La fibra óptica, también conocida como fibra óptica, es una guía de ondas cilíndrica que se utiliza para transmitir luz. Utiliza el principio de reflexión interna total para confinar la onda de luz dentro del núcleo de la fibra y guiarla a lo largo del eje de la fibra.
La sustitución de los cables de cobre por fibra óptica cambió el mundo. Como medio de transmisión de luz, la fibra óptica ha sido ampliamente adoptada desde su propuesta por Gao Kun en 1966 debido a sus numerosas ventajas, como alta capacidad, fuertes capacidades antiinterferentes, baja pérdida de transmisión, larga distancia de transmisión, excelente seguridad, gran adaptabilidad, Tamaño compacto, peso ligero y abundantes recursos de materia prima.
Gao Kun, ampliamente reconocido como el “padre de la fibra óptica”, recibió el Premio Nobel de Física en 2009.
La industria de las telecomunicaciones se ha visto transformada por la mejora continua y las aplicaciones prácticas de la fibra óptica. La fibra óptica ha reemplazado en gran medida al cable de cobre y ahora es una parte crucial de las comunicaciones modernas.
El sistema de comunicación de fibra óptica es un tipo de sistema de comunicación que utiliza la luz como portador de información y la fibra óptica como medio guía de ondas. Al transmitir información, la señal eléctrica se convierte en una señal óptica y se transmite dentro de la fibra óptica.
Como nueva forma de tecnología de comunicación, la comunicación por fibra óptica ha presentado ventajas incomparables desde sus inicios, atrayendo un amplio interés y atención.
El uso generalizado de la fibra óptica en las comunicaciones también ha estimulado el rápido desarrollo de amplificadores de fibra y láseres de fibra. Además del campo de la comunicación, los sistemas de fibra óptica también se utilizan habitualmente en medicina, detección y otras áreas.
Fibra óptica
La fibra activa sirve como medio de ganancia en los láseres de fibra. Se puede clasificar en fibra monomodo, fibra bimodo y fibra de cristal fotónico según su estructura.
La fibra monomodo consta de núcleo, revestimiento y revestimiento. El índice de refracción (N1) del material del núcleo es mayor que el del material de revestimiento (N2). Cuando el ángulo de incidencia de la luz incidente es mayor que el ángulo crítico, el haz se emite completamente hacia el núcleo, permitiendo que la fibra óptica confine el haz al núcleo y lo transmita.
Sin embargo, el revestimiento interior de fibra monomodo no puede limitar la luz de la bomba multimodo y el núcleo tiene una apertura numérica baja. Como resultado, la salida del láser sólo se puede obtener acoplando la luz de la bomba monomodo al núcleo.
Los primeros láseres de fibra utilizaban fibra monomodo, lo que generaba una baja eficiencia de acoplamiento y solo producía potencia de salida en milivatios.
Transmisión de luz en fibra óptica.
Fibra de doble revestimiento
En un esfuerzo por superar las limitaciones de la fibra monomodo convencional dopada con iterbio (Yb3+) en términos de eficiencia de conversión y producción de energía, R. Maurer propuso por primera vez el concepto de fibra de doble revestimiento en 1974. Sin embargo, No fue hasta que E. Snitzer y otros propusieron la tecnología de bombeo de revestimiento en 1988 que la tecnología de amplificador/láser de fibra dopada con iterbio de alta potencia experimentó un rápido desarrollo.
La fibra óptica dual es un tipo de fibra óptica con una estructura única. En comparación con la fibra óptica convencional, tiene una cubierta interior que consta de una capa de revestimiento, una cubierta interior, una cubierta exterior y un núcleo dopado.
La tecnología de bombeo de revestimiento se basa en fibra de doble revestimiento y tiene como objetivo transmitir luz de bomba multimodo al revestimiento interior y luz láser al núcleo de la fibra, mejorando significativamente la eficiencia de conversión de la bomba y la potencia de salida del láser de fibra.
La estructura de doble fibra, la forma del revestimiento interior y el modo de acoplamiento de la bomba de luz son cruciales para esta tecnología.
