1. Introdução
A pesquisa sobre lasers de fibra dopada utilizando meios de ganho remonta à década de 1960, quando Snitzer relatou em 1963 a criação de um laser de fibra com íons de neodímio (Nd3+) dopado em uma matriz de vidro.
Desde a década de 1970, um progresso significativo foi feito na tecnologia de preparação de fibras e na exploração de estruturas de bombas e cavidades ressonantes para lasers de fibra.
Em meados da década de 1980, um avanço na fibra dopada (Er3+) da Universidade de Southampton, no Reino Unido, melhorou muito a praticidade dos lasers de fibra, mostrando perspectivas de aplicação muito promissoras.
Em comparação com os lasers sólidos e gasosos tradicionais, os lasers de fibra têm muitas vantagens exclusivas, como alta qualidade de feixe, tamanho pequeno, peso leve, livre de manutenção, resfriado a ar, fácil de operar, baixo custo operacional e uso de longo prazo em ambientes industriais. .
Eles também oferecem alta precisão de processamento, velocidade rápida, longa vida útil, economia de energia e excelente flexibilidade para inteligência e automação. Portanto, eles substituíram os lasers YAG e CO2 tradicionais em muitos campos.
A faixa de comprimento de onda de saída dos lasers de fibra está entre 400-3400 nm, aplicável em vários campos, como armazenamento óptico de dados, comunicação óptica, tecnologia de sensores, espectroscopia e aplicações médicas.
Atualmente, o rápido desenvolvimento é observado em lasers de fibra dopada, lasers de rede de Bragg de fibra, lasers de fibra de largura de linha estreita sintonizáveis e lasers de fibra dupla de alta potência.
2. Estrutura Básica e Princípio de Funcionamento dos Lasers de Fibra
2.1 Estrutura Básica dos Lasers de Fibra
O laser de fibra consiste principalmente em três partes: o meio de ganho que pode gerar fótons, a cavidade ressonante óptica que permite o feedback dos fótons e a amplificação ressonante no meio de ganho e a fonte da bomba que pode excitar o meio do laser.
A estrutura básica do laser de fibra é mostrada na Figura 2.1.
O meio de ganho é um núcleo de fibra dopado com íons de terras raras. A fibra dopada é colocada entre dois espelhos com refletividade selecionada. A luz da bomba é acoplada à fibra a partir do espelho esquerdo do laser de fibra e emite luz laser através de um sistema óptico de colimação e um filtro.
Teoricamente, a fonte da bomba e a fibra de ganho são os componentes essenciais do laser de fibra, e a cavidade ressonante não é indispensável. A seleção do modo da cavidade ressonante e o alongamento do meio de ganho não são necessários em lasers de fibra porque a própria fibra pode ser muito longa, obtendo assim um ganho de passagem única muito alto, e o efeito de guia de onda da fibra pode desempenhar um modo função de seleção.
No entanto, em aplicações práticas, as pessoas geralmente preferem usar fibras mais curtas; portanto, na maioria dos casos, uma cavidade ressonante é usada para introduzir feedback.
Devido à estrutura do guia de ondas dos lasers de fibra, eles podem acomodar bombeamento forte e ter um alto ganho (ganho de passagem única de até 50dB). Os elementos de terras raras na matriz de vidro têm uma ampla largura de linha e faixa de sintonia (Yb3+ é 125 nm, Tm3+ >300nm).
Os recursos específicos são os seguintes:
1) A fibra serve como meio de guia de ondas, oferecendo alta eficiência de acoplamento, pequeno diâmetro do núcleo e facilidade na formação de alta densidade de potência dentro da fibra. Ele pode se conectar convenientemente aos atuais sistemas de comunicação de fibra óptica. Os lasers resultantes têm alta eficiência de conversão, baixo limiar de laser, excelente qualidade de feixe e largura de linha estreita.
2) Dada a elevada relação “área superficial/volume” da fibra, ela apresenta boa dissipação de calor. A temperatura ambiente pode variar de -20 a 70°C, eliminando a necessidade de um grande sistema de resfriamento de água e exigindo apenas um simples resfriamento de ar.
3) O laser de fibra pode operar sob condições adversas, como alto impacto, alta vibração, alta temperatura e condições de poeira.
4) Devido à excelente flexibilidade da fibra, o laser pode ser projetado para ser bastante pequeno e flexível, com formato compacto e pequeno volume, facilitando a integração do sistema e oferecendo uma alta relação desempenho-preço.
