Láser de fibra

Un láser de fibra es un láser cuyo medio activo y, posiblemente, el resonador son elementos de una fibra óptica . Con una implementación completamente de fibra, dicho láser se denomina láser de fibra, con el uso combinado de fibra y otros elementos en el diseño del láser, se denomina fibra discreta o híbrido [1] . Los láseres de fibra se utilizan en la industria para cortar metales y marcar productos, soldar y microprocesar metales, líneas de comunicación de fibra óptica [2] . Sus principales ventajas son la alta calidad óptica de la radiación, las pequeñas dimensiones y la posibilidad de empotrarse en las líneas de fibra [3] .

Existe una amplia variedad de diseños de láseres de fibra, debido a las especificaciones de su aplicación. Tanto los resonadores de Fabry-Perot como los resonadores de anillo son muy utilizados para su fabricación . [4] [5] Las técnicas especiales pueden crear láseres de polarización simple, láseres de pulso ultracorto y otros. [6] [7] Todos los láseres de fibra utilizan tipos especiales de fibras ópticas en las que se incrustan una o más guías de ondas para el bombeo óptico [8] .

Historia

Elias Snitzer y Will Hicks fueron los primeros en demostrar la transmisión de radiación láser sobre una fibra óptica en 1961 . [9] La principal desventaja de su diseño era la fuerte atenuación de la radiación durante el paso de la fibra. Sin embargo, unos años más tarde, Snitzer creó el primer láser, cuyo medio de trabajo era una fibra óptica dopada con neodimio [10] . En 1966, Charles Kao y George Hockham crearon una fibra óptica con una atenuación de unos 20 dB /km, mientras que otras fibras que existían en ese momento se caracterizaban por una atenuación de más de 1000 dB/km. La capacidad de información de la fibra Kao correspondía a doscientos canales de TV. El diámetro interior era de unas 4 micras y el diámetro de toda la guía de ondas era de unas 400 micras. Los avances en la fabricación de fibras ópticas han llamado la atención sobre ellas como medio de transmisión de señales a largas distancias. [once]

El rápido desarrollo de los láseres de fibra comenzó a fines de la década de 1980 . Las principales áreas de investigación estuvieron relacionadas con la experimentación en el uso de diversas impurezas en las fibras ópticas para lograr los parámetros especificados de la radiación generada. En particular, la generación de pulsos ultracortos en la región infrarroja del espectro fue de particular interés. Desde 1993 , las muestras industriales de láseres de erbio han sido ampliamente utilizadas en sensores y comunicaciones . [12] En la década de 1990, la potencia de generación de los láseres de erbio superó el umbral de 1 W y se demostró un láser de erbio de cuatro vatios [13] . Después de 2000, los láseres de iterbio atrajeron la atención y mostraron un potencial significativo para aumentar la potencia. [catorce]

Durante 1993-1994, un pequeño equipo de empleados de la empresa rusa NTO " IRE-Polyus " desarrolló los primeros prototipos de amplificadores de luz de fibra bombeados por diodos , superando en potencia a los análogos extranjeros. Posteriormente, el fundador de esta empresa , V. P. Gapontsev , creó la corporación internacional IPG Photonics , que actualmente controla el 80% del mercado mundial de láseres de fibra de alta potencia. Sus principales sitios de producción se encuentran en EE. UU., Alemania y Rusia [15] [16] .

Principios de funcionamiento

Esquema general

Un láser de fibra consta de un módulo de bombeo (generalmente LED de banda ancha o diodos láser ), una guía de luz , en la que se produce la generación, y un resonador. La guía de luz contiene una sustancia activa ( una fibra óptica dopada es un núcleo sin revestimiento, a diferencia de las guías de ondas ópticas convencionales) y guías de ondas de bombeo [8] . El diseño del resonador suele estar determinado por los términos de referencia , pero se pueden distinguir las clases más comunes: resonadores de Fabry-Perot y resonadores de anillo . [17] En instalaciones industriales, para aumentar la potencia de salida, a veces se combinan varios láseres en una sola instalación [18] .

