr una fibra completa. la inmunidad a las perturbaciones ambientales, con alta estabilidad, puede ahorrar tiempo y costos de mantenimiento.
Los láseres de fibra de alta potencia también tienen desventajas que son difíciles de superar: una es la vulnerabilidad a los efectos no lineales. Los láseres de fibra tienen una longitud efectiva larga y un umbral bajo para varios efectos no lineales debido a la geometría de sus guías de ondas. Algunos efectos no lineales nocivos, como la dispersión Raman excitada (SRS), la modulación de fase propia (SPM), etc., pueden causar fluctuaciones de fase y transferencia de energía en el espectro, o incluso dañar el sistema láser, lo que limita el desarrollo de fibra de alta potencia. láseres El segundo es el efecto de oscurecimiento de fotones. Con el aumento en el tiempo de bombeo, el efecto de oscurecimiento de fotones puede conducir a una alta concentración de dopaje de la eficiencia de conversión de energía de fibra dopada con elementos de tierras raras disminución monótonamente irreversible, lo que limita la estabilidad a largo plazo y la vida útil de los láseres de fibra de alta potencia, lo cual es particularmente obvio en láseres de fibra de alta potencia dopados con iterbio.
Con el avance de los láseres semiconductores acoplados a fibra de alto brillo y la tecnología de fibra de doble revestimiento, la potencia de salida, la eficiencia de conversión óptica a óptica y la calidad del haz de los láseres de fibra de alta potencia se han desarrollado significativamente. En el procesamiento industrial, armas de energía dirigida, telemetría de largo alcance, LIDAR y otras aplicaciones de tracción de gran demanda, a los Estados Unidos Apache Photonics (IPG Photonics), Nufern (Nufern), Nlight (Nlight) y Alemania Tong Express Group, principalmente Unidades de investigación en onda continua, investigación y desarrollo de láser de fibra de alta potencia de onda pulsada, lanzaron una rica línea de productos. Varias unidades en China también han informado resultados emocionantes, incluida la Universidad de Tsinghua, la Universidad Nacional de Tecnología de Defensa, el Instituto de Óptica y Maquinaria de Precisión de Shanghai de la Academia de Ciencias de China y el Cuarto Instituto de Investigación de la Ciencia y Tecnología Aeroespacial de China. Corporación Industria.
Tecnología de mejora de potencia de láser de fibra
Debido a los efectos no lineales en el láser de fibra, los efectos térmicos y las limitaciones del umbral de daño del material, la potencia de salida de un solo láser de fibra está limitada hasta cierto punto y, a medida que aumenta la potencia, la calidad del haz disminuye gradualmente, lo que requiere el uso de tecnología de control de modo y el diseño de una estructura especial de la nueva fibra para mejorar la calidad del haz. Dawson (JW Dawson) et al analizó teóricamente el límite de potencia de salida de una sola fibra y calculó que en los láseres de fibra de banda ancha, una sola fibra puede obtener una potencia máxima de 36 kW cerca del límite de difracción de la salida del láser, mientras que para los láseres de fibra de ancho de línea estrecho, el máximo la potencia es de 2 kw. Para mejorar aún más la potencia de salida del láser de fibra y el amplificador, la síntesis de potencia de múltiples láseres de fibra mediante tecnología de síntesis coherente es un método efectivo. Se ha convertido en un centro de investigación internacional en los últimos años.
La síntesis coherente se logra mediante el control de la fase, la frecuencia y la polarización de cada rayo láser con cierta consistencia, de modo que cumpla con la condición de coherencia y obtenga una salida de bloqueo de fase homogénea, que puede obtener un pico de intensidad mucho más alto que el simple no coherente. superposición y mantener una buena calidad del haz. La historia del desarrollo de la tecnología de síntesis coherente es casi tan larga como la historia de los propios láseres e involucra varios tipos de láseres de gas, láseres químicos, láseres de semiconductores, láseres de estado sólido, etc. Sin embargo, debido a la inmadurez de varios dispositivos En los primeros días, los resultados experimentales logrados por la tecnología de síntesis coherente no superaban la potencia de salida máxima del láser de enlace único correspondiente en ese momento, por lo que el efecto no era muy obvio. Desde la década de 1990 en adelante, la llegada de los láseres de fibra condujo a un rápido desarrollo de técnicas de síntesis coherentes. Además de las ventajas únicas de los láseres de fibra y la necesidad del uso táctico de cientos de kilovatios, varios dispositivos (es decir, acopladores de cono de fibra, fibras multinúcleo, moduladores de fase con coletas y cambiadores de frecuencia acústico-ópticos, etc.) han jugado un papel importante. papel crucial en el despliegue comercial de las comunicaciones por fibra óptica. Los acopladores de cono de fibra y las fibras multinúcleo facilitan el control de fase pasivo basado en el acoplamiento de inyección de energía láser y el acoplamiento de onda rápida, mientras que los moduladores de fase con coletas y cambiadores de frecuencia acústico-ópticos permiten el control de fase activo con anchos de banda de control de megahercios, que se pueden usar para controlar las fluctuaciones de fase en condiciones de alta potencia y lograr salidas de bloqueo de fase. Los investigadores han propuesto una serie de esquemas de síntesis coherentes distintivos.
La síntesis espectral es una técnica de síntesis no coherente que utiliza una o más rejillas de difracción para difractar múltiples subhaces en la misma apertura, lo que da como resultado una salida de apertura única con buena calidad de haz. La síntesis espectral de los láseres de fibra puede aprovechar al máximo el amplio ancho de banda de ganancia de los láseres de fibra dopados con Yb para compensar la potencia de salida limitada de un solo láser de fibra.
