1. Introducción
La investigación sobre láseres de fibra dopada que utilizan 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 (Nd 3+ ) dopados en una matriz de vidrio.
Desde la década de 1970, se han logrado avances significativos en la tecnología de preparación de fibras y la exploración de estructuras de bombeo y cavidades resonantes para láseres de fibra.
A mediados de la década de 1980, un avance en fibra dopada (Er 3+ ) en la Universidad de Southampton en el Reino Unido mejoró enormemente la practicidad de los láseres de fibra, mostrando perspectivas de aplicación muy prometedoras.
En comparación con los láseres sólidos y gaseosos tradicionales, los láseres de fibra tienen muchas ventajas únicas, como alta calidad del haz, tamaño pequeño, peso ligero, sin mantenimiento, refrigerados por aire, fáciles de operar, bajo costo operativo y uso prolongado en entornos industriales. .
También ofrecen alta precisión de procesamiento, alta velocidad, larga vida útil, ahorro de energía y excelente flexibilidad para inteligencia y automatización. Por lo tanto, han reemplazado a los láseres tradicionales YAG y CO2 en muchos campos.
El rango de longitud de onda de salida de los láseres de fibra está entre 400 y 3400 nm, y es aplicable 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 en láseres de fibra dopada, láseres de rejilla de Bragg de fibra, láseres de fibra de ancho de línea estrecho sintonizables y láseres de fibra dual de alta potencia.
2. Estructura básica y principio de funcionamiento de los láseres de fibra
2.1 Estructura básica de los láseres de fibra
El láser de fibra consta principalmente de tres partes: el medio de ganancia que puede generar fotones, la cavidad resonante óptica 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.
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 la bomba está acoplada a la fibra del espejo izquierdo del láser de fibra y emite luz láser a través de un sistema de colimación óptica 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 del modo de cavidad resonante y el estiramiento del medio de ganancia no son necesarios en los láseres de fibra porque la fibra en sí puede ser muy larga, logrando así una ganancia de un solo paso muy alta, y el efecto de guía de onda de la fibra puede desempeñar una función de selección de modo.
Sin embargo, en aplicaciones prácticas, la gente generalmente prefiere utilizar fibras más cortas; por lo tanto, en la mayoría de los casos, se utiliza una cavidad resonante para introducir retroalimentación.
Debido a la estructura de guía de ondas de los láseres de fibra, pueden soportar un fuerte bombeo y tener una alta ganancia (ganancia de un solo paso de hasta 50 dB). Los elementos de tierras raras en la matriz de vidrio tienen un amplio ancho de línea y rango de sintonización (Yb 3+ es 125 nm, Tm 3+ >300 nm).
Las características específicas son las siguientes:
1) La fibra sirve como medio guía de ondas, ofreciendo una alta eficiencia de acoplamiento, un diámetro de núcleo pequeño y facilidad para formar una alta densidad de potencia dentro de la fibra. Puede conectarse cómodamente a los sistemas de comunicación de fibra óptica actuales. Los láseres resultantes tienen una alta eficiencia de conversión, un umbral láser bajo, una excelente calidad del haz y un ancho de línea estrecho.
2) Dada la alta relación “superficie/volumen” de la fibra, tiene buena disipación de calor. Las temperaturas ambiente pueden oscilar entre -20 y 70 °C, 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 difíciles, como alto impacto, alta vibración, alta temperatura y condiciones polvorientas.
4) Debido a la excelente flexibilidad de la fibra, el láser se puede diseñar para que sea bastante pequeño y flexible, con una forma compacta y un volumen pequeño, facilitando la integración del sistema y ofreciendo una alta relación rendimiento-precio.
5) El láser de fibra tiene muchos parámetros y selectividad ajustables, lo que le permite cubrir un amplio rango de ajuste, excelente monocromaticidad y alta estabilidad. Tiene una larga vida útil de la bomba, con un tiempo de funcionamiento medio sin fallos de 10kh o incluso más de 100kh.
2.2 Principio de funcionamiento del láser de fibra
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 la bomba incide sobre la fibra dopada a través del reflector frontal (o rejilla frontal), y los iones de tierras raras que han absorbido la energía del fotón sufrirán transiciones de niveles de energía, logrando una "inversión de el número de partículas”.
Las partículas invertidas volverán al estado fundamental en forma de radiación después de la relajación, liberando simultáneamente energía en forma de fotones y emitiendo el láser a través del reflector trasero (rejilla trasera).
Los amplificadores de fibra dopados con elementos de tierras raras han promovido el desarrollo de los láseres de fibra, porque los amplificadores de fibra pueden formar láseres de fibra mediante mecanismos de retroalimentación adecuados.