Fibra activa

La sílice fundida ultrapura , que es el material principal de las fibras ópticas, tiene una alta transparencia (la pérdida óptica es de un pequeño porcentaje por kilómetro de longitud). Las impurezas especiales introducidas en el cuarzo por dopaje lo transforman en un medio activo. Según los requisitos de frecuencia de radiación ( rango infrarrojo para telecomunicaciones ) y potencia de bombeo de umbral bajo, por regla general, el dopaje se realiza con elementos de tierras raras del grupo de los lantánidos . Uno de los tipos de fibras más comunes es el erbio , utilizado en láser y sistemas de amplificación, cuyo rango de operación se encuentra en el rango de longitud de onda de 1530-1565 nm. Debido a la diferente probabilidad de transiciones al nivel del suelo desde los subniveles del nivel metaestable, la eficiencia de generación o amplificación difiere para diferentes longitudes de onda en el rango operativo. [19] El grado de dopaje con iones de tierras raras generalmente depende de la longitud de la fibra activa que se fabrica. Dentro del rango de hasta varias decenas de metros, puede ir desde decenas hasta miles de ppm , y en el caso de longitudes de kilómetro, 1 ppm o menos. [veinte]

Bombeo

Hay varios diseños para bombear guías de ondas ópticas, de los cuales los diseños de fibra pura son los más utilizados. Una opción es colocar la fibra activa dentro de varios revestimientos, de los cuales el exterior es protector (la llamada fibra de doble capa ).

La primera capa está hecha de cuarzo puro con un diámetro de varios cientos de micrómetros , y la segunda está hecha de un material polimérico , cuyo índice de refracción se elige para que sea significativamente más bajo que el del cuarzo. Por lo tanto, el primer y el segundo revestimiento crean una guía de ondas multimodo con una gran sección transversal y apertura numérica , en la que se lanza la radiación de la bomba. La excitación eficiente de los iones de tierras raras se logra seleccionando los diámetros del núcleo activo y la guía de onda de la bomba. Utilizando esta tecnología, se puede obtener una potencia de salida de unos 100 W [8] .

Las altas potencias de bombeo se logran utilizando la tecnología GTWave. Varios núcleos de guía de onda están integrados en una capa protectora, uno de los cuales es un medio activo, mientras que los otros son guías de onda de bomba. El bombeo se realiza gracias al campo evanescentepenetrando en el medio activo a través de sus paredes. Una característica de la tecnología es la posibilidad de introducir radiación de bombeo a través de ambos extremos de cada una de las guías de ondas de bombeo y la ausencia de la necesidad de acopladores WDM [8] [21] .

La potencia de bombeo permisible está limitada por la potencia de radiación máxima por unidad de área que la sustancia puede soportar sin destrucción. Para silicio puro, es 10 10 W /cm2 ( 22 J / cm2 para un pulso de 1 ns a una longitud de onda de 1 μm [22] ). Por tanto, el límite superior de la potencia de bombeo para una fibra óptica con un diámetro de núcleo de 8 μm es de unos 5 kW. [23]

Resonadores Fabry-Perot

Los resonadores basados en el interferómetro Fabry-Perot se encuentran entre los más comunes. [4] Las diferencias entre ellos radican en la forma en que se crean los espejos resonadores.

