O que é um laser de fibra?
Fibra óptica é a abreviação de fibra óptica e geralmente é um guia de onda cilíndrico para ondas de luz. Ele usa o princípio da reflexão total para confinar as ondas de luz ao núcleo e guiá-las na direção do eixo da fibra. A substituição do fio de cobre pelo vidro de quartzo mudou o mundo.
Como meio de condução de ondas de luz, a fibra óptica tem sido amplamente utilizada desde 1966, quando foi introduzida por Charles Kao, graças à sua alta capacidade de comunicação, alta imunidade a interferências, baixa perda de transmissão, longa distância de retransmissão, boa confidencialidade, adaptabilidade, tamanho pequeno , peso leve e fontes abundantes de matérias-primas. Conhecido como o "pai da fibra óptica", Kao recebeu o Prêmio Nobel de Física em 2009 por seu trabalho. Com a crescente perfeição e praticidade da fibra ótica, ela revolucionou a indústria de telecomunicações e substituiu amplamente o fio de cobre como o principal componente das comunicações modernas.
O sistema de comunicação por fibra óptica é um sistema de comunicação que usa luz como portadora de informações e fibra óptica como meio de guia de onda. Quando a fibra óptica transmite informações, o sinal elétrico é transformado em um sinal óptico, que é então transmitido dentro da fibra. Como uma tecnologia de comunicação emergente, a comunicação por fibra ótica mostrou superioridade incomparável desde o início e atraiu grande interesse e atenção generalizada. O uso generalizado de fibras ópticas nas comunicações também contribuiu para o rápido desenvolvimento de amplificadores de fibra óptica e lasers de fibra ao mesmo tempo. Além das comunicações, os sistemas de fibra óptica também são usados em uma ampla gama de aplicações na medicina, detecção e outros campos.
Fibras ópticas
O meio de ganho de um laser de fibra é a fibra ativa. De acordo com sua estrutura pode ser dividida em fibra monomodo, fibra dupla e fibra de cristal fotônico três.
Fibra óptica monomodo A fibra monomodo consiste em um núcleo, revestimento e camada de revestimento, onde o índice de refração do material do núcleo n1 é maior que o índice de refração do material do revestimento n2, quando o ângulo de incidência da luz incidente é maior que o imagem de ângulo crítico, o feixe de luz no núcleo da emissão total, para que a fibra possa ser ligada ao feixe de luz na propagação do núcleo. O revestimento interno das fibras monomodo não pode desempenhar um papel restritivo para a luz da bomba multimodo, e a abertura numérica do núcleo é baixa, portanto, apenas o acoplamento da luz da bomba monomodo no núcleo pode ser usado para obter a saída do laser. Os primeiros lasers de fibra usavam essa fibra monomodo, resultando em baixa eficiência de acoplamento e lasers com potência de saída na faixa de miliwatts.
Fibras duplamente revestidas
A fim de superar as limitações das fibras convencionais monomodo, dopadas com itérbio (Yb3 plus) em eficiência de conversão e potência de saída, Maurer (R. Maurer) propôs pela primeira vez o conceito de fibras duplas em 1974 . Desde então, não foi até 1988, quando E. Snitzer e outros propuseram a tecnologia de bombeamento de revestimento [3], que os lasers/amplificadores de fibra dopada com Yb de alta potência foram desenvolvidos rapidamente.
Uma fibra de revestimento duplo é uma fibra óptica com uma estrutura especial que adiciona uma camada de revestimento interno à fibra convencional, composta por uma camada de revestimento, uma camada de revestimento interno, uma camada de revestimento externo e um núcleo de fibra dopada. A tecnologia de bombeamento de revestimento é baseada em uma fibra de revestimento duplo, cujo núcleo é permitir que a luz da bomba multimodo seja transmitida no revestimento interno e a luz do laser seja transmitida no núcleo, permitindo a eficiência de conversão de bombeamento e a potência de saída de o laser de fibra seja muito melhorado. A estrutura da fibra de revestimento duplo, a forma do revestimento interno e o método de acoplamento da bomba de luz são as chaves para esta tecnologia.
