1. ¿Qué es un láser de fibra?
Un láser de fibra se refiere a un láser que utiliza fibras de vidrio dopadas con elementos de tierras raras como medio de ganancia.
Se puede desarrollar basándose en amplificadores de fibra: bajo la acción de la luz de bombeo, se forma fácilmente una alta densidad de potencia en la fibra, lo que provoca una "inversión de población" de los niveles de energía del láser en el material láser.
Cuando se agrega un bucle de retroalimentación positiva apropiado (que forma una cavidad resonante), se puede formar una salida de oscilación láser.
2. Tipos de láseres de fibra
Según los tipos de materiales de fibra, los láseres de fibra se pueden dividir en:
(1) Láseres de fibra cristalina.
El material de trabajo es láser de fibra de cristal, incluyendo láseres de fibra monocristalina de rubí y láseres de fibra monocristalina Nd3+:YAG, entre otros.
(2) Láseres de fibra óptica no lineales.
Los tipos principales incluyen láseres de fibra de dispersión Raman estimulados y láseres de fibra de dispersión Brillouin estimulados.
(3) Láseres de fibra dopada con tierras raras.
El material base de la fibra es vidrio y se dopan iones de elementos de tierras raras en la fibra para activarla, creando así un láser de fibra.
(4) Láseres de fibra plástica.
Los tintes láser se incorporan al núcleo o revestimiento de fibras plásticas para crear láseres de fibra.
3. Ventajas de los láseres de fibra
Como representantes de la tecnología láser de tercera generación, los láseres de fibra tienen las siguientes ventajas:
- Las fibras de vidrio tienen bajos costos de fabricación y la tecnología está madura, lo que brinda las ventajas de miniaturización e intensificación debido a la flexibilidad de las fibras.
- Las fibras de vidrio no requieren una coincidencia estricta de fases con la luz incidente de la bomba como sí lo hacen los cristales. Esto se debe a la amplia banda de absorción causada por el ensanchamiento no uniforme inducido por la división de Stark en la matriz de vidrio.
- Los materiales de vidrio tienen una relación volumen/superficie extremadamente baja, lo que proporciona una rápida disipación del calor y bajas pérdidas. Por lo tanto, tienen una alta eficiencia de conversión ascendente y un umbral láser bajo.
- Los láseres de fibra ofrecen una amplia gama de longitudes de onda de salida láser, gracias a los abundantes niveles de energía de iones de tierras raras y a la variedad de iones de tierras raras disponibles.
- Capacidad de sintonización: esto se debe a los amplios niveles de energía de los iones de tierras raras y al amplio espectro de fluorescencia de las fibras de vidrio.
- La cavidad resonante de un láser de fibra no contiene lentes ópticas, lo que ofrece las ventajas de no realizar ajustes ni mantenimiento y tener una alta estabilidad. Esto es algo que los láseres tradicionales no pueden igualar.
- La entrega de fibra permite que el láser maneje fácilmente diversas aplicaciones de procesamiento espacial arbitrario multidimensional, simplificando el diseño de sistemas mecánicos.
- Los láseres de fibra pueden soportar entornos de trabajo hostiles y tienen una alta tolerancia al polvo, las vibraciones, los golpes, la humedad y la temperatura.
- No es necesaria refrigeración termoeléctrica ni refrigeración por agua, basta con una simple refrigeración por aire.
- Alta eficiencia electroóptica: la eficiencia electroóptica general alcanza más del 20%, lo que ahorra significativamente el consumo de energía durante la operación y reduce los costos operativos.
- Alta potencia: Los láseres de fibra disponibles comercialmente han alcanzado potencias de hasta 60.000 vatios.
4. Láseres de fibra de alta potencia y tecnología bombeada por chaqueta
La llegada de las fibras duales supone sin duda un gran avance en el campo de las fibras, haciendo realidad la fabricación de láseres de fibra de alta potencia y amplificadores ópticos de alta potencia.
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 Potencia.