5) O laser de fibra possui muitos parâmetros ajustáveis e seletividade, permitindo cobrir uma ampla faixa de ajuste, excelente monocromaticidade e alta estabilidade. Tem uma longa vida útil da bomba, com um tempo médio de funcionamento sem falhas de 10kh ou mesmo superior a 100kh.
2.2 Princípio de funcionamento do laser de fibra
Os lasers de fibra atualmente desenvolvidos usam principalmente fibras dopadas com elementos de terras raras como meio de ganho.
O princípio de funcionamento do laser de fibra é que a luz da bomba incide na fibra dopada através do refletor frontal (ou grade frontal), e os íons de terras raras que absorveram a energia do fóton sofrerão transições de nível de energia, alcançando “inversão do número de partículas ”.
As partículas invertidas retornarão ao estado fundamental na forma de radiação após o relaxamento, liberando simultaneamente energia na forma de fótons e emitindo o laser através do refletor traseiro (grade traseira).
O amplificador de fibra dopado com elementos de terras raras promoveu o desenvolvimento de lasers de fibra, porque os amplificadores de fibra podem formar lasers de fibra através de mecanismos de feedback apropriados.
Quando a luz da bomba passa pelos íons de terras raras na fibra, ela será absorvida pelos íons de terras raras. Neste momento, os átomos de terras raras que absorvem a energia dos fótons serão excitados para um nível de energia de laser mais alto, alcançando assim a inversão do número de íons.
O número iônico invertido fará a transição do nível de alta energia para o estado fundamental na forma de radiação e liberará energia, completando a radiação estimulada. O modo de radiação do estado excitado para o estado fundamental possui dois tipos: radiação espontânea e radiação estimulada.
Dentre elas, a radiação estimulada é uma radiação de mesma frequência e fase, que pode formar um laser muito coerente. A emissão de laser é um processo físico onde a radiação estimulada excede em muito a radiação espontânea.
Para que este processo continue, a inversão do número iônico deve ser formada. Portanto, os níveis de energia envolvidos no processo devem ultrapassar dois, devendo também haver uma fonte de bomba para fornecer energia.
O laser de fibra pode, na verdade, ser chamado de conversor de comprimento de onda, por meio do qual a luz do comprimento de onda da bomba pode ser convertida na luz de comprimento de onda do laser necessária.
Por exemplo, um laser de fibra dopada com érbio bombeia luz de 980 nm e produz laser de 1550 nm. A saída do laser pode ser contínua ou pulsada.
Os lasers de fibra têm dois estados de laser, laser de três níveis e laser de quatro níveis. Os princípios do laser de três e quatro níveis são mostrados na Figura 2.2.
A bomba (fóton de alta energia e comprimento de onda curto) faz com que o elétron faça a transição do estado fundamental para o estado de alta energia E44 ou E33em seguida, faz a transição para o nível de laser superior E43 ou E32 através de transições não radiativas.
Quando o elétron faz a transição do nível superior do laser para o nível de energia inferior E42 ou E31o processo a laser ocorrerá.
3. Tipos de lasers de fibra óptica
Existem vários tipos de lasers de fibra óptica que podem ser divididos em diferentes categorias, conforme mostrado na Tabela 3.1. As seções a seguir fornecerão uma introdução a vários tipos desses lasers.
Tabela 3.1 Classificação de Lasers de Fibra Óptica
| Classificação por Estrutura do Ressonador | Cavidade FP, Cavidade de Anel, Ressonador de Fibra Refletor de Loop e Cavidade em Forma de “8”, Laser de Fibra DBR, Laser de Fibra DFB |
| Classificação por Estrutura de Fibra | Laser de fibra de revestimento único, laser de fibra de revestimento duplo |
| Classificação por meio de ganho | Laser de fibra dopada com terras raras, laser de fibra de efeito não linear, laser de fibra de cristal único, laser de fibra plástica |
| Classificação por mecanismo de trabalho | Laser de fibra de conversão ascendente, laser de fibra de conversão descendente |
| Classificação por Elementos de Dopagem | Érbio (Er3+), Neodímio (Nd3+), Praseodímio (Pr3+), Túlio (Tm3+), Itérbio (Yb3+), Hólmio (Ho3+) e 15 outros tipos |
| Classificação por comprimento de onda de saída | Banda S (1280-1350 nm), Banda C (1528-1565 nm), Banda L (1561-1620 nm) |
| Classificação por Laser de Saída | Laser pulsado, laser de onda contínua |
3.1 Lasers de fibra dopada com terras raras
Os elementos de terras raras abrangem 15 elementos, posicionados na quinta linha da tabela periódica.