O núcleo da fibra de revestimento duplo é composto de dióxido de silício (SiO2) dopado com elementos de terras raras, que é o meio do laser e o canal de transmissão do sinal do laser no laser de fibra, correspondente ao comprimento de onda de trabalho. O tamanho transversal (dezenas de vezes o diâmetro de um núcleo convencional) e a abertura numérica do revestimento interno são muito maiores que o do núcleo, e o índice de refração é menor que o do núcleo, o que limita totalmente a propagação da luz do laser dentro do núcleo. Isso cria um grande guia de onda óptico de grande abertura numérica e transversal entre o núcleo e o revestimento externo, o que permite grande abertura numérica, grande corte transversal e luz bombeada multimodo de alta potência para ser acoplada à fibra e confinada à transmissão dentro o revestimento interno sem difusão, facilitando a manutenção do bombeamento óptico de alta densidade de potência. O revestimento externo é composto de um material polimérico com índice de refração menor que o revestimento interno; a camada mais externa é uma camada protetora composta de material orgânico. A área de acoplamento da fibra de revestimento duplo à luz bombeada é determinada pelo tamanho do revestimento interno, ao contrário das fibras monomodo convencionais, que são determinadas apenas pelo núcleo. Por um lado, isso melhora a eficiência do acoplamento de potência do laser de fibra humana, permitindo que a luz da bomba passe várias vezes pelo revestimento interno para excitar íons dopados para emissão do laser; por outro lado, a qualidade do feixe de saída é determinada pela natureza do núcleo da fibra, e a introdução do revestimento interno não destrói a qualidade do feixe da saída do laser de fibra.
Inicialmente, o revestimento interno das fibras de revestimento duplo era cilindricamente simétrico e relativamente simples de fabricar e fácil de acoplar ao pigtail do diodo laser da bomba (LD), mas sua simetria perfeita resultou em um grande número de raios espirais de luz da bomba em o revestimento interno que nunca atingiu a região do núcleo mesmo após reflexões suficientes para ser absorvido pelo núcleo, de modo que mesmo com fibras mais longas ainda há uma grande quantidade de vazamento de luz, dificultando a melhoria da eficiência da conversão. Por esta razão, a simetria cilíndrica do revestimento interno deve ser quebrada.
Fibras de cristal fotônico
Em fibras normais de revestimento duplo, a geometria do núcleo determina a potência do laser de saída. A abertura numérica determina a qualidade do feixe do laser de saída. Devido às limitações de efeitos não lineares, danos ópticos e outros mecanismos físicos em fibras ópticas, um único meio de aumentar o diâmetro do núcleo não pode atender à demanda de operação de modo único com saída de alta potência em fibras de revestimento duplo de campo de modo grande. O surgimento de fibras especiais, como fibras de cristal fotônico (PCF), oferece uma solução técnica eficaz para esse desafio.
O conceito de cristais fotônicos foi introduzido pela primeira vez por E. Yablonovitch em 19871 como uma estrutura periódica com diferentes constantes dielétricas em uma, duas ou três dimensões que permite a propagação da luz na banda de condução fotônica e proíbe a propagação da luz na lacuna da banda fotônica ( PBG). PCFs são cristais fotônicos bidimensionais, também conhecidos como fibras microestruturadas ou fibras porosas, e em 1996 JC Knight et al. produziu os primeiros PCFs com mecanismo de condução de luz semelhante ao das fibras convencionais com reflexão interna total. Depois de 2005, o projeto e a preparação de PCFs de campo de modo grande começaram a se diversificar, com o surgimento de várias formas, incluindo PCFs de canal com vazamento, PCFs em forma de haste, PCFs de grande passo e PCFs multi-core. A área do campo modal da fibra também continuou a aumentar proporcionalmente.
Na aparência, os PCFs são muito semelhantes às fibras monomodo convencionais, mas microscopicamente exibem estruturas complexas de matriz de orifícios. São essas características estruturais que dão aos PCFs vantagens únicas e inigualáveis sobre as fibras convencionais, como transmissão monomodo sem corte, grande área de campo modal, dispersão ajustável e baixa perda limitante, que podem superar muitos dos desafios dos lasers convencionais . Por exemplo, o PCF pode obter operação de modo único em uma área de campo de modo grande, garantindo a qualidade do feixe, reduzindo significativamente a densidade de potência do laser na fibra, reduzindo os efeitos não lineares na fibra e aumentando o limite de dano da fibra; ele pode alcançar uma grande abertura numérica, o que significa que mais acoplamento óptico de bomba e saída de laser de maior potência podem ser alcançados. Isso o tornou um novo destaque de pesquisa em lasers de fibra, desempenhando um papel cada vez mais importante na aplicação de lasers de fibra de alta potência.
A invenção do laser de fibra
Os lasers que usam fibras ópticas como meio de ganho do laser são conhecidos como lasers de fibra. Como outros tipos de lasers, consiste em três partes: o meio de ganho, a fonte da bomba e a cavidade ressonante. os lasers de fibra usam uma fibra ativa com um núcleo dopado com elementos de terras raras como meio de ganho. Um laser semicondutor é geralmente usado como fonte de bombeamento. A cavidade ressonante é geralmente composta de espelhos refletivos, superfícies de extremidade de fibra, espelhos de anel de fibra ou grades de fibra.