Cuando la luz de la bomba pasa a través de los iones de tierras raras de la fibra, será absorbida por los iones de tierras raras. En este momento, los átomos de tierras raras que absorben la energía de los fotones se excitarán a un nivel de energía láser más alto, logrando así la inversión del número de iones.
El número iónico invertido pasará del nivel de alta energía al estado fundamental en forma de radiación y liberará energía, completando la radiación estimulada. El modo de radiación del estado excitado al estado fundamental 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 la radiación espontánea.
Para que este proceso continúe, se debe formar una inversión de números iónicos. Por lo tanto, los niveles de energía involucrados en el proceso deben superar los dos, y también debe existir una fuente de bombeo para proporcionar 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 la bomba se puede convertir en la luz de longitud de onda láser requerida.
Por ejemplo, un láser de fibra dopado con erbio emite luz de 980 nm y produce un láser de 1550 nm. La salida del láser puede ser continua o pulsada.
Los láseres de fibra tienen dos estados de láser, láser de tres niveles y láser 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 y longitud de onda corta) hace que el electrón pase del estado fundamental al estado de alta energía E4 4 o E3 3 y luego pase al nivel láser superior E4 3 o E3 2 a través de transiciones no radiativas.
Cuando el electrón pasa del nivel superior del láser al nivel inferior de energía E4 2 o E3 1 , se producirá el proceso láser.
3. Tipos de láseres de fibra óptica
Existen varios tipos de láseres de fibra óptica que se pueden dividir en diferentes categorías, como se muestra en la Tabla 3.1. Las siguientes secciones proporcionarán una introducción a varios tipos de estos láseres.
Tabla 3.1 Clasificación de láseres de fibra óptica
| Clasificación por estructura de resonador | Cavidad FP, cavidad anular, resonador de fibra reflectante de bucle y cavidad en forma de “8”, láser de fibra DBR, láser de fibra DFB |
| Clasificación por estructura de fibras | Láser de fibra de revestimiento simple, láser de fibra de revestimiento doble |
| Clasificación mediante ganancia | Láser de fibra dopada con tierras raras, láser de fibra de efecto no lineal, láser de fibra de cristal único, láser de fibra de plástico |
| Clasificación por mecanismo de trabajo. | Láser de fibra de conversión ascendente, láser de fibra de conversión descendente |
| Clasificación por elementos de dopaje | Erbio (Er 3+ ), Neodimio (Nd 3+ ), Praseodimio (Pr 3+ ), Tulio (Tm 3+ ), Iterbio (Yb 3+ ), Holmio (Ho 3+ ) y otros 15 tipos. |
| Clasificación por longitud de onda de salida | Banda S (1280-1350 nm), Banda C (1528-1565 nm), Banda L (1561-1620 nm) |
| Clasificación del láser de salida | Láser pulsado, láser de onda continua |
3.1 Láseres de fibra dopada con tierras raras
Los elementos de tierras raras comprenden 15 elementos, ubicados en la quinta fila de la tabla periódica.
Actualmente, los iones de tierras raras desarrollados de forma madura incorporados en fibras activas incluyen Er 3+ Nd 3+ Pr 3+ Tm 3+ e Yb 3+ .
En los últimos años, los láseres de fibra dopada de doble revestimiento que utilizan tecnología de bombeo de revestimiento han aumentado significativamente la potencia de salida, convirtiéndose en otro foco de 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 doblemente dopada 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 la bomba 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 la bomba en la fibra lateralmente o desde el extremo. Debido a que el índice de refracción del revestimiento exterior es mucho menor que el del revestimiento interior de fibra, el revestimiento interior puede transmitir luz de bomba multimodo.
La dimensión de la sección transversal de la cubierta interior es mayor que la del núcleo. Por lo tanto, para la longitud de onda del láser generada, el revestimiento interior y el núcleo dopado con tierras raras forman una guía de ondas monomodo perfecta, mientras que él y el revestimiento exterior forman una guía de ondas multimodo para transmitir la potencia luminosa de la bomba.
Esto permite acoplar la luz de la bomba multimodo de alta potencia a la carcasa interior. La luz de la bomba multimodo se absorbe varias veces a medida que viaja a lo largo de la fibra y cruza 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.
3.2 Láser de rejilla de fibra de Bragg
La creciente madurez de la tecnología de rejillas de Bragg de fibra escrita en UV en la década de 1990 llevó a una mayor atención a los láseres de rejilla de Bragg de fibra, en particular a los láseres de rejilla de fibra de Reflector Bragg Distribuido (DBR) y de Retroalimentación Distribuida (DFB).
La principal diferencia entre los dos es que el láser de fibra DFB utiliza solo una rejilla para lograr retroalimentación óptica y selección de longitud de onda, ofreciendo así una mejor estabilidad y evitando la pérdida de fusión entre la fibra dopada con Er y la rejilla.