Resonadores que utilizan espejos dieléctricos

En los primeros láseres de fibra , se utilizaron espejos dieléctricos para crear un resonador Fabry-Perot debido a la capacidad de hacerlos prácticamente transparentes a una longitud de onda de bombeo de 0,82 μm, manteniendo un alto coeficiente de reflexión a una longitud de onda de generación de 1,088 μm (estos eran los parámetros de los láseres donde se utilizó fibra, dopada con iones Nd 3+ ). En un principio, la fibra se colocaba entre los espejos, pero este diseño era difícil de alinear . Una solución parcial al problema consistía en depositar espejos dieléctricos directamente en los extremos de la fibra, lo que, sin embargo, aumentaba el riesgo de dañarlos por radiación de bombeo enfocada de alta potencia y endurecía los requisitos para procesar los extremos de la fibra óptica. El problema de proteger los espejos a veces se resolvía utilizando grifos WDM . [17]

Resonador que utiliza rejillas de Bragg de fibra

El resonador dentro de la fibra óptica se crea mediante pares de rejillas de Bragg dentro de la fibra , secciones de la guía de ondas ópticas en las que se crea una estructura con un índice de refracción modulado . Las áreas con un índice de refracción modificado (trazos) se ubican perpendiculares al eje de la guía de ondas . La reflexión de tal estructura ocurre a una longitud de onda

\lambda _{B}=2n_{\text{ef}}\Lambda _{B},

donde es el índice de refracción efectivo del modo fundamental y es el período de rejilla. La naturaleza de la reflexión (total o parcial) dependerá de sus parámetros. El ancho del espectro de reflexión con una gran cantidad de trazos se vuelve proporcional al coeficiente de acoplamiento relacionado con el coeficiente de reflexión por la relación ${\ Displaystyle n_ {\ text {ef}}}$ ${\ estilo de visualización \ Lambda _ {B}}$ $\kappa$

R=\tanh^{2}\kappa L,

donde L es la longitud de la red. En la práctica, la red de Bragg creada dentro de la fibra tiene parámetros ligeramente diferentes, ya que su propia creación cambia el índice de refracción efectivo en la ubicación de la red y, por lo tanto, su longitud de onda muy resonante. Las altas temperaturas son peligrosas para las rejillas intrafibras. Aunque, en general, la temperatura de destrucción de la red depende significativamente del método de su creación y del material de la fibra, la mayoría de las veces las temperaturas críticas se encuentran en el rango de 300 a 600 °C [8] [24] . La selectividad de frecuencia de las rejillas de Bragg hace posible obtener un láser que funcione en un solo modo longitudinal con una banda de frecuencia de generación estrecha. [25] Los láseres de fibra Raman a veces crean más de un par de rejillas de Bragg a diferentes longitudes de onda para lograr un orden de dispersión más alto (cada orden de dispersión sucesivo cambia la longitud de onda de los fotones, lo que permite alcanzar la longitud de onda deseada) [8] .

Resonadores de anillo

El diseño de resonador de anillo más simple es conectar ambos extremos de un acoplador WDM a una fibra activa. Una característica de los resonadores de anillo de fibra es la transmisión de luz en una sola dirección, independientemente de la frecuencia, con la excepción de algunas frecuencias resonantes. El cambio de fase en dicho resonador se expresa mediante la fórmula

\psi _{1}=\pi +\phi +2\operatorname {tg} ^{-1}{\frac ({\sqrt {\rho ))\sin \phi }{1-{\sqrt {\rho ))\cos \phi )),

donde es la incursión de fase debida a la longitud del resonador, es la relación de las potencias a la salida ya la entrada del segmento de fibra que forma el resonador. [26] Por lo general, se utilizan aislantes y polarizadores adicionales en los resonadores de anillo para garantizar la seguridad de la polarización de la radiación y la propagación unidireccional. Diseños similares aparecieron ya en 1958 para láseres de fibra de neodimio. Para los láseres de modo bloqueado, se utilizan los llamados láseres en forma de ocho , llamados así por la forma de la conexión de fibra. Ambos bucles del resonador en forma de ocho sirven como bucles de Sagnac . La fibra activa se coloca asimétricamente con respecto a los bucles del resonador, lo que crea una diferencia de fase no lineal entre las ondas que se propagan en sentido contrario y asegura el bloqueo del modo cuando se supera un cierto umbral de potencia de bombeo. [5] $\fi$ ${\displaystyle \rho =P_{\mathrm {salida}}/P_{\mathrm {entrada}))$

