1. O que é um laser de fibra?
Um laser de fibra refere-se a um laser que usa fibras de vidro dopadas com elementos de terras raras como meio de ganho.
Pode ser desenvolvido com base em amplificadores de fibra: sob a ação da luz da bomba, alta densidade de potência é facilmente formada na fibra, causando a “inversão populacional” dos níveis de energia do laser no material do laser.
Quando um loop de feedback positivo apropriado (formando uma cavidade ressonante) é adicionado, a saída de oscilação do laser pode ser formada.
2. Tipos de lasers de fibra
Com base nos tipos de materiais de fibra, os lasers de fibra podem ser divididos em:
(1) Lasers de fibra cristalina.
O material de trabalho é fibra de cristal laser, incluindo lasers de fibra monocristalino de rubi e lasers de fibra monocristalino Nd3 +: YAG, entre outros.
(2) Lasers de fibra óptica não lineares.
Os principais tipos incluem lasers de fibra de espalhamento Raman estimulados e lasers de fibra de espalhamento Brillouin estimulados.
(3) Lasers de fibra dopada com terras raras.
O material de base da fibra é o vidro, e íons de elementos de terras raras são dopados na fibra para ativá-la, criando assim um laser de fibra.
(4) Lasers de fibra plástica.
Os corantes laser são dopados no núcleo ou revestimento de fibras plásticas para criar lasers de fibra.
3. Vantagens dos lasers de fibra
Como representantes da tecnologia laser de terceira geração, os lasers de fibra têm as seguintes vantagens:
- As fibras de vidro têm baixo custo de fabricação e a tecnologia é madura, trazendo as vantagens da miniaturização e intensificação devido à flexibilidade das fibras.
- As fibras de vidro não requerem uma correspondência estrita de fase para a luz da bomba incidente, como fazem os cristais. Isto se deve à ampla banda de absorção causada pelo alargamento não uniforme induzido pela divisão de Stark na matriz de vidro.
- Os materiais de vidro têm uma relação volume/área de superfície extremamente baixa, proporcionando rápida dissipação de calor e baixa perda. Portanto, eles têm uma alta eficiência de conversão ascendente e um baixo limiar de laser.
- Os lasers de fibra oferecem uma ampla gama de comprimentos de onda de saída de laser, graças aos abundantes níveis de energia dos íons de terras raras e à variedade de íons de terras raras disponíveis.
- Ajustabilidade: Isso se deve aos amplos níveis de energia dos íons de terras raras e ao amplo espectro de fluorescência das fibras de vidro.
- A cavidade ressonante de um laser de fibra não contém lentes ópticas, o que oferece as vantagens de não haver necessidade de ajustes ou manutenção e alta estabilidade. Isso é algo que os lasers tradicionais não conseguem igualar.
- A entrega de fibra permite que o laser lide facilmente com várias aplicações de processamento de espaço arbitrário multidimensional, simplificando o projeto de sistemas mecânicos.
- Os lasers de fibra podem suportar ambientes de trabalho adversos e têm alta tolerância a poeira, vibração, choque, umidade e temperatura.
- Não há necessidade de resfriamento termoelétrico ou resfriamento a água, o simples resfriamento a ar é suficiente.
- Alta eficiência eletro-óptica: A eficiência eletro-óptica geral atinge mais de 20%, economizando significativamente o consumo de energia durante a operação e reduzindo os custos operacionais.
- Alta potência: Os lasers de fibra disponíveis comercialmente atingiram potências de até 60.000 watts.
4. Lasers de fibra de alta potência e tecnologia bombeada por revestimento
O advento das fibras duplas é, sem dúvida, um grande avanço no campo das fibras, tornando uma realidade a fabricação de lasers de fibra de alta potência e amplificadores ópticos de alta potência.
Desde que E Snitzer descreveu pela primeira vez os lasers de fibra bombeados por revestimento em 1988, a tecnologia de bombeamento de revestimento tem sido amplamente aplicada a lasers e amplificadores de fibra, tornando-se o método preferido para a produção de lasers de fibra de alta potência.