La bobina de fibra de la fibra dual está compuesta de sílice (SiO2) dopada con elementos de tierras raras. En los láseres de fibra, sirve como medio láser y canal de transmisión de señales láser.
Para garantizar que la excitación de salida sea el modo transversal fundamental, el parámetro V se reduce a la longitud de onda de trabajo correspondiente diseñando su apertura numérica y el diámetro del núcleo.
La dimensión transversal del revestimiento interior (decenas de veces mayor que el diámetro del núcleo convencional) y la apertura numérica son mucho mayores que las del núcleo, y su índice de refracción es menor que el del núcleo, lo que restringe la propagación completa. del láser en el núcleo.
Esto crea una guía de ondas óptica con una gran sección transversal y apertura numérica entre el núcleo y el revestimiento exterior, lo que permite acoplar y limitar la luz de bombeo de alta potencia con una gran apertura numérica, sección transversal y multimodo a la fibra óptica. a la transmisión dentro del revestimiento interior sin difusión. Esto ayuda a mantener un bombeo óptico de alta densidad de potencia.
El revestimiento exterior de la doble fibra está compuesto por materiales poliméricos con un índice de refracción menor que el revestimiento interior. La capa más externa es una capa protectora hecha de materiales orgánicos.
El área de acoplamiento de la fibra de doble revestimiento a la luz de la bomba está determinada por el tamaño del revestimiento interior, a diferencia de la fibra monomodo tradicional, que está determinada únicamente por el núcleo.
Esto crea una estructura de guía de ondas de doble capa para la fibra de doble revestimiento.
Por un lado, mejora la eficiencia del acoplamiento de potencia del láser de fibra, permitiendo que la luz de la bomba excite los iones dopados y emita luz láser a través del núcleo de la fibra varias veces cuando se introduce en el revestimiento interior.
Por otro lado, la calidad del haz de salida está determinada por la naturaleza del núcleo de fibra, y la introducción del revestimiento interior no afecta negativamente a la calidad del haz de salida del láser de fibra.
Diagrama estructural de doble fibra revestida octogonal
Diagrama esquemático de varias estructuras de revestimiento interior.
La carcasa interior diseñada específicamente del láser de fibra de doble carcasa puede aumentar en gran medida la eficiencia de utilización de la luz de la bomba.
Inicialmente, la estructura de revestimiento interior de la fibra dual era cilíndrica simétrica, lo que hacía que su proceso de fabricación fuera relativamente simple y fácil de acoplar a la fibra de cola de la bomba de diodo láser (LD).
Sin embargo, su perfecta simetría dio como resultado una gran cantidad de rayos espirales en la luz de la bomba dentro de la carcasa interior, que nunca alcanzarían el área central incluso después de múltiples reflejos.
Como resultado, estos rayos no podían ser absorbidos por el núcleo de la fibra, lo que provocaba una fuga de luz, lo que dificultaba mejorar la eficiencia de conversión incluso con el uso de fibras más largas.
Por tanto, se debe alterar la simetría cilíndrica de la estructura interna del revestimiento.
Fibra de cristal fotónico
En la fibra convencional de doble camisa, la potencia del láser de salida está determinada por el tamaño del núcleo de la fibra y la apertura numérica determina la calidad del rayo láser de salida.
Sin embargo, las limitaciones de los mecanismos físicos, como los efectos no lineales y el daño óptico en la fibra óptica, hacen imposible satisfacer las necesidades del funcionamiento monomodo de la fibra de campo dual modo grande con alta potencia de salida simplemente aumentando el diámetro del núcleo.
La llegada de fibras ópticas especiales, como la fibra de cristal fotónico (PCF), ofrece una solución eficaz a este problema.
El concepto de cristales fotónicos fue propuesto por primera vez por E. Yablonovitch en 1987. Se trata de materiales dieléctricos con constantes dieléctricas variables que forman una estructura periódica del orden de la longitud de onda de la luz en un espacio de una, dos o tres dimensiones. Esto crea bandas guía fotónicas que permiten que la luz se propague y bandas prohibidas fotónicas (PBG) que prohíben la propagación de la luz.