Resonadores de anillo en láseres de fibra
Resonador de anillo convencional integrado en un láser de fibra. En : bomba de radiación. Out : radiación de salida. 1 : fibra activa. 2 : polarizador. 3 : aislador óptico. Grifo de 4 WDM.
Láser de fibra con un resonador de anillo en forma de ocho . En : bomba de radiación. Out : radiación de salida. 1 : fibra activa. 2 : polarizador. 3 : aislador óptico. Grifo de 4 WDM. 50:50 divisor 50/50.

Características técnicas

Generación continua y pulsada

Láseres CW

Históricamente , los láseres CW , dopados con neodimio y que operan a una longitud de onda de aproximadamente 0,8 μm, fueron los primeros en atraer el interés. Debido a su amplia banda de absorción, están bien sintonizados entre 50 y 60 nm. Usualmente se usan para generación en longitudes de onda mayores a 1.36 µm, para longitudes de onda más cortas se usa dopaje de neodimio de las fibras ZBLAN . [27]

Los láseres de iterbio son muy similares a los láseres de neodimio en términos de longitudes de onda de generación. Sin embargo, debido a la ausencia de absorción de los niveles excitados (un efecto en el que los niveles de energía excitados no solo aumentan la emisión estimulada, sino que también absorben la radiación de bombeo, pasando a un nivel de energía más alto [28] ), el dopaje con iones de iterbio permite obtener mayor potencia. El límite superior de su potencia radiada determina la densidad de radiación que, al superar 1 GW/cm 2 , puede dar lugar a fuertes efectos no lineales. Por tanto, en la práctica, se busca un equilibrio entre el diámetro del núcleo, cuyo aumento permite aumentar la potencia de bombeo, y el valor de la apertura numérica, que en este caso disminuye. Una instalación de láser de potencia de 10 kilovatios puede requerir un diámetro de núcleo de 100 μm y un revestimiento interior (guía de ondas de bomba) con un diámetro de 1 mm, lo que no es muy conveniente. Una de las soluciones originales para los láseres de esta potencia fue la fabricación de una fibra en la que el núcleo dopado se retorcía en espiral. [29]

Los láseres de fibra que utilizan fibra de erbio (a veces dopada con Yb 2 O 3 para la sensibilización) permiten la generación tanto en el rango visible como en el infrarrojo . Para su bombeo se utilizan láseres de GaAs -semiconductor y Nd:YAG . Son más eficientes cuando se bombean a longitudes de onda de 0,95 µm o 1,48 µm, donde no hay absorción de los niveles excitados. Una ventaja de los láseres de erbio es la capacidad de ajustar la longitud de onda en un amplio rango, que también se utiliza para reducir el ancho espectral de la línea de generación. Con la ayuda de resonadores acoplados, se creó un láser capaz de generar radiación en dos longitudes de onda diferentes con un ancho de 16 kHz cada una. [treinta]

Generación de pulsos de nanosegundos

Para obtener potentes pulsos de nanosegundos con una tasa de repetición de unidades y decenas de kilohercios, a menudo se utiliza la conmutación Q. Los láseres de fibra que lo utilizan son capaces de generar radiación con una energía del orden de 1 mJ por pulso con una potencia máxima de más de 100 kW. [31]

La conmutación Q en la práctica se puede lograr de varias maneras. Los moduladores acústico-ópticos intracavitarios se utilizaron desde mediados de la década de 1980 y, a fines de la década de 1990, los láseres de fibra de erbio con una longitud de fibra activa de hasta 79 cm y un área modal