De acordo com as características do domínio do tempo do laser de fibra, ele pode ser dividido em laser de fibra contínua e laser de fibra pulsada; de acordo com a estrutura da cavidade ressonante, pode ser dividido em laser de fibra de cavidade linear, laser de fibra de feedback distribuído e laser de fibra de cavidade em anel; de acordo com a fibra de ganho e os diferentes métodos de bombeamento, pode ser dividido em laser de fibra de revestimento único (bombeamento de núcleo de fibra) e laser de fibra de revestimento duplo (bombeamento de revestimento).
Em 1961, Snitzer descobriu a radiação laser em guias de onda de vidro dopado com neodímio (Nd). Em 1966, Kao estudou detalhadamente as principais causas da atenuação da luz nas fibras ópticas e apontou os principais problemas técnicos que precisam ser resolvidos para a aplicação prática das fibras ópticas nas comunicações. Em 1970, a Corning nos EUA desenvolveu fibras ópticas com atenuação inferior a 20 dB/km, que lançou as bases para o desenvolvimento da indústria de comunicações ópticas e optoeletrônica. Isso lançou as bases para o desenvolvimento das indústrias de comunicações ópticas e optoeletrônica. Nas décadas de 1970 e 1980, o amadurecimento e a comercialização da tecnologia de laser semicondutor forneceram uma fonte de bombeamento confiável e diversificada para o desenvolvimento de lasers de fibra. Ao mesmo tempo, o desenvolvimento do método de deposição de vapor químico reduz continuamente a perda de transmissão da fibra óptica. Os lasers de fibra também estão se desenvolvendo rapidamente na direção da diversificação, com fibras dopadas com uma variedade de elementos de terras raras, como érbio (Er3 plus ), itérbio (Yb3 plus ), neodímio (Nd3 plus ), samário (Sm 3 plus ), túlio (Tm3 mais), hólmio (Ho3 mais), praseodímio (Pr3 mais), disprósio (Dy3 mais), bismuto (Bi3 mais) e assim por diante. Dependendo dos íons dopados, diferentes comprimentos de onda de saída do laser podem ser alcançados. Para atender aos requisitos de diferentes aplicações.
Características dos lasers de fibra de alta potência
As vantagens dos lasers de fibra de alta potência são as seguintes.
(1) Boa qualidade do feixe. A estrutura do guia de onda da fibra óptica facilita a obtenção de uma única saída de modo transversal, e a influência de fatores externos é muito pequena, para obter uma saída de laser de alto brilho.
(2) Alta eficiência. Laser de fibra, escolhendo o comprimento de onda de emissão e as características de absorção de elementos de terras raras dopadas do laser semicondutor para a fonte da bomba, você pode obter uma eficiência de conversão de luz muito alta. Para lasers de fibra de alta potência dopados com itérbio, geralmente escolha lasers semicondutores de 915nm ou 975nm, devido à estrutura de nível de energia simples de Yb3 plus, upconversion, absorção de estado excitado e rajadas de concentração são menos prováveis de ocorrer, a vida útil da fluorescência é mais longa e pode efetivamente armazenar energia para operação de alta potência. A eficiência eletro-óptica geral dos lasers de fibra comerciais é de até 25 por cento, o que leva à redução de custos, economia de energia e proteção ambiental.
(3) Boas características de dissipação de calor. Os lasers de fibra são usados como um meio de ganho de laser usando uma fibra fina dopada com elementos de terras raras com uma área de superfície muito grande em relação ao volume. Cerca de 1000 vezes o laser de bloco sólido, em termos de capacidade de dissipação de calor tem uma vantagem natural. Nenhum resfriamento especial da fibra é necessário para casos de baixa e média potência, e o resfriamento a água é usado para casos de alta potência, o que também evita efetivamente a degradação da qualidade e eficiência do feixe devido a efeitos térmicos comumente encontrados em lasers de estado sólido.
(4) Estrutura compacta, alta confiabilidade. Como o laser de fibra usa uma fibra pequena e flexível como meio de ganho do laser, ajuda a comprimir o volume e economizar custos. A fonte da bomba também é usada em lasers semicondutores de tamanho pequeno, fáceis de modulares, produtos comerciais geralmente disponíveis com saída pigtail, combinados com grade de Bragg de fibra e outros dispositivos de fibra óptica, desde que esses dispositivos sejam fundidos entre si para obter fibra total, imunidade a distúrbios ambientais, com alta estabilidade, pode economizar tempo e custos de manutenção.