Al alterar la disposición y el período de distribución de diferentes medios, se pueden lograr numerosos cambios en las propiedades de los cristales fotónicos, permitiendo funciones específicas.
La fibra de cristal fotónico (PCF) es un cristal fotónico bidimensional, también conocido como fibra microestructural o fibra porosa.
En 1996, JC Knight y otros crearon el primer PCF, y su mecanismo de guía de luz es similar al mecanismo de guía de luz de reflexión interna total de la fibra óptica tradicional.
El primer PCF basado en el principio de banda prohibida fotónica se inventó en 1998.
Después de 2005, los métodos de diseño y preparación del PCF de campo de modo grande se han vuelto diversos, con la aparición de estructuras de varias formas, incluido el PCF de canal con fugas, el PCF de varilla, el PCF de espaciado amplio y el PCF de núcleo multimodo.
También ha aumentado el área del campo modal de las fibras ópticas.
Microestructura de diferentes fibras de cristales fotónicos.
La fibra de cristal fotónico (PCF) parece similar a la fibra monomodo tradicional, pero tiene una estructura de matriz de agujeros compleja a nivel de microestructura.
Estas características estructurales otorgan al PCF muchas ventajas únicas que las fibras ópticas tradicionales no pueden igualar, como la transmisión monomodo sin clip, un área de campo modal grande, dispersión ajustable y pérdida límite baja, lo que supera varios problemas de los láseres tradicionales.
Por ejemplo, PCF puede lograr una operación monomodo con un área de campo de modo grande, reduciendo significativamente la densidad de potencia del láser en la fibra óptica, minimizando el efecto no lineal en la fibra óptica y mejorando el umbral de daño de la fibra óptica mientras se preserva el haz. calidad.
También permite una gran apertura numérica, lo que resulta en un mejor acoplamiento de la luz de bombeo y una mayor potencia de salida del láser.
Estas ventajas del PCF han dado lugar a un aumento de la investigación en todo el mundo, lo que lo convierte en un nuevo foco de investigación en láseres de fibra y desempeña un papel cada vez más importante en las aplicaciones de láseres de fibra de alta potencia.
Invención del láser de fibra
Un láser con fibra óptica como medio de ganancia láser se llama láser de fibra.
Como otros tipos de láser, consta de un medio de ganancia, una fuente de bombeo y un resonador.
El láser de fibra utiliza fibra activa, dopada con elementos de tierras raras en el núcleo, como medio de ganancia.
Normalmente, los láseres semiconductores sirven como fuente de bombeo, mientras que el resonador se compone de espejos, superficies extremas de fibra, espejos anulares de fibra o rejillas de fibra.
Según las características del dominio del tiempo, los láseres de fibra se pueden dividir en láseres de fibra continua y láseres de fibra pulsada.
Según la estructura del resonador, se pueden dividir en láseres de fibra de cavidad lineal, láseres de fibra de retroalimentación distribuida y láseres de fibra de cavidad anular.
Según los diferentes modos de ganancia y bombeo de fibra, se pueden dividir en láseres de fibra de revestimiento simple (bombeo de núcleo) y láseres de fibra de revestimiento doble (bombeo de revestimiento).
Principio de estructura del láser de fibra de cavidad lineal de fibra
En 1961, Snitzer descubrió la radiación láser en guías de ondas de vidrio dopadas con Nd.
En 1966, Gao Kun estudió exhaustivamente las principales causas de la atenuación óptica en las fibras ópticas y señaló los principales problemas técnicos que debían resolverse para la aplicación práctica de las fibras ópticas en las comunicaciones.
En 1970, Corning Company en Estados Unidos desarrolló fibras ópticas con una atenuación inferior a 20 dB/km, lo que sentó las bases para el desarrollo de las comunicaciones ópticas y la tecnología optoelectrónica.
Este avance tecnológico también ha facilitado enormemente el desarrollo de los láseres de fibra.