A tecnologia de bombeamento de revestimento consiste em quatro camadas:
①núcleo de fibra;
②revestimento interno;
③revestimento externo;
④camada protetora.
A luz da bomba é acoplada ao revestimento interno (que geralmente adota uma estrutura irregular, incluindo elíptica, quadrada, flor de ameixa, formato D, hexagonal, etc.), a luz é refletida para frente e para trás entre os revestimentos interno e externo (geralmente projetado para ser circular) e é absorvido pelo núcleo da fibra monomodo após múltiplos cruzamentos.
Esta estrutura não exige que a luz da bomba seja um laser monomodo e pode bombear todo o comprimento da fibra, portanto, um conjunto de diodos laser multimodo de alta potência pode ser escolhido como fonte de bomba, acoplando indiretamente mais de 70% do bombear energia para o núcleo da fibra, melhorando significativamente a eficiência do bombeamento.
As características da tecnologia de bombeamento de revestimento determinam o seguinte excelente desempenho deste tipo de laser:
(1) Alta potência
Um grupo de módulos de diodo de bomba multimodo pode emitir 100 watts de potência óptica, e a configuração paralela de vários diodos de bomba multimodo permite o projeto de lasers de fibra de saída de alta potência.
(2) Não há necessidade de refrigeradores termoelétricos
Este diodo multimodo de alta potência e área ampla pode operar em altas temperaturas, exigindo apenas um simples resfriamento a ar, que é de baixo custo.
(3) Ampla faixa de comprimento de onda de bombeamento
A fibra de revestimento ativo dopada com elementos de terras raras de érbio / itérbio em lasers de fibra de alta potência tem uma faixa de absorção de ondas de luz ampla e plana (930-970nm), portanto, os diodos de bomba não requerem nenhum tipo de dispositivo de estabilização de comprimento de onda.
(4) Alta eficiência
A luz da bomba atravessa o núcleo da fibra monomodo várias vezes, portanto sua utilização é alta.
(5) Alta confiabilidade
Os diodos de bomba multimodo são muito mais estáveis que os diodos de bomba monomodo. Sua área geométrica ampla resulta em baixa densidade de potência óptica e baixa densidade de corrente através da área ativa, proporcionando aos diodos da bomba uma vida útil operacional confiável de mais de 1 milhão de horas.
Atualmente, as tecnologias para obter lasers de fibra bombeados por revestimento podem ser divididas em três categorias principais: bombeamento de cavidade linear de extremidade única, bombeamento de extremidade dupla de cavidade linear e lasers de fibra de revestimento duplo de cavidade de anel de fibra. Diferentes tipos de lasers de fibra dupla podem ser expandidos a partir desses três tipos básicos.
Um documento do OFC-2002 adotou uma estrutura para obter um novo tipo de laser de fibra bombeado por revestimento com potência de saída de 3,8 W, limite de 1,7 W e eficiência de inclinação de até 85%.
Em termos de tecnologia de produto, surgiu a empresa americana IPG, que desenvolveu um laser de fibra dupla dopada com érbio de 700W e anunciou o lançamento de um laser de fibra de 2.000W.
5. Aplicações de lasers de fibra
(1) Marcação de aplicativos
O laser de fibra pulsado, com sua excelente qualidade de feixe, confiabilidade, maior tempo livre de manutenção, maior eficiência geral de conversão eletro-óptica, frequência de repetição de pulso, menor tamanho, uso mais simples e flexível sem resfriamento a água e menor custo operacional, torna-o a única opção para marcação a laser de alta velocidade e precisão.
Um sistema de marcação a laser de fibra pode consistir em um ou dois lasers de fibra de 25 W, um ou dois cabeçotes de digitalização para guiar a luz até a peça de trabalho e um computador industrial para controlar os cabeçotes de digitalização. Este design é quatro vezes mais eficiente do que usar um laser de 50 W dividido em duas cabeças de digitalização.