Os lasers de fibra de alta potência também têm desvantagens difíceis de superar: uma delas é a vulnerabilidade a efeitos não lineares. Os lasers de fibra têm um longo comprimento efetivo e um baixo limite para vários efeitos não lineares devido à geometria de seus guias de onda. Alguns efeitos não lineares nocivos, como espalhamento Raman excitado (SRS), automodulação de fase (SPM), etc. lasers. O segundo é o efeito de escurecimento do fóton. Com o aumento do tempo de bombeamento, o efeito de escurecimento do fóton pode levar a uma alta concentração de dopagem de fibra dopada com elemento de terra rara, eficiência de conversão de energia monotonicamente irreversível, limitando a estabilidade a longo prazo e a vida útil dos lasers de fibra de alta potência, o que é particularmente óbvio em lasers de fibra de alta potência dopados com itérbio.
Com o avanço dos lasers de semicondutores acoplados a fibra de alto brilho e da tecnologia de fibra dupla face, a potência de saída, a eficiência da conversão óptica para óptica e a qualidade do feixe dos lasers de fibra de alta potência se desenvolveram significativamente. No processamento industrial, armas de energia direcionada, telemetria de longo alcance, LIDAR e outras aplicações de tração de grande demanda, para os Estados Unidos Apache Photonics (IPG Photonics), Nufern (Nufern), Nlight (Nlight) e Germany Tong Express Group, principalmente unidades de pesquisa em onda contínua, pesquisa e desenvolvimento de laser de fibra de alta potência de onda de pulso, lançaram uma rica linha de produtos. Resultados empolgantes também foram relatados por várias unidades na China, incluindo a Universidade de Tsinghua, a Universidade Nacional de Tecnologia de Defesa, o Instituto de Óptica e Máquinas de Precisão de Xangai da Academia Chinesa de Ciências e o Quarto Instituto de Pesquisa da China Aerospace Science and Corporação da Indústria.
Tecnologia de aprimoramento de energia do laser de fibra
Devido aos efeitos não lineares no laser de fibra, efeitos térmicos e limitações de limite de danos materiais, a potência de saída de um único laser de fibra é limitada até certo ponto e, à medida que a potência aumenta, a qualidade do feixe diminui gradualmente, exigindo o uso da tecnologia de controle de modo e o design de uma estrutura especial da nova fibra para melhorar a qualidade do feixe. Dawson (JW Dawson) et al analisaram teoricamente o limite de potência de saída de uma única fibra e calcularam que em lasers de fibra de banda larga uma única fibra pode obter uma potência máxima de 36 kW perto da saída do laser de limite de difração, enquanto para lasers de fibra de largura de linha estreita, o máximo potência é de 2 kW. A fim de aumentar ainda mais a potência de saída do laser de fibra e do amplificador, a síntese de energia de vários lasers de fibra pela tecnologia de síntese coerente é um método eficaz. Tornou-se um hotspot de pesquisa internacional nos últimos anos.
A síntese coerente é alcançada controlando a fase, a frequência e a polarização de cada feixe de laser com uma certa consistência, de modo que atenda à condição de coerência e obtenha uma saída homogênea de bloqueio de fase, que pode obter uma intensidade de pico muito maior do que simples não coerente superposição e manter a boa qualidade do feixe. A história do desenvolvimento da tecnologia de síntese coerente é quase tão longa quanto a história dos próprios lasers e envolve vários tipos de lasers de gás, lasers químicos, lasers de semicondutores, lasers de estado sólido, etc. No entanto, devido à imaturidade de vários dispositivos nos primeiros dias, os resultados experimentais alcançados pela tecnologia de síntese coerente não ultrapassaram a potência máxima de saída do laser de link único correspondente na época, então o efeito não era muito óbvio. A partir da década de 1990, o advento dos lasers de fibra levou a um rápido desenvolvimento de técnicas de síntese coerente. Além das vantagens exclusivas dos lasers de fibra e da necessidade de uso tático de centenas de quilowatts, vários dispositivos (ou seja, acopladores de cone de fibra, fibras multinúcleo, moduladores de fase com pigtails e deslocadores de frequência acústico-óptica, etc.) desempenharam um papel importante. desempenha um papel crucial na implantação comercial de comunicações de fibra óptica. Acopladores de cone de fibra e fibras multicore facilitam o controle de fase passivo baseado em acoplamento de injeção de energia laser e acoplamento de onda rápida, enquanto moduladores de fase com pigtails e deslocadores de frequência acústico-óptica permitem controle de fase ativo com larguras de banda de controle de megahertz, que podem ser usadas para controlar flutuações de fase em condições de alta potência e alcançar saídas com bloqueio de fase. Os pesquisadores propuseram uma série de esquemas distintos de síntese coerente.
A síntese espectral é uma técnica de síntese não coerente que usa uma ou mais grades de difração para difratar vários subfeixes na mesma abertura, resultando em uma saída de abertura única com boa qualidade de feixe. A síntese espectral de lasers de fibra pode fazer pleno uso da ampla largura de banda de ganho de lasers de fibra dopados com Yb para compensar a potência de saída limitada de um único laser de fibra.