En las décadas de 1970 y 1980, la madurez y comercialización de la tecnología láser de semiconductores proporcionaron fuentes de bombeo diversas y confiables para el desarrollo de láseres de fibra.
Al mismo tiempo, el avance de la deposición química de vapor ha reducido la pérdida de transmisión de las fibras ópticas.
Los láseres de fibra se han diversificado rápidamente. Diferentes elementos de tierras raras como erbio (Er3+), iterbio (Yb3+), neodimio (Nd3+), samario (Sm3+), tulio (Tm3+), holmio (Ho3+), praseodimio (Pr3+), disprosio (Dy3+) y bismuto (Bi3+). , están dopados en la fibra para obtener una salida láser de diferentes longitudes de onda para cumplir con diversos requisitos de aplicación.
Rango del espectro de emisión de fibra de cuarzo dopada con elementos de tierras raras
Características del láser de fibra de alta potencia.
Las ventajas del láser de fibra de alta potencia son las siguientes.
(1) Buena calidad del haz.
La estructura de guía de ondas del láser de fibra facilita la producción de una salida de modo transversal único y no se ve afectada significativamente por factores externos, lo que genera una salida de láser de alto brillo.
(2) Alta eficiencia.
Los láseres de fibra pueden lograr una alta eficiencia de conversión óptica a óptica utilizando un láser semiconductor cuya longitud de onda de emisión coincida con las características de absorción de elementos de tierras raras dopados como fuente de bombeo.
Para los láseres de fibra dopados con iterbio de alta potencia, normalmente se seleccionan láseres semiconductores de 915 nm o 975 nm.
La estructura simple de niveles de energía de Yb3+ conduce a pocos fenómenos como conversión ascendente, absorción del estado excitado y extinción de la concentración, y una larga vida útil de la fluorescencia, lo que lo hace eficaz para almacenar energía y lograr un funcionamiento de alta potencia.
La eficiencia electroóptica general de los láseres de fibra comerciales puede alcanzar el 25%, lo que contribuye a la reducción de costos, la conservación de energía y la protección del medio ambiente.
(3) Buenas características de disipación de calor.
Los láseres de fibra utilizan una fibra delgada dopada con tierras raras como medio de ganancia del láser, que tiene una gran relación superficie-volumen. Esto es aproximadamente 1.000 veces mayor que el de los láseres de bloque de estado sólido y ofrece ventajas inherentes en términos de disipación de calor.
Para aplicaciones de potencia baja a media, no se requiere refrigeración especial de la fibra óptica. En escenarios de alta potencia, la refrigeración por agua puede mitigar eficazmente la disminución de la calidad y la eficiencia del haz causada por los efectos térmicos en los láseres de estado sólido.
(4) Estructura compacta y alta confiabilidad.
El uso del láser de fibra de una fibra pequeña y flexible como medio de ganancia del láser lo hace ideal para reducir el volumen y los costos. La fuente de bombeo, un láser semiconductor, también es de tamaño compacto y fácilmente modularizable. La mayoría de los productos comerciales se pueden producir utilizando fibra de cola.
Al incorporar dispositivos de fibra óptica, como rejillas de fibra de Bragg, se puede lograr un sistema totalmente de fibra óptica mediante la fusión de estos dispositivos. Esto da como resultado una alta inmunidad a las perturbaciones ambientales, una alta estabilidad y una reducción del tiempo y los costes de mantenimiento.
Los láseres de fibra de alta potencia también tienen desventajas insuperables:
En primer lugar, se ve fácilmente limitado por efectos no lineales.
La estructura de la guía de ondas del láser de fibra proporciona una longitud efectiva larga, lo que da como resultado un umbral bajo para diversos efectos no lineales. Sin embargo, los efectos no lineales dañinos, como la dispersión Raman estimulada (SRS) y la modulación de fase propia (SPM), pueden provocar fluctuaciones de fase, transferencia de energía en el espectro e incluso daños al sistema láser, lo que dificulta el avance de los láseres de fibra de alta potencia. . .
El segundo es el efecto de atenuación de los fotones.
