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Tecnología láser de fibra: Principios clave y usos

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1. Introducción

La investigación sobre láseres de fibra dopada utilizando medios de ganancia se remonta a la década de 1960, cuando Snitzer informó en 1963 de la creación de un láser de fibra con iones de neodimio (Nd3+) dopado en una matriz de vidrio.

Desde la década de 1970, se han realizado avances significativos en la tecnología de preparación de fibras y en la exploración de estructuras de bomba y cavidad resonante para láseres de fibra.

A mediados de la década de 1980, se produjo un gran avance en la fibra dopada (Er3+) de la Universidad de Southampton, en el Reino Unido, mejoraron enormemente la viabilidad de los láseres de fibra, mostrando perspectivas de aplicación muy prometedoras.

En comparación con los láseres sólidos y de gas tradicionales, los láseres de fibra presentan muchas ventajas únicas, como la alta calidad del haz, el tamaño reducido, el peso ligero, la ausencia de mantenimiento, la refrigeración por aire, la facilidad de manejo, el bajo coste de funcionamiento y el uso a largo plazo en entornos industriales.

También ofrecen alta precisión de procesamiento, velocidad rápida, larga vida útil, ahorro de energía y excelente flexibilidad para la inteligencia y la automatización. Por ello, han sustituido a los láseres YAG y CO2 tradicionales en muchos campos.

La gama de longitudes de onda de salida de los láseres de fibra oscila entre 400 y 3400 nm, aplicables en diversos campos como el almacenamiento óptico de datos, la comunicación óptica, la tecnología de sensores, la espectroscopia y las aplicaciones médicas.

En la actualidad, se observa un rápido desarrollo de los láseres de fibra dopada, los láseres de fibra con rejilla de Bragg, los láseres de fibra de ancho de línea estrecho sintonizable y los láseres de fibra de doble revestimiento de alta potencia.

2. Estructura básica y principio de funcionamiento de los láseres de fibra óptica

2.1 Estructura básica de los láseres de fibra óptica

En láser de fibra consta principalmente de tres partes: el medio de ganancia que puede generar fotones, la cavidad óptica resonante que permite la retroalimentación de fotones y la amplificación resonante en el medio de ganancia, y la fuente de bombeo que puede excitar el medio láser.

La estructura básica del láser de fibra se muestra en la figura 2.1.

Figura 2.1 Estructura básica de los láseres de fibra óptica

El medio de ganancia es un núcleo de fibra dopado con iones de tierras raras. La fibra dopada se coloca entre dos espejos con reflectividad seleccionada. La luz de bombeo se acopla a la fibra desde el espejo izquierdo del láser de fibra y emite luz láser a través de un sistema óptico de colimación y un filtro.

Teóricamente, la fuente de bombeo y la fibra de ganancia son los componentes esenciales del láser de fibra, y la cavidad resonante no es indispensable. La selección de modo de la cavidad resonante y el alargamiento del medio de ganancia no son necesarios en los láseres de fibra porque la propia fibra puede ser muy larga, obteniéndose así una ganancia de paso único muy alta, y el efecto de guía de ondas de la fibra puede desempeñar un papel de selección de modo.

Sin embargo, en las aplicaciones prácticas, la gente suele preferir utilizar fibras más cortas, por lo que en la mayoría de los casos se utiliza una cavidad resonante para introducir la realimentación.

Debido a la estructura de guía de ondas de los láseres de fibra, pueden acomodar un fuerte bombeo y tienen una alta ganancia (ganancia de paso único de hasta 50dB). Los elementos de tierras raras en la matriz de vidrio tienen un ancho de línea y un rango de sintonización amplios (Yb3+ es de 125 nm, Tm3+ >300nm).

Las características específicas son las siguientes:

1) La fibra sirve como medio de guía de ondas, ofreciendo una alta eficacia de acoplamiento, un diámetro de núcleo pequeño y facilidad para formar una alta densidad de potencia dentro de la fibra. Puede conectarse cómodamente con los actuales sistemas de comunicación por fibra óptica. Los láseres resultantes tienen una alta eficiencia de conversión, un bajo umbral láser, una excelente calidad del haz y un estrecho ancho de línea.

2) Dada la elevada relación "superficie/volumen" de la fibra, presenta una buena disipación del calor. La temperatura ambiente puede oscilar entre -20 y 70℃, lo que elimina la necesidad de un gran sistema de refrigeración por agua y solo requiere una simple refrigeración por aire.

3) El láser de fibra puede funcionar en condiciones duras, como alto impacto, alta vibración, alta temperatura y condiciones polvorientas.