S_{\mathrm {modo} }={\frac {\left(\int |E|^{2}\mathrm {d} S\right)^{2)){\int |E|^{ 4}\mathrm {d} S}}\sim 300\,\mu m^{2},

trabajando con la ayuda de los osciladores maestros ( amplificador de potencia del oscilador maestro inglés , MOPA ). [32]

Los procesos no lineales durante la dispersión Raman o Mandelstam-Brillouin , que conducen a la automodulación del factor de calidad de una fibra convencional (no dopada), se conocen desde hace mucho tiempo. En 1998 se obtuvo la generación de pulsos con una duración de 2 ns utilizando un láser de fibra de neodimio, al que se adjuntó una fibra monomodo de diez metros. La onda de Stokes hacia atrás entró en la cavidad del láser en forma de pulsos cortos, lo que condujo al régimen láser requerido. Dos años más tarde, se demostró un láser de iterbio de 4 metros que generaba pulsos con una duración de unos 100 ns. Cabe señalar que en la práctica, sin dispositivos adicionales, la naturaleza estocástica de este tipo de dispersión conduce a la inestabilidad de la amplitud de generación. [33]

Generación de pulsos de pico y femtosegundos

Un método común para obtener pulsos de láser de pico y femtosegundos es el bloqueo de modo . En un láser de fibra, se puede emitir una gran cantidad de modos longitudinales simultáneamente con una distancia de frecuencia entre ellos , donde es la longitud del camino óptico por paso de cavidad. Se dice que el bloqueo de modo ocurre cuando ocurre la misma diferencia de fase entre cualquier modo adyacente . Entonces la intensidad de radiación I será proporcional a una función en función del número de modos acoplados M y la diferencia de frecuencia entre ellos: $\Delta \nu=c/L_{\text{opt))$ $L_{\text{optar))$ $\fi$

I\sim {\frac {\sin ^{2}[(2M+1)\pi \Delta \nu t+\phi /2]}{\sin ^{2}(\pi \Delta \nu t+ \phi /2)}}.

El resultado es que el láser emite una secuencia de pulsos con una duración y un espacio entre ellos. [34] $\tau _{p}={\frac {1}{(2M+1)\Delta \nu }}$ ${\ estilo de visualización \ tau _ {i} = {\ frac {1} {\ Delta \ nu}}}$

Los láseres de fibra utilizan varios tipos de bloqueo de modo. La sincronización activa consiste en modular el campo óptico en amplitud o fase. Para los láseres de fibra, los moduladores electroópticos de LiNbO 3 son aceptables en tamaño y pérdidas cuando se conectan a dispositivos de fibra . La duración de los pulsos y el intervalo entre ellos están determinados por el diseño del resonador. Por ejemplo, en un resonador de anillo con una fibra convencional de 2 km de largo conectada a él con una fuerte dispersión anómala, se puede obtener una duración de pulso de alrededor de 4 ps. El resonador Fabry-Perot permite alcanzar duraciones ps. Existen dispositivos que permiten obtener pulsos con una duración de hasta 10 ps a una tasa de repetición de hasta 10 GHz. Sin embargo, un problema común con los láseres de este tipo es la inestabilidad de la amplitud del pulso durante un largo período de generación. Un diseño totalmente de fibra que emplea bloqueo de modo activo utiliza modulación de fase mutua . [35] ${\ estilo de visualización \ tau _ {p} <2}$

Para obtener pulsos de femtosegundos, se utiliza el bloqueo de modo pasivo. En este caso, se utiliza algún elemento no lineal, durante cuyo paso el impulso se vuelve más estrecho. Como elementos no lineales pueden actuar los llamados absorbentes saturables, los espejos no lineales del tipo bucle de fibra, etc.. La idea de utilizar un absorbente saturable es que cuando un pulso se propaga a través de dicho dispositivo, sus bordes se absorben mucho más fuerte que el centro (cuya amplitud es mucho mayor). Esto es equivalente a acortar la duración del pulso. Hay muestras de láseres que utilizan absorbentes saturables para generar pulsos con una duración de 320 fs. Los espejos no lineales o la rotación de polarización no lineal permiten un diseño totalmente de fibra. [36]