Atualmente, os íons de terras raras desenvolvidos de forma madura incorporados em fibras ativas incluem Er3+Nd3+Pr.3+Tm3+e Yb3+.
Nos últimos anos, os lasers de fibra dopada de revestimento duplo, utilizando tecnologia de bombeamento de revestimento, aumentaram significativamente a potência de saída, tornando-se outro ponto importante de pesquisa no campo dos lasers.
Este tipo de estrutura de fibra, conforme mostrado na Figura 3.1, é composta por um revestimento externo, um revestimento interno e um núcleo dopado.
O índice de refração do revestimento externo é menor que o do revestimento interno, que por sua vez é menor que o índice de refração do núcleo da fibra, formando assim uma estrutura de guia de ondas de camada dupla.
A fibra dupla dopada é um componente chave na construção de lasers de fibra. Suas principais funções em um laser de fibra incluem:
1) Converter a potência da luz da bomba no meio de trabalho do laser;
2) Colaborar com outros dispositivos para formar um ressonador laser.
Seu princípio de funcionamento envolve principalmente a injeção da luz da bomba na fibra lateralmente ou a partir da face final. Como o índice de refração do revestimento externo é muito menor do que o do revestimento interno da fibra, o revestimento interno pode transmitir luz de bomba multimodo.
A dimensão da seção transversal do revestimento interno é maior que o núcleo. Assim, para o comprimento de onda do laser gerado, o revestimento interno e o núcleo dopado com terras raras formam um guia de ondas monomodo perfeito, enquanto ele e o revestimento externo formam um guia de ondas multimodo para transmitir a potência da luz da bomba.
Isso permite que a luz da bomba multimodo de grande potência seja acoplada ao revestimento interno. A luz da bomba multimodo é absorvida diversas vezes à medida que viaja ao longo da fibra, cruzando o núcleo. Devido à excitação de íons de terras raras no núcleo, é produzida uma saída de laser de sinal de alta potência.
O princípio de funcionamento é ilustrado na Figura 3.1.
3.2 Laser de grade de fibra Bragg
A maturidade crescente da tecnologia de rede de Bragg de fibra escrita em UV na década de 1990 levou a uma maior atenção aos lasers de rede de Bragg de fibra, principalmente lasers de rede de fibra Distributed Bragg Reflector (DBR) e Distributed Feedback (DFB).
A principal diferença entre os dois é que o laser de fibra DFB utiliza apenas uma grade para obter feedback óptico e seleção de comprimento de onda, oferecendo assim melhor estabilidade e evitando a perda de fusão entre a fibra dopada com Er e a grade.
No entanto, embora a grade possa ser escrita diretamente na fibra dopada com Er usando UV, a fabricação prática do laser de fibra DEB não é fácil devido ao baixo teor de Ge no núcleo da fibra e à baixa fotossensibilidade.
Em contraste, o laser de fibra DBR pode ser fabricado mais facilmente fundindo uma grade de fibra dopada com Ge em ambas as extremidades da fibra dopada com Er para formar uma cavidade ressonante.
Os lasers de grade de fibra DBR e DFB enfrentam vários problemas, como baixa eficiência de absorção da bomba devido a cavidades ressonantes curtas, linhas espectrais mais amplas do que os lasers de anel e salto de modo.
Esforços contínuos estão sendo feitos para resolver esses problemas. As melhorias propostas incluem o uso de fibra co-dopada com Er:Yb como meio de ganho, a adoção de um método de bombeamento intracavitário e a integração do oscilador e do amplificador de potência.
3.3 Lasers de fibra de pulso ultracurto
Lasers de pulso ultracurto são atualmente um tópico importante de pesquisa em lasers de fibra, utilizando principalmente técnicas de bloqueio de modo passivo.
Semelhante aos lasers de estado sólido, os lasers de fibra geram saídas de laser de pulso curto com base no princípio de bloqueio de modo. Quando um laser de fibra opera em um grande número de modos longitudinais dentro da largura de banda de ganho, o bloqueio de modo é alcançado quando cada fase do modo longitudinal é sincronizada e a diferença de fase entre quaisquer dois modos longitudinais adjacentes é constante.
