Laser de fibra de itérbio: dispositivo, princípio de funcionamento, potência, produção, aplicação

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Última modificação: 2023-12-17 10:38

Os lasers de fibra são compactos e robustos, apontam com precisão e dissipam a energia térmica com facilidade. Eles vêm em uma variedade de formas e, embora tenham muito em comum com outros tipos de geradores quânticos ópticos, têm suas próprias vantagens.

Lasers de fibra: como funcionam

Dispositivos deste tipo são uma variação de uma fonte padrão de estado sólido de radiação coerente com um meio de trabalho feito de fibra em vez de uma haste, placa ou disco. A luz é gerada por um dopante no centro da fibra. A estrutura básica pode variar de simples a bastante complexa. O design do laser de fibra de itérbio é tal que a fibra tem uma grande proporção de superfície para volume, de modo que o calor pode ser dissipado com relativa facilidade.

Lasers de fibra são bombeados opticamente, na maioria das vezes por geradores quânticos de diodo, mas em alguns casos pelas mesmas fontes. As ópticas usadas nesses sistemas são tipicamente componentes de fibra, com a maioria ou todos eles conectados uns aos outros. Em alguns casosópticas volumétricas são usadas e, às vezes, um sistema de fibra óptica interna é combinado com óptica volumétrica externa.

A fonte de bombeamento de diodo pode ser um diodo, uma matriz ou uma pluralidade de diodos individuais, cada um dos quais é conectado a um conector por um guia de luz de fibra óptica. A fibra dopada possui um espelho ressonador de cavidade em cada extremidade - na prática, as grades de Bragg são feitas na fibra. Não há óptica em massa nas extremidades, a menos que o feixe de saída vá para algo que não seja uma fibra. O guia de luz pode ser torcido, de modo que, se desejado, a cavidade do laser pode ter vários metros de comprimento.

Estrutura de núcleo duplo

A estrutura da fibra utilizada nos lasers de fibra é importante. A geometria mais comum é a estrutura dual core. O núcleo externo não dopado (às vezes chamado de revestimento interno) coleta a luz bombeada e a direciona ao longo da fibra. A emissão estimulada gerada na fibra passa pelo núcleo interno, que geralmente é monomodo. O núcleo interno contém um dopante de itérbio estimulado pelo feixe de luz da bomba. Existem muitas formas não circulares do núcleo externo, incluindo hexagonal, em forma de D e retangular, que reduzem a chance de f alta de feixe de luz no núcleo central.

O laser de fibra pode ser bombeado pela extremidade ou lateral. No primeiro caso, a luz de uma ou mais fontes entra na extremidade da fibra. No bombeamento lateral, a luz é alimentada em um divisor, que a fornece ao núcleo externo. istodifere do laser de haste, onde a luz entra perpendicular ao eixo.

Esta solução requer muito desenvolvimento de design. Uma atenção considerável é dada para direcionar a luz da bomba para o núcleo para produzir uma inversão de população levando à emissão estimulada no núcleo interno. O núcleo do laser pode ter um grau diferente de amplificação dependendo da dopagem da fibra, bem como do seu comprimento. Esses fatores são ajustados pelo engenheiro de projeto para obter os parâmetros necessários.

Limitações de energia podem ocorrer, principalmente ao operar em fibra monomodo. Esse núcleo tem uma área de seção transversal muito pequena e, como resultado, uma luz de intensidade muito alta passa por ele. Ao mesmo tempo, a dispersão Brillouin não linear torna-se cada vez mais perceptível, o que limita a potência de saída a vários milhares de watts. Se o sinal de saída for alto o suficiente, a extremidade da fibra pode ser danificada.

Recursos dos lasers de fibra

Usar fibra como meio de trabalho fornece um longo comprimento de interação que funciona bem com bombeamento de diodo. Essa geometria resulta em alta eficiência de conversão de fótons, bem como em um design robusto e compacto, sem ópticas discretas para ajustar ou alinhar.

O laser de fibra, cujo dispositivo permite uma boa adaptação, pode ser adaptado tanto para soldar chapas grossas de metal quanto para produzir pulsos de femtossegundos. Amplificadores de fibra óptica fornecem amplificação de passagem única e são usados em telecomunicações porque são capazes de amplificar muitos comprimentos de onda simultaneamente. O mesmo ganho é usado em amplificadores de potência com um oscilador mestre. Em alguns casos, o amplificador pode funcionar com um laser CW.