Láseres de polarización simple

Incluso en fibra monomodo, existe una relación entre modos con constantes de propagación cercanas y polarizaciones ortogonales . Para las líneas de comunicación de fibra óptica, este es un factor que limita el ancho de banda y la longitud, ya que es preferible mantener la polarización cuando el pulso se propaga a lo largo de la fibra. [37]

La polarización de la radiación láser de fibra en el caso general depende de manera no lineal de muchos factores, en particular, de la potencia de bombeo. Un método usado frecuentemente para suprimir una de las polarizaciones ortogonales es el uso de un polarizador intrafibra . Su papel lo desempeña un hilo de metal de cierta sección (por ejemplo, en forma de la letra latina D), incrustado en la fibra y estirado a lo largo de su núcleo. Para una polarización ortogonal a la superficie plana de un filamento en forma de D, la pérdida óhmica será lo suficientemente fuerte como para reducir significativamente su intensidad. Para crear otro tipo de polarizador de fibra basado en el mismo principio físico, la fibra óptica se procesa de tal manera que se forma una superficie pulida a una distancia del orden de una longitud de onda del núcleo, sobre la cual se deposita una capa de metal. Los estudios experimentales de los diseños descritos mostraron una diferencia en las amplitudes de polarización de hasta 25 dB en el rango infrarrojo a una potencia de salida del orden de varios milivatios y una eficiencia de alrededor del 25%. [6]

Un método fundamentalmente diferente es utilizar fibras ópticas con birrefringencia de modo fuerte. Son fibras en las que la asimetría del canal de propagación de la luz se crea artificialmente, por ejemplo, creando un núcleo elíptico o rebajes laterales que provocan tensiones mecánicas en la fibra en una dirección determinada. En ellos, los modos con diferentes polarizaciones tienen diferentes constantes de propagación. La generación de la polarización requerida se logra utilizando rejillas de Bragg intrafibras , en las que el coeficiente de reflexión depende de la polarización del resonador Fabry-Perot . [37] [6]

Conversión ascendente

Up-conversion (conversión ascendente) son láseres en los que la longitud de onda de emisión es más corta que la longitud de onda de bombeo (en la mayoría de los láseres convencionales bombeados con luz, se realiza la situación opuesta). El esquema de up-conversion pumping consiste en la absorción de varios fotones por el medio activo , por lo que la energía de transición del nivel de energía final supera la energía de cada uno de los fotones absorbidos. En los láseres de fibra, su aplicación suele requerir el uso de fibras de fluoruro ( ZBLAN ). La conversión ascendente se utiliza en láseres dopados con tulio , erbio y praseodimio / iterbio [38] . Cabe señalar que cada nivel de energía del ion utilizado para la generación se amplía debido a la interacción con la matriz. La conversión ascendente es de gran interés, ya que permite crear láseres que operan en la región azul del espectro cuando se utiliza el bombeo en el rango rojo o infrarrojo. [39]

Un esquema típico para bombear una fibra activa de tulio (los centros activos son iones Tm 3+ ) con absorción de tres fotones de fotones de 1,06 μm consiste en las transiciones , , . Las transiciones intermedias son las de relajación. El resultado es la generación de una poderosa radiación a una longitud de onda de 475 nm en la transición . La absorción de dos fotones de fotones con una longitud de onda de 660 nm conduce a transiciones y la posterior emisión de un cuanto de luz de 460 nm. [40] [39] $^{3}H_{6}\to {^{3}H_{5))$ $^{3}F_{4}\to {^{3}F_{2}}$ $^{3}H_{4}\to {^{1}G_{4))$ ${^{3}H_{5}}\a {^{3}F_{4}}$ ${^{3}F_{2}}\a {^{3}H_{4}}$ $^{1}G_{4}\to {^{3}H_{6))$ $^{3}H_{6}\to {^{3}F_{2,3))$ $^{3}H_{4}\to {^{1}D_{2}}$

