Un láser de fibra (o laser de fibra en inglés Commonwealth ) es un láser en el que el medio de ganancia activo es una fibra óptica dopada con elementos de tierras raras como erbio , iterbio , neodimio , disprosio , praseodimio , tulio y holmio . Están relacionados con amplificadores de fibra dopada , que proporcionan amplificación de luz sin láser .
Las no linealidades de la fibra , como la dispersión Raman estimulada o la mezcla de cuatro ondas, también pueden proporcionar ganancia y, por lo tanto, servir como medio de ganancia para un láser de fibra. [ cita necesaria ]
Una ventaja de los láseres de fibra sobre otros tipos de láseres es que la luz láser es generada y entregada por un medio inherentemente flexible, lo que permite una entrega más fácil al lugar de enfoque y al objetivo. Esto puede ser importante para el corte, la soldadura y el plegado por láser de metales y polímeros. Otra ventaja es la alta potencia de salida en comparación con otros tipos de láser. Los láseres de fibra pueden tener regiones activas de varios kilómetros de largo y, por lo tanto, pueden proporcionar una ganancia óptica muy alta. Pueden soportar niveles de kilovatios de potencia de salida continua debido a la alta relación superficie - volumen de la fibra , lo que permite un enfriamiento eficiente. Las propiedades de la guía de ondas de la fibra reducen o eliminan la distorsión térmica de la trayectoria óptica, produciendo normalmente un haz óptico de alta calidad con difracción limitada . Los láseres de fibra son compactos en comparación con los láseres de estado sólido o de gas de potencia comparable, porque la fibra se puede doblar y enrollar, excepto en el caso de diseños de varilla más gruesa, para ahorrar espacio. Tienen un menor costo de propiedad . [1] [2] [3] Los láseres de fibra son confiables y exhiben estabilidad vibratoria y de alta temperatura y una vida útil prolongada. La alta potencia máxima y los pulsos de nanosegundos mejoran el marcado y el grabado. La potencia adicional y la mejor calidad del haz proporcionan bordes de corte más limpios y velocidades de corte más rápidas. [4] [5]
A diferencia de la mayoría de los otros tipos de láseres, la cavidad del láser en los láseres de fibra se construye monolíticamente mediante el empalme por fusión de diferentes tipos de fibra; Las rejillas de fibra de Bragg reemplazan los espejos dieléctricos convencionales para proporcionar retroalimentación óptica . También pueden diseñarse para el funcionamiento en modo longitudinal único de láseres de retroalimentación distribuida (DFB) ultraestrechos donde una rejilla de Bragg desfasada se superpone al medio de ganancia. Los láseres de fibra son bombeados por diodos láser semiconductores u otros láseres de fibra.
Muchos láseres de fibra de alta potencia se basan en fibra de doble revestimiento . El medio de ganancia forma el núcleo de la fibra, que está rodeado por dos capas de revestimiento. El modo láser se propaga en el núcleo, mientras que un haz de bomba multimodo se propaga en la capa de revestimiento interior. El revestimiento exterior mantiene confinada la luz de esta bomba. Esta disposición permite bombear el núcleo con un haz de potencia mucho mayor que el que de otro modo podría propagarse en él, y permite la conversión de la luz de la bomba con un brillo relativamente bajo en una señal de mucho mayor brillo. Existe una cuestión importante sobre la forma de la fibra de doble revestimiento; una fibra con simetría circular parece ser el peor diseño posible. [6] [7] [8] [9] [10] [11] El diseño debe permitir que el núcleo sea lo suficientemente pequeño como para soportar solo unos pocos (o incluso uno) modos. Debería proporcionar un revestimiento suficiente para confinar el núcleo y la sección de la bomba óptica sobre una pieza relativamente corta de la fibra.
La fibra cónica de doble revestimiento (T-DCF) tiene un núcleo y un revestimiento cónicos que permiten escalar la potencia de amplificadores y láseres sin inestabilidad del modo de lente térmica. [12] [13]
Los desarrollos recientes en la tecnología de láser de fibra han llevado a un aumento rápido y grande en las potencias de haz limitadas por difracción logradas a partir de láseres de estado sólido bombeados por diodos . Debido a la introducción de fibras de área de modo grande (LMA), así como a los continuos avances en diodos de alta potencia y alto brillo, las potencias de modo transversal único de onda continua de los láseres de fibra dopada con Yb han aumentado de 100 W en 2001 a una potencia combinada. El láser de fibra de haz demostró una potencia de 30 kW en 2014. [14]
Los láseres de fibra de alta potencia promedio generalmente consisten en un oscilador maestro de potencia relativamente baja , o láser semilla, y un esquema de amplificador de potencia (MOPA). En amplificadores para impulsos ópticos ultracortos, las intensidades de los picos ópticos pueden llegar a ser muy altas, de modo que puede producirse una distorsión no lineal perjudicial del impulso o incluso la destrucción del medio de ganancia u otros elementos ópticos. Esto generalmente se evita empleando amplificación de pulso chirriado (CPA). Las tecnologías de láser de fibra de alta potencia de última generación que utilizan amplificadores de tipo varilla han alcanzado 1 kW con pulsos de 260 fs [15] y han logrado avances sobresalientes y han brindado soluciones prácticas para la mayoría de estos problemas.