La tecnología de bombeo de carcasa consta de cuatro capas:
①núcleo de fibra;
②forro interior;
③revestimiento exterior;
④capa protectora.
La luz de la bomba está unida a la carcasa interior (que generalmente adopta una estructura irregular, incluyendo elíptica, cuadrada, en forma de flor de ciruelo, en forma de D, hexagonal, etc.), la luz se refleja hacia adelante y hacia atrás entre las carcasas interior y exterior (generalmente diseñado para ser circular) y es absorbido por el núcleo de fibra monomodo después de múltiples cruces.
Esta estructura no requiere que la luz de bombeo sea un láser monomodo y puede bombear toda la longitud de la fibra, por lo que se puede elegir un conjunto de diodos láser multimodo de alta potencia como fuente de bombeo, acoplando indirectamente más del 70% de la energía de la bomba al núcleo de fibra, mejorando significativamente la eficiencia del bombeo.
Las características de la tecnología de bombeo de recubrimiento determinan el siguiente excelente rendimiento de este tipo de láser:
(1) Alta potencia
Un grupo de módulos de diodos de bomba multimodo puede generar 100 vatios de potencia óptica, y la configuración en paralelo de múltiples diodos de bomba multimodo permite el diseño de láseres de fibra de salida de alta potencia.
(2) No se necesitan refrigeradores termoeléctricos
Este diodo multimodo de área amplia y alta potencia puede funcionar a altas temperaturas y solo requiere refrigeración por aire simple, lo cual es de bajo costo.
(3) Amplio rango de longitud de onda de bombeo
La fibra de revestimiento activo dopada con elementos de tierras raras de erbio/iterbio en los láseres de fibra de alta potencia tiene un rango de absorción de ondas de luz amplio y plano (930-970 nm), por lo que los diodos de bombeo no requieren ningún tipo de dispositivo de estabilización de longitud de onda.
(4) Alta eficiencia
La luz de la bomba pasa a través del núcleo de fibra monomodo varias veces, por lo que su utilización es alta.
(5) Alta confiabilidad
Los diodos de bomba multimodo son mucho más estables que los diodos de bomba monomodo. Su gran área geométrica da como resultado una baja densidad de potencia óptica y baja densidad de corriente en toda el área activa, lo que proporciona a los diodos de la bomba una vida operativa confiable de más de 1 millón de horas.
En la actualidad, las tecnologías para lograr láseres de fibra bombeados por revestimiento se pueden dividir en tres categorías principales: bombeo de cavidad lineal de un solo extremo, bombeo de cavidad lineal de doble extremo y láseres de fibra de revestimiento doble con cavidad de anillo de fibra. A partir de estos tres tipos básicos se pueden ampliar diferentes tipos de láseres de fibra dual.
Un artículo OFC-2002 adoptó un marco para obtener un nuevo tipo de láser de fibra bombeado para revestimiento con una potencia de salida de 3,8 W, un umbral de 1,7 W y una eficiencia de inclinación de hasta el 85 %.
En cuanto a la tecnología de productos, surgió la empresa estadounidense IPG, que desarrolló un láser de fibra dual dopado con erbio de 700 W y anunció el lanzamiento de un láser de fibra de 2.000 W.
5. Aplicaciones de los láseres de fibra
(1) Etiquetado de aplicaciones
El láser de fibra pulsada, con su excelente calidad de haz, confiabilidad, mayor tiempo sin mantenimiento, mayor eficiencia general de conversión electroóptica, frecuencia de repetición de pulso, tamaño más pequeño, uso más simple y flexible sin refrigeración por agua y menor costo operativo, lo hace la única opción para marcado láser de alta velocidad y precisión.
Un sistema de marcado por láser de fibra puede consistir en uno o dos láseres de fibra de 25 W, uno o dos cabezales de escaneo para guiar la luz hasta la pieza de trabajo y una computadora industrial para controlar los cabezales de escaneo. Este diseño es cuatro veces más eficiente que utilizar un láser de 50 W dividido en dos cabezales de escaneo.