Outro exemplo são as fontes de emissão espontânea amplificadas por fibra nas quais a emissão estimulada é suprimida. Outro exemplo é um laser de fibra Raman com amplificação de dispersão combinada, que altera significativamente o comprimento de onda. Ele encontrou aplicação na pesquisa científica, onde as fibras de vidro de fluoreto são usadas para geração e amplificação Raman, em vez de fibras de quartzo padrão.

No entanto, como regra, as fibras são feitas de vidro de quartzo com um dopante de terras raras no núcleo. Os principais aditivos são itérbio e érbio. O itérbio tem comprimentos de onda de 1030 a 1080 nm e pode irradiar em uma faixa mais ampla. O uso de bombeamento de diodo de 940 nm reduz significativamente o déficit de fótons. O itérbio não tem nenhum dos efeitos de autoextinção que o neodímio tem em altas densidades, então o neodímio é usado em lasers em massa e o itérbio em lasers de fibra (ambos fornecem aproximadamente o mesmo comprimento de onda).

Erbium emite na faixa de 1530-1620 nm, o que é seguro para os olhos. A frequência pode ser duplicada para gerar luz em 780 nm, o que não está disponível para outros tipos de lasers de fibra. Finalmente, o itérbio pode ser adicionado ao érbio de forma que o elemento absorvabombear a radiação e transferir essa energia para o érbio. O túlio é outro dopante de infravermelho próximo, que é, portanto, um material seguro para os olhos.

Alta eficiência

O laser de fibra é um sistema de quase três níveis. O fóton da bomba excita a transição do estado fundamental para o nível superior. Uma transição de laser é uma transição da parte mais baixa do nível superior para um dos estados fundamentais divididos. Isso é muito eficiente: por exemplo, itérbio com um fóton de bomba de 940 nm emite um fóton com comprimento de onda de 1030 nm e um defeito quântico (perda de energia) de apenas cerca de 9%.

Em contraste, o neodímio bombeado a 808nm perde cerca de 24% de sua energia. Assim, o itérbio possui inerentemente uma eficiência mais alta, embora nem tudo seja alcançável devido à perda de alguns fótons. Yb pode ser bombeado em várias bandas de frequência, enquanto o érbio pode ser bombeado em 1480 ou 980 nm. Frequências mais altas não são tão eficientes em termos de defeitos de fótons, mas são úteis mesmo neste caso porque fontes melhores estão disponíveis em 980nm.

Em geral, a eficiência de um laser de fibra é o resultado de um processo de duas etapas. Primeiro, esta é a eficiência do diodo da bomba. Fontes semicondutoras de radiação coerente são muito eficientes, com 50% de eficiência na conversão de um sinal elétrico em óptico. Os resultados dos estudos laboratoriais indicam que é possível atingir um valor de 70% ou mais. Com uma correspondência exata da linha de radiação de saídaabsorção de laser de fibra e alta eficiência da bomba.

Segundo é a eficiência de conversão óptico-óptica. Com um pequeno defeito de fóton, um alto grau de excitação e eficiência de extração pode ser alcançado com uma eficiência de conversão opto-óptica de 60 a 70%. A eficiência resultante está na faixa de 25 a 35%.

Várias configurações

Geradores quânticos de fibra óptica de radiação contínua podem ser mono ou multimodo (para modos transversais). Os lasers de modo único produzem um feixe de alta qualidade para materiais que operam ou irradiam pela atmosfera, enquanto os lasers de fibra industriais multimodo podem gerar alta potência. Isso é usado para corte e soldagem e, em particular, para tratamento térmico onde uma grande área é iluminada.

O laser de fibra de pulso longo é essencialmente um dispositivo quase contínuo, normalmente produzindo pulsos do tipo milissegundo. Normalmente, seu ciclo de trabalho é de 10%. Isso resulta em uma potência de pico mais alta do que no modo contínuo (tipicamente dez vezes mais) que é usado para perfuração de pulso, por exemplo. A frequência pode chegar a 500 Hz, dependendo da duração.

Q-switching em lasers de fibra funciona da mesma forma que em lasers em massa. A duração típica do pulso está na faixa de nanossegundos a microssegundos. Quanto mais longa a fibra, mais tempo leva para Q-switch na saída, resultando em um pulso mais longo.