El praseodimio tiene un interés considerable como ion de trabajo, ya que el esquema de up-conversion de las fibras dopadas con él permite obtener la generación de colores rojo, naranja, verde y azul. A menudo se utiliza un dopaje adicional con iterbio, debido a la banda de absorción muy amplia que se encuentra en el rango operativo de los diodos de GaAs de alta potencia . Los iones Yt 3+ sirven como sensibilizadores (partículas que transfieren energía entre los diferentes niveles de iones que sirven para generar). [41]

Láseres Raman

La frecuencia de generación del láser se puede convertir mediante dispersión Raman estimulada (SRS, efecto Raman). En vidrios, se manifiesta mucho más débil que en algunos cristales y líquidos no lineales, pero debido a las bajas pérdidas ópticas en una fibra óptica, SRS es bastante efectivo para uso práctico. El efecto Raman en los láseres de fibra fue demostrado por primera vez por Roger Stolen en 1972, y desde entonces ha continuado el desarrollo activo de los láseres de fibra Raman. Son de considerable interés debido a la transferencia de la frecuencia de generación a la región infrarroja del espectro, donde los láseres de estado sólido de tierras raras son ineficaces [8] . Junto con los resonadores dispersivos, es posible obtener una sintonización de frecuencia en ellos en el rango de 1,1 a 1,6 μm mientras se mantiene una alta potencia de salida. [42]

Las cavidades de los láseres Raman de fibra se crean mediante pares de rejillas de Bragg , que se calculan para la transmisión completa de la radiación de bombeo y la reflexión perceptible a la longitud de onda del componente de Stokes de la radiación dispersada (alrededor del 99,9 % para un espejo totalmente reflectante y el 5 % para el espejo de salida). A veces, se utilizan varios pares de redes para obtener componentes de Stokes de orden superior. [43] [8] Los más comunes son los láseres Raman que utilizan fibras de germanosilicato, debido al hecho de que la eficiencia de la dispersión Raman estimulada y la fotosensibilidad en ellos son significativamente más altas que en las fibras de cuarzo puro, y aumenta con el aumento de la concentración de germanio . Un láser CW típico es bombeado por otro láser YAG : Nd 3+ a una longitud de onda de 1,06 µm. El bombeo primario del láser de neodimio se realiza mediante diodos semiconductores. La longitud de la fibra activa puede ser de 800 M. Los resonadores en ella son creados por tres o más pares (cascadas) de rejillas de Bragg. Un láser similar de cinco etapas con una longitud de onda de 1,48 μm proporciona una potencia de salida de 1,5 W y se utiliza para bombear amplificadores de fibra en FOCL . [44]

Láseres de fibra basados en cristales fotónicos

La denominada fibra óptica microestructurada o de cristal fotónico (FKOV, inglés photonic crystal fiber (PCF), fibra perforada o fibra microestructurada ) difiere significativamente de las fibras ópticas utilizadas tradicionalmente. Si en este último la guía de luz está formada por capas con diferentes índices de refracción , entonces en FCO la estructura de transmisión de luz está formada por canales de aire (por ejemplo, cilíndricos) que rodean el núcleo de fibra sólida (o hueca) - forman un dos- cristal fotónico dimensional . Por lo tanto, los modos de guía de onda en ellos no se forman por la reflexión interna del haz cuando se propaga a lo largo de la fibra, sino por la aparición de bandas prohibidas en el espectro de transmisión de la microestructura [45] .