La alta concentración de dopaje de tierras raras en los láseres de fibra da como resultado una disminución gradual e irreversible en la eficiencia de conversión de energía debido al efecto de atenuación de los fotones con un tiempo de bombeo prolongado. Esto limita la estabilidad a largo plazo y la vida útil de los láseres de fibra de alta potencia, particularmente en el caso de los láseres de fibra de alta potencia dopados con iterbio.
Sin embargo, los avances en los láseres semiconductores acoplados a fibra de alto brillo y la tecnología de fibra dual han mejorado significativamente la potencia de salida, la eficiencia de conversión óptica y la calidad del haz de los láseres de fibra de alta potencia.
La enorme demanda de láseres de fibra de alta potencia en procesamiento industrial, armas de energía direccional, telemetría de larga distancia, lidar y otros campos ha impulsado los esfuerzos de investigación de empresas como IPG Photonics, Nufern, NLight y Trumpf Group, lo que ha llevado al desarrollo de láseres de fibra de onda continua y de onda pulsada de alta potencia con una línea de productos diversa.
Instituciones académicas como la Universidad de Tsinghua, la Universidad de Ciencia y Tecnología de Defensa Nacional, el Instituto de Óptica y Maquinaria de Precisión de Shanghai, la Academia de Ciencias de China y el Cuarto Instituto de Investigación del Grupo de Industria y Ciencia Aeroespacial de China también informaron resultados interesantes en este campo.
Tecnología de aumento de potencia del láser de fibra
Las limitaciones de los efectos no lineales, los efectos térmicos y los límites de daño material en los láseres de fibra dan como resultado una potencia de salida limitada para los láseres de fibra de un solo canal, con una disminución en la calidad del haz a medida que aumenta la potencia.
Para mejorar la calidad del haz, es necesario adoptar tecnología de control de modo y diseñar nuevas fibras con estructuras especiales. JW Dawson y sus colegas realizaron un análisis teórico del límite de potencia de salida de una sola fibra. Los cálculos revelan que un láser de fibra de banda ancha puede alcanzar una salida de láser cercana al límite de difracción con una potencia máxima de 36 kW, mientras que un láser de fibra de ancho de línea estrecho puede alcanzar una potencia máxima de 2 kW.
Para aumentar aún más la potencia de salida de los amplificadores y láseres de fibra, la síntesis de potencia de láseres de fibra multicanal mediante tecnología de síntesis coherente es un método eficaz. Este se ha convertido en un tema ampliamente investigado en los últimos años.
Sistema de síntesis coherente con láser de fibra.
Las limitaciones impuestas por efectos no lineales, efectos térmicos y límites de daño material a los láseres de fibra restringen la potencia de salida de los láseres de fibra de un solo canal y dan como resultado una disminución en la calidad del haz a medida que aumenta la potencia.
Para mejorar la calidad del haz, se debe utilizar tecnología de control de modo y un diseño de estructura de fibra especial. JW Dawson y sus colegas realizaron un análisis teórico del límite de potencia de salida de una sola fibra. Los resultados muestran que un láser de fibra de banda ancha puede producir una salida láser cercana al límite de difracción con una potencia máxima de 36 kW, mientras que un láser de fibra de ancho de línea estrecho puede alcanzar una potencia máxima de 2 kW.
La tecnología de síntesis coherente, que implica sintetizar energía a partir de múltiples láseres de fibra, es un método eficaz para aumentar la potencia de salida de los amplificadores y láseres de fibra. Este enfoque se ha convertido en un tema de importante interés de investigación en los últimos años.
Además de las ventajas únicas de los láseres de fibra y la demanda de sistemas de 100 kilovatios, varios dispositivos de soporte, como acopladores cónicos fusionados con fibra, fibras multinúcleo, moduladores de fase con pigtails y desplazadores de frecuencia acústico-ópticos, han desempeñado un papel crucial. . papel en la comercialización de comunicaciones por fibra óptica.
El acoplador cónico de fibra fundida y las fibras multinúcleo hacen que el control de fase pasivo mediante el acoplamiento de inyección de energía láser y el acoplamiento de ondas evanescentes sean mucho más manejables.