O pulso único que circula na cavidade ressonante emite energia através do acoplador de saída. Os lasers de fibra são divididos em lasers de fibra com modo bloqueado ativo e lasers de fibra com modo bloqueado passivo.
A capacidade de modulação de bloqueio de modo ativo limita a largura do pulso do pulso de modo bloqueado, que geralmente é da ordem de picossegundos. Os lasers de fibra com modo bloqueado passivo utilizam os efeitos ópticos não lineares da fibra ou de outros componentes ópticos para obter o bloqueio de modo.
A estrutura do laser é simples e pode alcançar o bloqueio do modo de inicialização automática sob certas condições, sem quaisquer componentes de modulação. O uso de lasers de fibra bloqueados no modo passivo pode gerar pulsos ultracurtos da ordem de femtossegundos.
Lasers de pulso ultracurto têm sido usados em fontes de luz ultrarrápidas, resultando em uma variedade de espectroscopia e técnicas de bombeamento resolvidas no tempo. A tecnologia de geração de pulso ultracurto é a chave para alcançar a multiplexação óptica por divisão de tempo (OTDM) de ultra-alta velocidade. Os lasers de fibra de pulso ultracurto estão difundidos em vários campos, como materiais, biologia, medicina, química e militar.
4. Perspectivas Futuras
Os lasers são o núcleo da tecnologia laser, e a direção de desenvolvimento futuro dos lasers de fibra será melhorar ainda mais o desempenho dos lasers de fibra, como aumentar ainda mais a potência de saída e melhorar a qualidade do feixe; expandindo novos comprimentos de onda de laser, expandindo a faixa ajustável de lasers; estreitando o espectro do laser; desenvolvimento de pulsos ultracurtos (níveis ps e fs) de lasers de alto brilho; e realizar pesquisas sobre miniaturização geral, praticidade e inteligência.
Nos últimos anos, o desenvolvimento centrou-se principalmente em três aspectos:
(1) melhorar o desempenho das redes de Bragg de fibra, permitindo que sejam bem aplicadas em lasers de fibra;
(2) lasers de fibra com pulso mais estreito e larguras de linha espectral, maior potência de saída, faixa de sintonia mais ampla, etc .;
(3) tornar os lasers de fibra mais práticos.
Aplicações Industriais: A aplicação mais notável dos lasers de fibra na indústria é o processamento de materiais. Com seu poder cada vez maior, os lasers de fibra começaram a ser usados em larga escala para corte industrial.
Os lasers de fibra são ideais para cortar, processar e manusear materiais metálicos e não metálicos. Eles podem ser usados para calibração de produtos a laser, corte de precisão, gravação a laser, soldagem a laser, perfuração de precisão, detecção de laser, microflexão, medição a laser e outros aspectos técnicos.
Aplicações de Telecomunicações: Para atender aos requisitos atuais de comunicação de alta capacidade, a aplicação de lasers de fibra tornou-se uma tecnologia emergente em comunicação.
A futura tecnologia de comunicação fará a transição gradual da comunicação elétrica para a óptica. Os lasers de fibra podem não apenas gerar saída de laser contínua, mas também produzir pulsos de laser ultracurtos de picossegundos (ps) ou mesmo femtossegundos (fs).
Os lasers de fibra fizeram grandes avanços na redução de limites, na ampliação das faixas de comprimento de onda e na capacidade de comprimento de onda ajustável. A comunicação Soliton, uma tecnologia prática, pode atingir uma distância de transmissão de milhões de quilômetros, uma taxa de transmissão de 20 Gb/s e uma taxa de erro de bit inferior a 10-13, alcançando transmissão de sinal de alta velocidade e alta qualidade.
Aplicações Militares: Com o aumento contínuo da potência dos lasers de fibra, sua aplicação nas forças armadas está se tornando cada vez mais difundida.
Para atingir o objetivo das armas de energia direcionada, vários lasers de fibra são combinados em uma estrutura de matriz coerente, o que pode aumentar a potência dos lasers de fibra.
No Laboratório de Pesquisa da Força Aérea dos Estados Unidos, atualmente estão sendo realizadas pesquisas em lasers de fibra de 100 kW para atender aos objetivos de aplicação militar.