(2) Aplicações de processamento de materiais
O processamento de materiais com lasers de fibra é um processo de tratamento térmico baseado em partes do material que absorvem a energia do laser. A luz laser com comprimento de onda de cerca de 1um é facilmente absorvida por metais, plásticos e materiais cerâmicos.
(3) Aplicações de dobra de materiais
A modelagem ou dobra a laser de fibra é uma tecnologia usada para alterar a curvatura de placas de metal ou cerâmica dura.
O aquecimento concentrado e o rápido autocorte levam à deformação plástica na área aquecida pelo laser, alterando permanentemente a curvatura da peça alvo.
(4) Aplicações de corte a laser
Com o aumento contínuo da potência, os lasers de fibra estão sendo aplicados em larga escala no corte industrial. Por exemplo, usando um laser de fibra contínua de corte rápido para microcorte de tubos arteriais de aço inoxidável.
Devido à sua alta qualidade de feixe, os lasers de fibra podem atingir um diâmetro de foco muito pequeno e, consequentemente, uma pequena largura de corte, estabelecendo novos padrões na indústria de dispositivos médicos.
Além disso, os lasers de fibra têm uma posição insubstituível no campo da comunicação óptica porque seu comprimento de onda cobre duas janelas principais de comunicação em 1,3 μm e 1,5 μm.
O desenvolvimento bem-sucedido de lasers de fibra dupla de alta potência levou a uma rápida expansão na demanda do mercado na área de processamento a laser.
O escopo específico e o desempenho exigido dos lasers de fibra na área de processamento a laser são os seguintes:
- soldagem suave e sinterização: 50-500W;
- corte de polímeros e compósitos: 200W-1kW;
- desativação: 300W-1kW;
- impressão e marcação rápidas: 20W-1kW;
- endurecimento e revestimento de metal: 2-20kW;
- corte de vidro e silício: 500W-2kW.
Além disso, com o desenvolvimento da escrita de grade de Bragg de fibra ultravioleta e da tecnologia de bombeamento de revestimento, os lasers de fibra de conversão de comprimento de onda com saída em UV, azul, verde, vermelho e infravermelho próximo são amplamente utilizados no armazenamento de dados, exibição colorida e diagnóstico de fluorescência médica como prático. fontes de luz de estado sólido.
Os lasers de fibra com saída de comprimento de onda no infravermelho distante, devido à sua estrutura compacta e flexível, energia ajustável e comprimento de onda, também são aplicados em campos como medicina a laser e bioengenharia.
(6) Nova tecnologia de laser de fibra
As primeiras pesquisas sobre lasers focaram principalmente na saída de pulso curto e na expansão da faixa de comprimento de onda ajustável.
Hoje, o rápido desenvolvimento e progresso das tecnologias Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM) e Optical Time Division Multiplexing estão acelerando e estimulando o avanço da tecnologia de laser de fibra de vários comprimentos de onda e dos lasers de fibra supercontínuos.
Enquanto isso, o surgimento de lasers de fibra de vários comprimentos de onda e de lasers de fibra supercontínuos fornece uma solução ideal para a implementação de transmissão DWDM ou OTDM Tb/s de baixo custo.
Do ponto de vista de sua implementação tecnológica, foi relatado o uso de emissão espontânea amplificada por EDFA, tecnologia de pulso de femtosegundo e diodos superluminescentes.
Conclusão
Como representantes da tecnologia laser de terceira geração, os lasers de fibra possuem superioridade técnica incomparável sobre outros lasers.
No entanto, no curto prazo, acreditamos que os lasers de fibra se concentrarão principalmente em aplicações de ponta. Com a popularização dos lasers de fibra, a redução de custos e o aumento da capacidade de produção, eles poderão eventualmente substituir grande parte dos lasers de CO2 de alta potência e a grande maioria dos lasers YAG em todo o mundo.