En un PCF típico , la microestructura está formada por PCF de un solo núcleo con revestimiento triangular . La característica principal de una fibra de este tipo es que admite solo el modo fundamental, independientemente de la longitud de onda o el diámetro del núcleo. Por lo tanto, las microestructuras hacen posible crear una fibra óptica con cualquier apertura numérica dada (desde muy pequeña para un núcleo activo hasta muy grande para guías de ondas de bombeo) con un diámetro de núcleo relativamente grande [46] . Esto último es muy importante para la creación de láseres monomodo de alta potencia, ya que la tecnología de fabricación de fibra convencional requiere un aumento en el diámetro del núcleo para aumentar la potencia, y para la misma onda de generación esto conduce a la propagación de la luz multimodo [47] .

Para bombear iones de tierras raras, se crea una estructura que se asemeja a una fibra óptica de doble capa en el corte FCO . Alrededor del cristal fotónico interno que rodea el núcleo activo, a cierta distancia, se forma otra capa de canales de aire (típicamente alargados en la sección de fibra en dirección radial). La ventaja de una estructura de este tipo, además de una gran apertura numérica, son las bajas pérdidas de radiación de bombeo debido a la ausencia de modos helicoidales y helicoidales que no pasan a través del núcleo activo [46] .

En 2003, se demostró un láser de fibra CW utilizando un FCO de 2,3 m con una eficiencia del 78 % a una potencia de salida máxima de 80 W. En 2006 se creó un láser con la misma eficiencia, una potencia máxima de salida de 320 W ( 550 W/m de fibra activa) y un área modal de 2000 µm 2 . Como en el caso de una fibra convencional, los láseres PCF se caracterizan por una dependencia lineal de la potencia de radiación de salida de la potencia de bombeo [48] .

Aplicación

Ventajas y desventajas

Las ventajas de los láseres de fibra tradicionalmente incluyen una relación significativa entre el área del resonador y su volumen, lo que proporciona refrigeración de alta calidad, estabilidad térmica del silicio y tamaños pequeños de dispositivos en clases similares de requisitos de potencia y calidad. El rayo láser, por regla general, debe conducirse a una fibra óptica para su uso posterior en tecnología. Para láseres de un diseño diferente, esto requiere sistemas especiales de colimación óptica y hace que los dispositivos sean sensibles a las vibraciones. En los láseres de fibra, la radiación se genera directamente en la fibra y tiene una alta calidad óptica. Las desventajas de este tipo de láseres son el riesgo de efectos no lineales debido a la alta densidad de radiación en la fibra y la relativamente baja energía de salida por pulso, debido al pequeño volumen de la sustancia activa [3] [49] .

Los láseres de fibra son superados por los láseres de estado sólido en aplicaciones donde se requiere una alta estabilidad de polarización y el uso de fibra que mantiene la polarización es difícil por varias razones. Los láseres de estado sólido no se pueden reemplazar por láseres de fibra en el rango espectral de 0,7 a 1,0 μm. También tienen más potencial para aumentar la potencia de salida de pulsos en comparación con la fibra. Sin embargo, los láseres de fibra muestran buenos resultados en longitudes de onda en las que no hay medios activos o espejos lo suficientemente buenos para láseres de otros diseños, y permiten que algunos esquemas de láser, como la conversión ascendente, se implementen con menos complejidad [50] .

Aplicaciones

Debido a la amplia variedad de parámetros, los láseres de fibra han encontrado aplicación en muchos campos de actividad. En particular, se utilizan para el grabado y corte de metales en la industria y para el marcado láser de mercancías, donde se necesita un pico de potencia alto de pulsos cortos seguidos a una frecuencia dada. Entonces, para plástico y metal, se usan pulsos de 5 a 10 kW con una duración de 10 a 100 ns a una tasa de repetición de 20 a 200 kHz. Esto le permite cambiar solo las propiedades ópticas de la superficie sin dañar la estructura interna del producto. Los láseres de hasta 60 W se utilizan para soldar acero inoxidable en componentes electrónicos y de instrumentos médicos de décimas de milímetro de espesor. Mostraron buenos resultados en la fabricación de stents [2] .

Véase también

Notas

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