El modulador de fase con pigtails y desplazadores de frecuencia acústico-ópticos permite el control de fase activo con un ancho de banda de control de megahercios, lo que permite controlar las fluctuaciones de fase en condiciones de alta potencia y lograr una salida sincronizada en fase.
Los investigadores han propuesto varios esquemas de síntesis coherente distintos, incluida la tecnología de síntesis espectral, una tecnología de síntesis incoherente que utiliza una o más rejillas de difracción para difractar múltiples subhaces en la misma apertura para obtener una salida de apertura única y mejorar la calidad del haz.
La síntesis espectral de láseres de fibra aprovecha al máximo el amplio ancho de banda de ganancia de los láseres de fibra dopados con iterbio para superar las limitaciones de la potencia de salida del láser de fibra única, lo que da como resultado un haz láser de alta potencia y alta calidad. Este es uno de los caminos técnicos importantes para los láseres de fibra de alta potencia en el futuro.
Sistema láser espectral de fibra sintética.
El Instituto de Óptica y Mecánica de Shanghai ha llevado a cabo una extensa investigación sobre láseres de fibra de alta potencia y síntesis espectral en los últimos años, logrando avances significativos en la preparación de dispositivos, tecnologías clave y sistemas de síntesis espectral.
En términos de ancho de línea estrecho y amplificadores de fibra de alta potencia, el Instituto utilizó en 2016 dispositivos centrales de desarrollo propio, como rejillas de fibra de Bragg, combinadores de fibra de alta potencia y filtros de revestimiento óptico. Esto se basó en tecnologías clave, incluida la fibra de Bragg en cascada. filtrado de rejilla, control de ancho de línea, control de parámetros de etapa de amplificación y control de modo de fibra.
Este avance ha superado el límite de potencia de salida monomodo de los láseres con un ancho de línea inferior a 50 GHz informado por el grupo de investigación de la Universidad de Jena en Alemania. El Instituto pudo lograr una salida de láser de fibra cercana al límite de difracción con una potencia de 2,5 kW, un ancho de línea de 0,18 nm (50 GHz) y una longitud de onda central de 1064,1 nm.
El láser tiene una semilla de fibra totalmente óptica compacta y estable y una estructura de amplificación de tres etapas, lo que lo hace muy robusto. El amplificador principal utiliza una fibra de 20 μm/400 μm que mantiene la no polarización y aumentar la potencia de bombeo disponible puede mejorar aún más la potencia de salida del láser.
En términos de síntesis espectral, las rejillas de difracción reflectantes de películas metálicas tienen un umbral de daño bajo y no pueden soportar la irradiación láser de alta potencia, lo que dificulta lograr una síntesis espectral de alta potencia. Sin embargo, en agosto de 2016, el Instituto realizó una síntesis espectral de haz de 11,27 kW de alta calidad utilizando 7 láseres de fibra de ancho de línea estrecho y rejillas de difracción dieléctrica multicapa no correlacionadas (MLDG) de alto umbral de daño, logrando avances significativos en la síntesis espectral de fibra de alta potencia. láseres.
Aplicaciones típicas de láseres de fibra de alta potencia.
Los láseres de fibra tienen un rendimiento excelente en una variedad de campos como procesamiento industrial, tratamiento médico, teledetección, seguridad e investigación científica debido a su buena calidad de haz, alta eficiencia electroóptica, estructura compacta y confiabilidad.
En el sector industrial, los láseres de fibra se pueden clasificar en tres categorías según su potencia de salida:
Los láseres de fibra de baja potencia (<50 vatios) se utilizan principalmente para el procesamiento de microestructuras, marcado láser, ajuste de resistencia, perforación de precisión, grabado de metales, etc.
Los láseres de fibra de potencia media (de 50 a 500 vatios) se utilizan principalmente para taladrar, soldar, cortar y tratar superficies de placas metálicas delgadas.