4) Debido a la excelente flexibilidad de la fibra, el láser puede diseñarse para ser bastante pequeño y flexible, con una forma compacta y un volumen reducido, lo que facilita la integración del sistema y ofrece una elevada relación rendimiento-precio.

5) El láser de fibra tiene bastantes parámetros sintonizables y selectividad, lo que le permite cubrir un amplio rango de sintonización, excelente monocromaticidad y alta estabilidad. Tiene una larga vida útil de la bomba, con un tiempo medio de trabajo sin fallos de 10kh o incluso más de 100kh.

2.2 Principio de funcionamiento del láser de fibra óptica

Los láseres de fibra desarrollados actualmente utilizan principalmente fibras dopadas con elementos de tierras raras como medio de ganancia.

El principio de funcionamiento del láser de fibra es que la luz de bombeo incide en la fibra dopada a través del reflector frontal (o rejilla frontal), y los iones de tierras raras que han absorbido la energía del fotón experimentarán transiciones de nivel de energía, logrando la "inversión del número de partículas".

Las partículas invertidas volverán al estado de masa en forma de radiación tras la relajación, liberando simultáneamente energía en forma de fotones y emitiendo el láser a través del reflector trasero (rejilla trasera).

El amplificador de fibra dopado con elementos de tierras raras ha impulsado el desarrollo de los láseres de fibra, ya que los amplificadores de fibra pueden formar láseres de fibra mediante mecanismos de realimentación adecuados.

Cuando la luz de bombeo atraviesa los iones de tierras raras de la fibra, éstos la absorben. En ese momento, los átomos de tierras raras que absorben la energía de los fotones se excitarán a un nivel de energía de láser superior, con lo que se logrará la inversión del número de iones.

El número de iones invertido pasará del nivel de alta energía al estado de masa en forma de radiación, y liberará energía, completando la radiación estimulada. El modo de radiación del estado excitado al estado de masa tiene dos tipos: radiación espontánea y radiación estimulada.

Entre ellas, la radiación estimulada es una radiación de la misma frecuencia y fase, que puede formar un láser muy coherente. La emisión láser es un proceso físico en el que la radiación estimulada supera con creces a la espontánea.

Para que este proceso continúe, debe formarse una inversión del número de iones. Por lo tanto, los niveles de energía implicados en el proceso deben ser superiores a dos, y también debe haber una fuente de bombeo que proporcione energía.

En realidad, el láser de fibra puede denominarse convertidor de longitud de onda, a través del cual la luz de longitud de onda de bombeo puede convertirse en la luz de longitud de onda de láser requerida.

Por ejemplo, un láser de fibra dopada con erbio bombea luz de 980 nm y emite láser de 1550 nm. La salida del láser puede ser continua o pulsada.

Los láseres de fibra tienen dos estados de láser, el de tres niveles y el de cuatro niveles. Los principios del láser de tres y cuatro niveles se muestran en la Figura 2.2.

La bomba (fotón de alta energía de longitud de onda corta) provoca la transición del electrón del estado de masa al estado de alta energía E44 o E33y luego pasa al nivel láser superior E43 o E32 mediante transiciones no radiativas.

Cuando el electrón vuelve a transicionar desde el nivel láser superior al nivel energético inferior E42 o E31El proceso láser se producirá.

Figura 2.2 Diagrama de niveles de energía láser de tres y cuatro niveles

3. Tipos de láser de fibra óptica

Existen varios tipos de láseres de fibra óptica que pueden dividirse en diferentes categorías, tal y como se muestra en la Tabla 3.1. En las siguientes secciones se ofrecerá una introducción a varios tipos de estos láseres.

Cuadro 3.1 Clasificación de los láseres de fibra óptica

Clasificación según la estructura del resonadorCavidad F-P, cavidad anular, resonador de fibra con reflector de bucle y cavidad en forma de "8", láser de fibra DBR, láser de fibra DFB
Clasificación por estructura de la fibraLáser de fibra óptica de revestimiento simple, Láser de fibra óptica de revestimiento doble
Clasificación por medio de gananciaLáser de fibra óptica con dopaje de tierras raras, Láser de fibra óptica de efecto no lineal, Láser de fibra óptica monocristalina, Láser de fibra óptica de plástico
Clasificación por mecanismo de funcionamientoLáser de fibra óptica de conversión ascendente, Láser de fibra óptica de conversión descendente
Clasificación por elementos dopantesErbio (Er3+), Neodimio (Nd3+), praseodimio (Pr3+), Tulio (Tm3+), iterbio (Yb3+), Holmio (Ho3+) y otros 15 tipos
Clasificación por longitud de onda de salidaBanda S (1280-1350 nm), Banda C (1528-1565 nm), Banda L (1561-1620 nm)
Clasificación por láser de salidaLáser pulsado, láser de onda continua


3.1 Láseres de fibra dopada con tierras raras

Los elementos de tierras raras abarcan 15 elementos, situados en la quinta fila de la tabla periódica.