Sin embargo, a pesar de las atractivas características de los láseres de fibra, surgen varios problemas al escalar la potencia. Los más importantes son las lentes térmicas y la resistencia del material, los efectos no lineales como la dispersión Raman estimulada (SRS), la dispersión Brillouin estimulada (SBS), las inestabilidades de modo y la mala calidad del haz de salida.
El principal enfoque para resolver los problemas relacionados con el aumento de la potencia de salida de los pulsos ha sido aumentar el diámetro del núcleo de la fibra. Se desarrollaron fibras activas especiales con modos grandes para aumentar la relación superficie-volumen activo de las fibras activas y, por lo tanto, mejorar la disipación de calor permitiendo el escalado de potencia.
Además, se han utilizado estructuras de doble revestimiento especialmente desarrolladas para reducir los requisitos de brillo de los diodos de bomba de alta potencia controlando la propagación y absorción de la bomba entre el revestimiento interior y el núcleo.
Se han desarrollado varios tipos de fibras activas con una gran área de modo efectivo (LMA) para escalado de alta potencia, incluidas fibras LMA con un núcleo de baja apertura, [ 16] fibra tipo varilla microestructurada [15] [17] núcleo helicoidal [ 18] o fibras acopladas quiralmente, [19] y fibras cónicas de doble revestimiento (T-DCF). [12] El diámetro del campo modal (MFD) logrado con estas tecnologías de baja apertura [15] [16] [17] [18] [19] generalmente no excede los 20–30 μm. La fibra tipo varilla microestructurada tiene un MFD mucho mayor (hasta 65 μm [20] ) y un buen rendimiento. Un MOPA de femtosegundo [21] que contiene fibras de paso grande (LPF) demostró una impresionante energía de pulso de 2,2 mJ . Sin embargo, el inconveniente de los sistemas de amplificación con LPF son sus fibras tipo varilla relativamente largas (hasta 1,2 m) que no se pueden doblar, lo que supone un esquema óptico bastante voluminoso y engorroso. [21] La fabricación de LPF es muy compleja y requiere un procesamiento importante, como la perforación de precisión de las preformas de fibra. Las fibras LPF son muy sensibles a la flexión, lo que compromete su robustez y portabilidad.
Además de los tipos de bloqueo de modo que se utilizan con otros láseres, los láseres de fibra se pueden bloquear de modo pasivamente utilizando la birrefringencia de la propia fibra. [22] El efecto Kerr óptico no lineal provoca un cambio en la polarización que varía con la intensidad de la luz. Esto permite que un polarizador en la cavidad del láser actúe como un absorbente saturable , bloqueando la luz de baja intensidad pero permitiendo el paso de la luz de alta intensidad con poca atenuación. Esto permite que el láser forme pulsos de modo bloqueado y luego la no linealidad de la fibra da forma a cada pulso en un pulso de solitón óptico ultracorto .
Los espejos semiconductores absorbentes saturables (SESAM) también se pueden utilizar para bloquear el modo de láseres de fibra. Una ventaja importante que tienen los SESAM sobre otras técnicas de absorción saturable es que los parámetros del absorbente se pueden adaptar fácilmente para satisfacer las necesidades de un diseño de láser particular. Por ejemplo, la fluencia de saturación se puede controlar variando la reflectividad del reflector superior, mientras que la profundidad de modulación y el tiempo de recuperación se pueden adaptar cambiando las condiciones de crecimiento a baja temperatura para las capas absorbentes. Esta libertad de diseño ha ampliado aún más la aplicación de SESAM al modelado de láseres de fibra donde se necesita una profundidad de modulación relativamente alta para garantizar el arranque automático y la estabilidad operativa. Se demostró con éxito la utilización de láseres de fibra que funcionan a 1 µm y 1,5 µm. [23] [24] [25] [26]
También se han utilizado absorbentes saturables de grafeno para láseres de fibra de bloqueo de modo. [27] [28] [29] La absorción saturable del grafeno no es muy sensible a la longitud de onda, lo que lo hace útil para láseres sintonizables con bloqueo de modo.
En el régimen de bloqueo sin modo, se creó con éxito un láser de fibra de solitón oscuro utilizando un láser de fibra dopado con erbio de dispersión normal con un polarizador en la cavidad. Los resultados experimentales indican que, además de la emisión de pulsos brillantes, en las condiciones adecuadas el láser de fibra también podría emitir uno o varios pulsos oscuros. Según simulaciones numéricas, la formación de pulsos oscuros en el láser puede ser el resultado de la formación de solitones oscuros. [30]
La emisión de múltiples longitudes de onda en un láser de fibra demostró luz coherente azul y verde simultánea utilizando fibra óptica ZBLAN. El láser bombeado por el extremo se basó en un medio de ganancia óptica de conversión ascendente que utiliza un láser semiconductor de longitud de onda más larga para bombear una fibra de fluoruro dopada con Pr3+/Yb3+ que utiliza espejos dieléctricos recubiertos en cada extremo de la fibra para formar la cavidad. [31]
Otro tipo de láser de fibra es el láser de disco de fibra . En tales láseres, la bomba no está confinada dentro del revestimiento de la fibra, sino que la luz de la bomba se envía a través del núcleo varias veces porque está enrollado sobre sí mismo. Esta configuración es adecuada para el escalado de potencia en el que se utilizan muchas fuentes de bombeo alrededor de la periferia del serpentín. [32] [33] [34] [35]
Las aplicaciones de los láseres de fibra incluyen procesamiento de materiales, telecomunicaciones , espectroscopia , medicina y armas de energía dirigida . [36]
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