Los láseres de fibra de alta potencia (>1000 vatios) se utilizan principalmente para cortar placas metálicas gruesas, recubrir superficies metálicas y procesar tridimensionalmente placas especiales, entre otros.
Los láseres de fibra tienen un rendimiento excelente en diversos campos, como procesamiento industrial, tratamiento médico, teledetección, seguridad e investigación científica, debido a su buena calidad de haz, alta eficiencia electroóptica, diseño compacto y confiabilidad.
En el ámbito industrial, los láseres de fibra se pueden agrupar en tres categorías según su potencia de salida:
Los láseres de fibra de baja potencia (<50 vatios) se utilizan principalmente para el procesamiento de microestructuras, marcado láser, ajuste de resistencia, perforación de precisión, grabado de metales, etc.
Los láseres de fibra de potencia media (de 50 a 500 vatios) se utilizan principalmente para taladrar, soldar, cortar y tratar superficies de placas metálicas delgadas.
Los láseres de fibra de alta potencia (> 1000 vatios) se utilizan principalmente para cortar placas metálicas gruesas, recubrir superficies metálicas y procesar tridimensionalmente placas especiales, entre otras aplicaciones.
Los láseres de fibra tienen un rendimiento excepcional en diversos campos, como procesamiento industrial, tratamiento médico, teledetección, seguridad e investigación científica, debido a su buena calidad de haz, alta eficiencia electroóptica, diseño compacto y confiabilidad.
En el sector industrial, los láseres de fibra se pueden clasificar en tres categorías según su potencia de salida:
Los láseres de fibra de baja potencia (<50 vatios) se utilizan principalmente para el procesamiento de microestructuras, marcado láser, ajuste de resistencia, perforación de precisión, grabado de metales, etc.
Los láseres de fibra de potencia media (de 50 a 500 vatios) se utilizan principalmente para taladrar, soldar, cortar y tratar superficies de placas metálicas delgadas.
Los láseres de fibra de alta potencia (>1000 vatios) se utilizan principalmente para cortar placas metálicas gruesas, recubrir superficies metálicas y procesar tridimensionalmente placas especiales, entre otras aplicaciones.
En comparación con otras fuentes de luz, el menor volumen de láseres de fibra contribuye a una alta movilidad en las plataformas de lanzamiento, mejorando así la adaptabilidad y la supervivencia en el campo de batalla.
En Afganistán, el sistema de remoción de minas láser “Zeus” de Spata se ha utilizado para limpiar minas.
Desde 2009, la Marina de los EE. UU. ha utilizado con éxito sistemas láser de fibra óptica para destruir vehículos aéreos no tripulados, proyectiles y barcos pequeños. El sistema se instaló en buques de guerra en 2014.
En 2012, el comerciante alemán de armas de defensa Rheinmetall lanzó un sistema láser de doble tubo de 50 kW que interceptó y destruyó con éxito vehículos aéreos no tripulados, proyectiles y otros objetivos en un experimento de demostración.
arma láser
El arma láser es un nuevo concepto de arma que se está desarrollando rápidamente.
Emite láseres de alta energía a la velocidad de la luz en la superficie del objetivo, causando daños a dispositivos importantes como la detección fotoeléctrica, la navegación y la guía, o dejando al objetivo “ciego y sordo” o quemando la carcasa del objeto en movimiento. para disparar. o detonar combustible para hacerlo estallar en el aire, completando así la tarea de causar daños en un corto espacio de tiempo.
Tiene los beneficios de concentración de energía, velocidad de transmisión rápida y uso repetible, así como alta rentabilidad, rápida transferencia de fuego y resistencia a interferencias electromagnéticas.
Desde sus inicios, el desarrollo de armas láser ha tenido sus altibajos. Sin embargo, la madurez de las tecnologías láser de estado sólido, como los láseres de fibra, ha revitalizado el desarrollo de armas láser y se ha convertido en el foco de investigación de las principales potencias militares.
Actualmente, países como Estados Unidos, Gran Bretaña, Rusia, Alemania e India han comenzado a desarrollar armas láser y han realizado pruebas relevantes.