En la actualidad, entre los iones de tierras raras incorporados a fibras activas que se han desarrollado hasta la fecha se encuentran el Er3+Nd3+, Pr3+Tm3+e Yb3+.

En los últimos años, los láseres de fibra dopada de doble revestimiento, que utilizan la tecnología de bombeo de revestimiento, han aumentado significativamente la potencia de salida, convirtiéndose en otro punto caliente de la investigación en el campo de los láseres.

Este tipo de estructura de fibra, como se muestra en la Figura 3.1, se compone de un revestimiento exterior, un revestimiento interior y un núcleo dopado.

El índice de refracción del revestimiento exterior es menor que el del revestimiento interior, que a su vez es menor que el índice de refracción del núcleo de fibra, formando así una estructura de guía de ondas de doble capa.

La fibra dopada de doble revestimiento es un componente clave en la construcción de láseres de fibra. Sus principales funciones en un láser de fibra incluyen:

1) Convertir la potencia de la luz de bombeo en el medio de trabajo del láser;

2) Colaborar con otros dispositivos para formar un resonador láser.

Su principio de funcionamiento consiste principalmente en inyectar la luz de bombeo en la fibra, ya sea lateralmente o desde la cara del extremo. Como el índice de refracción del revestimiento exterior es mucho menor que el del revestimiento interior de la fibra, el revestimiento interior puede transmitir luz de bombeo multimodo.

La dimensión de la sección transversal del revestimiento interior es mayor que la del núcleo. Así, para la longitud de onda láser generada, el revestimiento interior y el núcleo dopado con tierras raras forman una guía de ondas monomodo perfecta, mientras que éste y el revestimiento exterior forman una guía de ondas multimodo para transmitir la potencia de la luz de bombeo.

Esto permite acoplar luz de bombeo multimodo de gran potencia en el revestimiento interior. La luz de bombeo multimodo se absorbe varias veces a medida que viaja por la fibra, atravesando el núcleo. Debido a la excitación de los iones de tierras raras en el núcleo, se produce una salida láser de señal de alta potencia.

El principio de funcionamiento se ilustra en la figura 3.1.

Figura 3.1 Principio de bombeo del revestimiento de las fibras ópticas híbridas de doble revestimiento

3.2 Láser de rejilla de fibra de Bragg

La creciente madurez de la tecnología de rejilla de Bragg de fibra con escritura UV en la década de 1990 ha llevado a prestar mayor atención a los láseres de rejilla de Bragg de fibra, principalmente los láseres de rejilla de fibra con reflector de Bragg distribuido (DBR) y realimentación distribuida (DFB).

La principal diferencia entre ambas es que la DFB usos del láser de fibra sólo una rejilla para lograr la realimentación óptica y la selección de longitud de onda, ofreciendo así una mayor estabilidad y evitando la pérdida por fusión entre la fibra dopada con Er y la rejilla.

Sin embargo, aunque la rejilla puede escribirse directamente en la fibra dopada con Er utilizando UV, la fabricación práctica del láser de fibra DEB no es fácil debido al bajo contenido de Ge en el núcleo de la fibra y a la escasa fotosensibilidad.

En cambio, el láser de fibra DBR puede fabricarse más fácilmente fusionando una rejilla de fibra dopada con Ge en ambos extremos de la fibra dopada con Er para formar una cavidad resonante.

Los láseres de rejilla de fibra DBR y DFB se enfrentan a varios problemas, como una baja eficiencia de absorción de la bomba debido a cavidades resonantes cortas, líneas espectrales más anchas que los láseres de anillo y saltos de modo.

Se están realizando esfuerzos continuos para resolver estos problemas. Las mejoras propuestas incluyen el uso de fibra codopada Er:Yb como medio de ganancia, la adopción de un método de bombeo intracavitario y la integración del oscilador y el amplificador de potencia.

3.3 Láseres de fibra de pulso ultracorto

Los láseres de pulsos ultracortos son actualmente un tema de investigación candente en los láseres de fibra, utilizando principalmente técnicas de bloqueo de modo pasivo.