(2) Aplicaciones de procesamiento de materiales
El procesamiento de materiales con láseres de fibra es un proceso de tratamiento térmico basado en partes del material que absorben la energía del láser. La luz láser con una longitud de onda de aproximadamente 1 um es fácilmente absorbida por metales, plásticos y materiales cerámicos.
(3) Aplicaciones de doblado de materiales
El moldeado o doblado por láser de fibra es una tecnología que se utiliza para cambiar la curvatura de placas de metal o cerámica dura.
El calentamiento concentrado y el autocorte rápido provocan una deformación plástica en el área calentada por el láser, alterando permanentemente la curvatura de la pieza objetivo.
(4) Aplicaciones de corte por láser
Con el continuo aumento de potencia, los láseres de fibra se están aplicando a gran escala en el corte industrial. Por ejemplo, utilizando un láser de fibra continua de corte rápido para microcortar tubos arteriales de acero inoxidable.
Debido a la alta calidad de su haz, los láseres de fibra pueden alcanzar un diámetro de foco muy pequeño y, en consecuencia, una anchura de corte pequeña, estableciendo nuevos estándares en la industria de dispositivos médicos.
Además, los láseres de fibra ocupan una posición insustituible en el campo de la comunicación óptica porque su longitud de onda cubre dos ventanas de comunicación principales de 1,3 μm y 1,5 μm.
El exitoso desarrollo de láseres de fibra dual de alta potencia ha llevado a una rápida expansión de la demanda del mercado en el área del procesamiento láser.
El alcance específico y el rendimiento requerido de los láseres de fibra en el campo del procesamiento láser son los siguientes:
- soldadura blanda y sinterización: 50-500W;
- corte de polímeros y composites: 200W-1kW;
- desactivación: 300W-1kW;
- impresión y marcado rápidos: 20W-1kW;
- endurecimiento y recubrimiento de metales: 2-20kW;
- corte de vidrio y silicio: 500W-2kW.
Además, con el desarrollo de la tecnología de bombeo de revestimiento y escritura de rejilla de Bragg de fibra ultravioleta, los láseres de fibra de conversión de longitud de onda con salida UV, azul, verde, rojo e infrarrojo cercano se utilizan ampliamente en el almacenamiento de datos, visualización en color y diagnóstico de fluorescencia médica, según sea práctico. Fuentes de luz de estado sólido.
Los láseres de fibra con salida de longitud de onda del infrarrojo lejano, debido a su estructura compacta y flexible, energía y longitud de onda ajustables, también se aplican en campos como la medicina láser y la bioingeniería.
(6) Nueva tecnología láser de fibra
Las primeras investigaciones sobre láseres se centraron principalmente en la producción de pulsos cortos y en la expansión del rango de longitudes de onda sintonizables.
Hoy en día, el rápido desarrollo y progreso de las tecnologías de multiplexación por división de longitud de onda densa (DWDM) y de multiplexación por división de tiempo óptica están acelerando y estimulando el avance de la tecnología de láser de fibra de múltiples longitudes de onda y los láseres de fibra supercontinua.
Mientras tanto, la aparición de láseres de fibra de múltiples longitudes de onda y láseres de fibra supercontinuos proporciona una solución ideal para implementar transmisiones DWDM u OTDM Tb/s de bajo costo.
Desde el punto de vista de su implementación tecnológica, se ha reportado el uso de emisión espontánea amplificada por EDFA, tecnología de pulsos de femtosegundos y diodos superluminiscentes.
Conclusión
Como representantes de la tecnología láser de tercera generación, los láseres de fibra poseen una superioridad técnica incomparable sobre otros láseres.
Sin embargo, a corto plazo, creemos que los láseres de fibra se centrarán principalmente en aplicaciones de alta gama. Con la popularización de los láseres de fibra, la reducción de costes y el aumento de la capacidad de producción, podrían llegar a sustituir gran parte de los láseres de CO2 de alta potencia y la gran mayoría de los láseres YAG en todo el mundo.