Se acerca la entrada de las armas láser al campo de batalla.
En un esfuerzo por combatir amenazas asimétricas como los vehículos aéreos no tripulados y los barcos de ataque furtivos y mejorar las capacidades de defensa cercana de los barcos, la Marina de los EE. UU. comenzó oficialmente a desarrollar el "Sistema de armas láser" (LAWS) en 2010. El sistema se desplegó en el muelle de transporte anfibio. enviar “Ponce” en septiembre de 2014 para una prueba y evaluación operativa de un año de duración.
LAWS está liderada por Raytheon, con participación de Boeing y Lockheed Martin en ciertos aspectos del trabajo. El sistema aprovecha al máximo las tecnologías y componentes comerciales existentes para minimizar los costos de I+D y adquisiciones.
El prototipo LAWS consta de seis láseres de fibra industriales que, cuando están operativos, combinan sus rayos láser para producir un rayo láser de 30 kW. El costo de utilizar el sistema de armas láser es bajo: se estima que un solo disparo cuesta sólo 1 dólar, en marcado contraste con las decenas de miles o cientos de miles de dólares por misil.
En 2016, el Departamento de Investigación Naval de EE. UU. comenzó a desarrollar un nuevo sistema de armas láser de alta energía a bordo de barcos con una potencia de salida de 150 kW, que era cinco veces más potente que el prototipo de sistema de ley probado anteriormente. El proyecto tomó 12 meses y costó 53 millones de dólares para desarrollar el “prototipo de demostración del sistema de arma láser” en tres etapas: la primera etapa fue el diseño inicial, la segunda etapa fue la prueba en tierra y la tercera etapa fue la prueba en un vehículo de la Armada. barco de prueba de defensa.
En 2014, la Academia China de Ingeniería Física y el Instituto de Óptica y Mecánica de Shanghai desarrollaron conjuntamente el sistema "Low Altitude Guard". En el experimento de demostración y verificación, se derribaron con éxito más de 30 aviones pequeños, como alas fijas, multirotores y helicópteros, con una tasa de éxito del 100%. El sistema tenía una potencia de lanzamiento de casi 10.000 vatios y un área de protección efectiva de 12 kilómetros cuadrados para altitudes bajas. Podría interceptar con precisión una variedad de aviones, incluidos los de alas fijas, en un radio de 2 kilómetros y un espacio aéreo de 360 grados en un radio de 5 metros. El sistema era rápido, preciso y no presentaba daños colaterales.
En 2015, Lockheed Martin utilizó un arma láser de 30 kW llamada Athena para destruir un camión a un kilómetro de distancia. En marzo de 2017, la compañía anunció la finalización de su investigación y desarrollo de un sistema de arma láser de 60 kW y su envío al Centro de Comando del Ejército de EE. UU. en Alaska. El tecnólogo jefe de la compañía afirmó que las pruebas exitosas nos acercan al desarrollo de sistemas portátiles de armas láser que pueden desplegarse en aviones militares, helicópteros, barcos y camiones. Las investigaciones han demostrado que el láser direccional de alta energía es ahora lo suficientemente compacto, ligero y fiable para ser utilizado en defensa en plataformas terrestres, marítimas y aéreas.
Resumen
En conclusión, el desarrollo de la tecnología láser muestra que la tecnología de láser de fibra es la dirección futura de los láseres de alta potencia y alto brillo. La combinación de tecnología de fibra de guía de onda y tecnología de bombeo de láser semiconductor conduce a la creación de láseres de fibra de alta potencia que pueden satisfacer la demanda urgente de láseres de alta potencia y alta eficiencia en la fabricación de láser avanzado y en el ejército de defensa.
Esta tecnología es de gran importancia estratégica tanto para la economía como para la seguridad nacional. Además, los láseres de fibra de alta potencia tienen un inmenso potencial de aplicación en diversos campos, como la exploración de energía, grandes dispositivos científicos, ciencia espacial, ciencia ambiental y más. Servirá como una poderosa herramienta para que los humanos comprendan y den forma al mundo.