As propriedades da fibra impõem algumas restrições à comutação Q. A não linearidade de um laser de fibra é mais significativa devido à pequena área de seção transversal do núcleo, portanto, a potência de pico deve ser um pouco limitada. Podem ser usados tanto switches Q volumétricos, que proporcionam melhor desempenho, quanto moduladores de fibra, que são conectados às extremidades da parte ativa.

Os pulsos comutados Q podem ser amplificados na fibra ou em um ressonador de cavidade. Um exemplo deste último pode ser encontrado no National Nuclear Test Simulation Facility (NIF, Livermore, CA), onde um laser de fibra de itérbio é o oscilador mestre para 192 feixes. Pequenos pulsos em grandes placas de vidro dopado são amplificados para megajoules.

Em lasers de fibra bloqueados, a taxa de repetição depende do comprimento do material de ganho, como em outros esquemas de bloqueio de modo, e a duração do pulso depende da largura de banda do ganho. Os mais curtos estão na faixa de 50 fs e os mais típicos estão na faixa de 100 fs.

Existe uma diferença importante entre as fibras de érbio e itérbio, pelo que elas operam em diferentes modos de dispersão. As fibras dopadas com érbio emitem a 1550 nm na região de dispersão anômala. Isso permite a produção de sólitons. As fibras de itérbio estão na região de dispersão positiva ou normal; como resultado, eles geram pulsos com uma frequência de modulação linear pronunciada. Como resultado, uma grade de Bragg pode ser necessária para comprimir o comprimento do pulso.

Existem várias maneiras de modificar pulsos de laser de fibra, particularmente para estudos de picossegundos ultrarrápidos. As fibras de cristal fotônico podem ser feitas com núcleos muito pequenos para produzir fortes efeitos não lineares, como a geração de supercontínuo. Em contraste, cristais fotônicos também podem ser feitos com núcleos monomodo muito grandes para evitar efeitos não lineares em altas potências.

As fibras flexíveis de cristal fotônico de núcleo grande são projetadas para aplicações de alta potência. Uma técnica é dobrar intencionalmente tal fibra para eliminar quaisquer modos indesejados de ordem superior, mantendo apenas o modo transversal fundamental. A não linearidade cria harmônicos; subtraindo e adicionando frequências, ondas mais curtas e mais longas podem ser criadas. Efeitos não lineares também podem comprimir pulsos, resultando em pentes de frequência.

Como uma fonte supercontínua, pulsos muito curtos produzem um amplo espectro contínuo usando modulação de fase própria. Por exemplo, a partir dos pulsos iniciais de 6 ps em 1050 nm que um laser de fibra de itérbio cria, um espectro é obtido na faixa de ultravioleta a mais de 1600 nm. Outra fonte IR supercontínua é bombeada com uma fonte de érbio a 1550 nm.

Alta potência

A indústria é atualmente a maior consumidora de lasers de fibra. A energia está em alta demanda agora.cerca de um quilowatt, usado na indústria automotiva. A indústria automotiva está se movendo em direção a veículos de aço de alta resistência para atender aos requisitos de durabilidade e ser relativamente leve para melhor economia de combustível. É muito difícil para máquinas-ferramenta comuns, por exemplo, fazer furos neste tipo de aço, mas fontes de radiação coerentes facilitam.

Cortar metais com laser de fibra, em comparação com outros tipos de geradores quânticos, tem várias vantagens. Por exemplo, comprimentos de onda do infravermelho próximo são bem absorvidos por metais. O feixe pode ser entregue sobre a fibra, permitindo que o robô mova facilmente o foco ao cortar e perfurar.

Fiber atende aos mais altos requisitos de energia. Uma arma da Marinha dos EUA testada em 2014 consiste em lasers de 6 fibras e 5,5 kW combinados em um feixe e emitindo através de um sistema óptico de formação. A unidade de 33 kW foi usada para destruir um veículo aéreo não tripulado. Embora o feixe não seja de modo único, o sistema é interessante porque permite que você crie um laser de fibra com suas próprias mãos a partir de componentes padrão e prontamente disponíveis.

A fonte de luz coerente monomodo de maior potência da IPG Photonics é de 10 kW. O oscilador mestre produz um quilowatt de potência óptica, que é alimentado no estágio amplificador bombeado a 1018 nm com luz de outros lasers de fibra. Todo o sistema é do tamanho de duas geladeiras.