Al igual que los láseres de estado sólido, los láseres de fibra generan salidas láser de impulsos cortos basadas en el principio de bloqueo de modo. Cuando un láser de fibra funciona con un gran número de modos longitudinales dentro del ancho de banda de ganancia, el bloqueo de modo se consigue cuando la fase de cada modo longitudinal se sincroniza y la diferencia de fase entre dos modos longitudinales adyacentes es constante.

El pulso único que circula por la cavidad resonante emite energía a través del acoplador de salida. Los láseres de fibra se dividen en láseres de fibra con bloqueo de modo activo y láseres de fibra con bloqueo de modo pasivo.

La capacidad de modulación de bloqueo de modo activo limita la anchura de pulso del pulso de bloqueo de modo, que suele ser del orden de picosegundos. Los láseres de fibra con bloqueo de modo pasivo utilizan los efectos ópticos no lineales de la fibra u otros componentes ópticos para lograr el bloqueo de modo.

La estructura del láser es sencilla y, en determinadas condiciones, puede lograr un bloqueo de modo autoiniciado sin componentes de modulación. Los láseres de fibra óptica de bloqueo pasivo pueden emitir pulsos ultracortos del orden de los femtosegundos.

Los láseres de pulsos ultracortos se han utilizado en fuentes de luz ultrarrápidas, lo que ha dado lugar a diversas técnicas de espectroscopia y bombeo con resolución temporal. La tecnología de generación de pulsos ultracortos es clave para lograr la multiplexación óptica por división en el tiempo (OTDM) a velocidad ultrarrápida. Los láseres de fibra de pulso ultracorto están muy extendidos en diversos campos como los materiales, la biología, la medicina, la química y el ejército.

4. 4. Perspectivas de futuro

Los láseres son el núcleo de la tecnología láser, y la futura dirección de desarrollo de los láseres de fibra será mejorar aún más el rendimiento de los láseres de fibra, como aumentar aún más la potencia de salida y mejorar la calidad del haz; ampliar nuevas longitudes de onda láser, ampliar la gama sintonizable de los láseres; estrechar el espectro láser; desarrollar pulsos ultracortos (niveles ps y fs) de láseres de alto brillo; y llevar a cabo investigaciones sobre la miniaturización general, la practicidad y la inteligencia.

En los últimos años, el desarrollo se ha centrado principalmente en tres aspectos:

(1) mejorar el rendimiento de las rejillas de Bragg de fibra, lo que permite aplicarlas bien en los láseres de fibra;

(2) láseres de fibra con anchuras de pulso y de línea espectral más estrechas, mayor potencia de salida, gama de sintonización más amplia, etc;

(3) hacer más prácticos los láseres de fibra.

Aplicaciones industriales: La aplicación más notable de la fibra láseres en la industria es el procesamiento de materiales. Con su potencia en continuo aumento, los láseres de fibra han empezado a utilizarse a gran escala para el corte industrial.

Los láseres de fibra son ideales para cortar, procesar y manipular tanto metales como materiales no metálicos. Se pueden utilizar para la calibración de productos láser, corte de precisión, grabado láser, soldadura láser, taladrado de precisión, detección láser, microdoblado, medición láser y otros aspectos técnicos.

Aplicaciones de telecomunicación: Para satisfacer los requisitos actuales de comunicación de alta capacidad, la aplicación de láseres de fibra se ha convertido en una tecnología emergente en la comunicación.

En el futuro, la tecnología de la comunicación pasará gradualmente de la comunicación eléctrica a la óptica. Los láseres de fibra no sólo pueden generar una salida láser continua, sino también pulsos láser ultracortos de picosegundos (ps) o incluso femtosegundos (fs).

Los láseres de fibra han hecho grandes avances en la reducción de umbrales, la ampliación de los rangos de longitud de onda y las capacidades de longitud de onda sintonizable. La comunicación por solitón, una tecnología práctica, puede alcanzar una distancia de transmisión de millones de kilómetros, una velocidad de transmisión de 20Gb/s y una tasa de error de bit inferior a 10-13, logrando una transmisión de señales de alta velocidad y calidad.

Aplicaciones militares: Con el continuo aumento de la potencia de los láseres de fibra, su aplicación en el ámbito militar está cada vez más extendida.

Para lograr el propósito de las armas de energía dirigida, varios láseres de fibra se combinan en una estructura de matriz coherente, que puede aumentar la potencia de los láseres de fibra.

En el Laboratorio de Investigación de las Fuerzas Aéreas de Estados Unidos se está investigando sobre láseres de fibra de 100 kW para cumplir objetivos de aplicación militar.

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