Sin embargo, aunque la rejilla se puede escribir directamente sobre la fibra dopada con Er usando 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 la baja fotosensibilidad.
Por el contrario, el láser de fibra DBR se puede fabricar 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 enfrentan varios problemas, como una baja eficiencia de absorción de la bomba debido a cavidades resonantes cortas, líneas espectrales más amplias que los láseres de anillo y salto 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 pulso ultracorto son actualmente un tema candente de investigación en láseres de fibra, que utilizan principalmente técnicas de bloqueo de modo pasivo.
Al igual que los láseres de estado sólido, los láseres de fibra generan salidas láser de pulso corto basadas en el principio de bloqueo de modo. Cuando un láser de fibra opera en una gran cantidad de modos longitudinales dentro del ancho de banda de ganancia, el bloqueo de modo se logra cuando cada fase del modo longitudinal está sincronizada y la diferencia de fase entre dos modos longitudinales adyacentes cualesquiera es constante.
El pulso único que circula en la cavidad resonante emite energía a través del acoplador de salida. Los láseres de fibra se dividen en láseres de fibra de modo bloqueado activo y láseres de fibra de modo bloqueado pasivo.
La capacidad de modulación activa de modo bloqueado limita el ancho del pulso del pulso de modo bloqueado, que generalmente es del orden de picosegundos. Los láseres de fibra con modo bloqueado 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 simple y puede lograr un bloqueo automático del modo de inicio bajo ciertas condiciones sin ningún componente de modulación. El uso de láseres de fibra de modo pasivo bloqueado puede generar pulsos ultracortos del orden de femtosegundos.
Se han utilizado láseres de pulso ultracorto en fuentes de luz ultrarrápidas, lo que ha dado como resultado una variedad de técnicas de bombeo y espectroscopia de resolución temporal. La tecnología de generación de pulsos ultracortos es la clave para lograr una multiplexación por división de tiempo óptica (OTDM) de velocidad ultraalta. Los láseres de fibra de pulso ultracorto están muy extendidos en diversos campos, como materiales, biología, medicina, química y militar.
4. Perspectivas de futuro
Los láseres son el núcleo de la tecnología láser, y la dirección de desarrollo futuro 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 el rango ajustable de láseres; estrechando el espectro láser; desarrollo de pulsos ultracortos (niveles ps y fs) de láseres de alto brillo; y realizar investigaciones sobre miniaturización general, practicidad e inteligencia.
En los últimos años el desarrollo se ha centrado principalmente en tres aspectos:
(1) mejorar el rendimiento de las rejillas de fibra de Bragg, permitiendo su buena aplicación en láseres de fibra;
(2) láseres de fibra con anchos de línea espectrales y de pulso más estrechos, mayor potencia de salida, rango de sintonización más amplio, etc.;
(3) hacer que los láseres de fibra sean más prácticos.
Aplicaciones industriales: la aplicación más notable de los láseres de fibra en la industria es el procesamiento de materiales. Con su potencia cada vez mayor, los láseres de fibra comenzaron a utilizarse a gran escala para el corte industrial.
Los láseres de fibra son ideales para cortar, procesar y manipular materiales metálicos y no metálicos. Se pueden utilizar para calibración de productos láser, corte de precisión, grabado láser, soldadura láser, perforación de precisión, detección láser, microflexión, medición láser y otros aspectos técnicos.
Aplicaciones de telecomunicaciones: para satisfacer los requisitos de comunicación de alta capacidad actuales, la aplicación de láseres de fibra se ha convertido en una tecnología emergente en comunicación.
La tecnología de comunicación del futuro pasará gradualmente de la comunicación eléctrica a la óptica. Los láseres de fibra no solo pueden generar una salida láser continua, sino que también producen pulsos láser ultracortos de picosegundos (ps) o incluso femtosegundos (fs).
Los láseres de fibra han logrado grandes avances en la reducción de umbrales, la ampliación de rangos de longitud de onda y capacidades de longitud de onda sintonizables. La comunicación Soliton, una tecnología práctica, puede alcanzar una distancia de transmisión de millones de kilómetros, una velocidad de transmisión de 20 Gb/s y una tasa de error de bits de menos de 10-13, logrando una transmisión de señal de alta velocidad y alta calidad.
Aplicaciones militares: Con el continuo aumento de la potencia de los láseres de fibra, su aplicación en el ejército se está generalizando cada vez más.
Para lograr el propósito de las armas de energía dirigida, se combinan múltiples láseres de fibra en una estructura de matriz coherente, que puede aumentar la potencia de los láseres de fibra.
En el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos se están llevando a cabo investigaciones sobre láseres de fibra de 100 kW para cumplir objetivos de aplicaciones militares.
