Un láser de fibra (o láser de fibra en inglés de la 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 los amplificadores de fibra dopada , que proporcionan amplificación de luz sin emisión 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 requerida ]
Una ventaja de los láseres de fibra sobre otros tipos de láseres es que la luz láser se genera y se entrega mediante un medio inherentemente flexible, lo que permite una entrega más fácil a la ubicación 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, por lo que pueden proporcionar una ganancia óptica muy alta. Pueden soportar niveles de kilovatios de potencia de salida continua debido a la alta relación entre el área de superficie y el volumen de la fibra , lo que permite un enfriamiento eficiente. Las propiedades de guía de ondas de la fibra reducen o eliminan la distorsión térmica de la trayectoria óptica, lo que generalmente produce un haz óptico de alta calidad y limitado por difracción . 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 tipo varilla más gruesos, para ahorrar espacio. Tienen un menor costo de propiedad . [1] [2] [3] Los láseres de fibra son confiables y exhiben alta temperatura y estabilidad vibratoria y una vida útil prolongada. La alta potencia de pico 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 láser en los láseres de fibra se construye monolíticamente mediante la fusión de diferentes tipos de fibra; las rejillas de Bragg de fibra reemplazan los espejos dieléctricos convencionales para proporcionar retroalimentación óptica . También pueden estar diseñadas para el funcionamiento en modo longitudinal único de láseres de retroalimentación distribuida (DFB) ultraestrechos donde una rejilla de Bragg desplazada en fase se superpone al medio de ganancia. Los láseres de fibra son bombeados por diodos láser semiconductores o por 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 bombeo multimodo se propaga en la capa de revestimiento interior. El revestimiento exterior mantiene confinada esta luz de bombeo. Esta disposición permite bombear el núcleo con un haz de potencia mucho mayor que el que podría propagarse en él de otro modo, y permite la conversión de la luz de bombeo con un brillo relativamente bajo en una señal de mucho mayor brillo. Hay una pregunta 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 admitir solo unos pocos modos (o incluso uno). Debe proporcionar suficiente revestimiento para confinar el núcleo y la sección de bombeo óptico sobre una pieza relativamente corta de la fibra.
La fibra de doble revestimiento cónico (T-DCF) tiene un núcleo y un revestimiento cónicos que permiten escalar la potencia de los amplificadores y láseres sin inestabilidad del modo de lente térmica. [12] [13]
Los recientes avances en la tecnología de láser de fibra han llevado a un rápido y gran aumento en las potencias de haz limitadas por difracción alcanzadas 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 avances continuos en diodos de alta potencia y alto brillo, las potencias de modo transversal único de onda continua de los láseres de fibra dopados con Yb han aumentado de 100 W en 2001 a una potencia demostrada de láser de fibra de haz combinado 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 los amplificadores para pulsos ópticos ultracortos, las intensidades de pico ópticas pueden llegar a ser muy altas, de modo que puede ocurrir una distorsión no lineal perjudicial del pulso o incluso la destrucción del medio de ganancia u otros elementos ópticos. Esto generalmente se evita empleando amplificación de pulso chirped (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 un progreso sobresaliente y entregado 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 significativos son el efecto de lente térmica 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 entre la superficie y el volumen activo de las fibras activas y, por lo tanto, mejorar la disipación de calor, lo que permite el escalamiento de la potencia.
Además, se han utilizado estructuras de doble revestimiento especialmente desarrolladas para reducir los requisitos de brillo de los diodos de bombeo de alta potencia controlando la propagación y la absorción del bombeo entre el revestimiento interior y el núcleo.
Se han desarrollado varios tipos de fibras activas con un área de modo efectiva grande (LMA) para escalamiento de alta potencia, incluidas fibras LMA con un núcleo de baja apertura, [16] fibra microestructurada tipo varilla [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 supera los 20-30 μm. La fibra microestructurada tipo varilla tiene un MFD mucho mayor (hasta 65 μm [20] ) y un buen rendimiento. Una impresionante energía de pulso de 2,2 mJ fue demostrada por un MOPA de femtosegundo [21] que contiene fibras de paso grande (LPF). Sin embargo, la desventaja de los sistemas de amplificación con LPF es que sus fibras de tipo varilla relativamente largas (hasta 1,2 m) no se pueden doblar, lo que significa que el esquema óptico es bastante voluminoso y complicado. [21] La fabricación de LPF es muy compleja y requiere un procesamiento significativo, como la perforación de precisión de las preformas de fibra. Las fibras LPF son muy sensibles a la flexión, lo que significa que la robustez y la portabilidad se ven comprometidas.
Además de los tipos de bloqueo de modo utilizados con otros láseres, los láseres de fibra pueden bloquearse de modo pasivo 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 que la luz de alta intensidad pase 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 absorbentes saturables de semiconductores (SESAM) también se pueden utilizar para bloquear el modo de los láseres de fibra. Una ventaja importante que tienen los SESAM sobre otras técnicas de absorción saturable es que los parámetros del absorbedor 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 los SESAM en el bloqueo de modos de los láseres de fibra, donde se necesita una profundidad de modulación relativamente alta para garantizar el autoarranque y la estabilidad de la operación. Se demostraron con éxito los láseres de fibra que funcionan a 1 μm y 1,5 μm. [23] [24] [25] [26]
Los absorbentes saturables de grafeno también se han utilizado para láseres de fibra con 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 sin bloqueo de modos, se creó con éxito un láser de fibra de solitón oscuro utilizando un láser de fibra dopado con erbio con dispersión totalmente normal con un polarizador en la cavidad. Los hallazgos experimentales indican que, además de la emisión de pulsos brillantes, en condiciones apropiadas, el láser de fibra también podría emitir pulsos oscuros simples o múltiples. Según simulaciones numéricas, la formación de pulsos oscuros en el láser puede ser el resultado de la conformación de solitones oscuros. [30]
La emisión de longitudes de onda múltiples en un láser de fibra demostró la luz coherente azul y verde simultánea utilizando fibra óptica ZBLAN. El láser bombeado en 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 revestidos 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 estos láseres, la luz de bombeo no está confinada dentro del revestimiento de la fibra, sino que la luz de bombeo se entrega 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 de la bobina. [32] [33] [34] [35]
Las aplicaciones de los láseres de fibra incluyen el procesamiento de materiales, las telecomunicaciones , la espectroscopia , la medicina y las armas de energía dirigida . [36]
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