O uso de lasers de fibra também se espalhou para corte e soldagem de alta potência. Por exemplo, eles substituíramsoldagem por resistência de chapas de aço, resolvendo o problema de deformação do material. O controle de potência e outros parâmetros permite um corte muito preciso de curvas, especialmente cantos.

O laser de fibra multimodo mais potente - uma máquina de corte de metal do mesmo fabricante - atinge 100 kW. O sistema é baseado em uma combinação de um feixe incoerente, portanto, não é um feixe de qualidade ultra- alta. Essa durabilidade torna os lasers de fibra atraentes para a indústria.

Perfuração de concreto

4KW laser de fibra multimodo pode ser usado para corte e perfuração de concreto. Por que isso é necessário? Quando os engenheiros estão tentando obter resistência a terremotos em edifícios existentes, é preciso ter muito cuidado com o concreto. Se o reforço de aço for instalado nele, por exemplo, a perfuração convencional com martelo pode rachar e enfraquecer o concreto, mas os lasers de fibra o cortam sem esmagá-lo.

Geradores quânticos com fibra Q-switched são usados, por exemplo, para marcação ou na produção de eletrônicos semicondutores. Eles também são usados em telêmetros: módulos do tamanho da mão contêm lasers de fibra seguros para os olhos com potência de 4 kW, frequência de 50 kHz e largura de pulso de 5-15 ns.

Tratamento de superfície

Há muito interesse em pequenos lasers de fibra para micro e nanomaquinação. Ao remover a camada superficial, se a duração do pulso for menor que 35 ps, não há respingos do material. Isso evita a formação de depressões eoutros artefatos indesejados. Os pulsos de femtossegundos produzem efeitos não lineares que não são sensíveis ao comprimento de onda e não aquecem o espaço circundante, permitindo a operação sem danos significativos ou enfraquecimento das áreas circundantes. Além disso, os furos podem ser cortados em altas taxas de profundidade/largura, como rapidamente (em milissegundos) fazendo pequenos furos em aço inoxidável de 1 mm usando pulsos de 800 fs a 1 MHz.

Também pode ser usado para tratamento de superfície de materiais transparentes, como olhos humanos. Para cortar um retalho em microcirurgia ocular, os pulsos de femtossegundos são bem focalizados por uma objetiva de alta abertura em um ponto abaixo da superfície ocular, sem causar nenhum dano à superfície, mas destruindo o material ocular em uma profundidade controlada. A superfície lisa da córnea, essencial para a visão, permanece intacta. A aba, separada por baixo, pode então ser puxada para cima para a formação da lente do laser excimer de superfície. Outras aplicações médicas incluem cirurgia de penetração superficial em dermatologia e uso em alguns tipos de tomografia de coerência óptica.

Lasers de femtossegundos

Geradores quânticos de femtossegundos são usados na ciência para espectroscopia de excitação com quebra de laser, espectroscopia de fluorescência resolvida no tempo, bem como para pesquisa geral de materiais. Além disso, eles são necessários para a produção de frequência de femtossegundospentes necessários em metrologia e pesquisa geral. Uma das aplicações reais a curto prazo serão os relógios atômicos para satélites GPS de próxima geração, que melhorarão a precisão do posicionamento.

O laser de fibra de frequência única é produzido com largura de linha espectral inferior a 1 kHz. É um dispositivo impressionantemente pequeno com potência de saída que varia de 10mW a 1W. Encontra aplicação no campo das comunicações, metrologia (por exemplo, em giroscópios de fibra) e espectroscopia.

E agora?

Quanto a outras aplicações de P&D, muitas outras estão sendo exploradas. Por exemplo, um desenvolvimento militar que pode ser aplicado a outras áreas, que consiste em combinar feixes de laser de fibra para obter um feixe de alta qualidade usando combinação coerente ou espectral. Como resultado, mais potência é alcançada no feixe monomodo.

A produção de lasers de fibra está crescendo rapidamente, especialmente para as necessidades da indústria automotiva. Dispositivos sem fibra também estão sendo substituídos por outros de fibra. Além das melhorias gerais em custo e desempenho, geradores quânticos de femtosegundos e fontes supercontínuas estão se tornando cada vez mais práticos. Os lasers de fibra estão se tornando um nicho e estão se tornando uma fonte de melhoria para outros tipos de lasers.