¿Para qué se utiliza un láser de fibra? ¿Cómo funcionan los láseres de fibra óptica? Características del láser de fibra？

Máquina de láser de fibra/Láser de fibra resonante

La máquina de láser de fibra se refiere a un láser que utiliza fibra de vidrio dopada con tierras raras como medio de ganancia. Los láseres de fibra se pueden desarrollar sobre la base de amplificadores de fibra: la alta densidad de potencia se forma fácilmente en la fibra bajo la acción de la luz de la bomba, lo que hace que el material de trabajo del láser tenga un nivel de energía láser. cavidad), se puede formar la salida de oscilación del láser.

Propiedad:

Fuente de luz de fibra óptica de banda ancha

Componente clave:

cavidad resonante

Principio:

Utilice fibra dopada de elementos de tierras raras

Introducción

El láser de fibra tiene una amplia gama de aplicaciones, incluida la comunicación por fibra láser, las telecomunicaciones espaciales con láser, la construcción naval industrial, la fabricación de automóviles, el grabado láser, el marcado láser, el corte por láser, los rodillos de impresión, la perforación / corte / soldadura de metal y no metal (soldadura fuerte, temple) ) Agua, revestimiento y soldadura profunda), seguridad de defensa militar y nacional, equipos y equipos médicos, infraestructura a gran escala, como fuente de bombeo de otros láseres, etc.

La generación de la señal láser requiere tres condiciones básicas: número de partículas de giro inverso, la presencia de retroalimentación óptica y el umbral del láser. Por lo tanto, el láser está compuesto de una sustancia de trabajo, una fuente de bomba y una cavidad resonante. La estructura básica del láser de fibra es la siguiente. La fibra de ganancia es el medio de ganancia que genera fotones; la luz de la bomba se usa como energía externa para hacer que el medio de ganancia alcance el número de partículas de giro inverso, que es la fuente de la bomba; La cavidad óptica resonante está compuesta por dos espejos. La función es hacer que los fotones reciban retroalimentación y se amplifiquen en el medio de trabajo. La luz bombeada ingresa a la fibra de ganancia y se absorbe, lo que a su vez hace que el nivel de energía en la ganancia sea media. Cuando la ganancia en la cavidad resonante es mayor que la pérdida, se forma una oscilación láser entre los dos espejos, lo que resulta en una salida de señal láser.

Características del láser de fibra.

(1) Buena calidad del haz.

La estructura de la guía de onda de la fibra determina que el láser de fibra es fácil de obtener una salida de modo transversal único, y no se ve afectado por factores externos, y puede lograr una salida de láser de alto brillo.

(2) Alta eficiencia.

Los láseres de fibra pueden lograr una alta eficiencia de conversión de luz a luz seleccionando láseres de semiconductores con longitudes de onda de emisión coincidentes y características de absorción de elementos de tierras raras dopadas como fuentes de bombeo. Para los láseres de fibra de alta potencia dopados con iterbio, generalmente se seleccionan láseres semiconductores de 915 nm o 975 nm, que tienen una vida útil de fluorescencia más larga y pueden almacenar energía de manera efectiva para lograr una operación de alta potencia. La eficiencia electroóptica general de los láseres de fibra comerciales es tan alta como 25%, lo que conduce a la reducción de costos, ahorro de energía y protección del medio ambiente.

(3) Buenas características de disipación de calor.

El láser de fibra utiliza una delgada fibra dopada de tierras raras como medio de ganancia del láser, y su relación superficie / volumen es muy grande. Es aproximadamente 1000 veces mayor que un láser sólido a granel, lo que tiene una ventaja natural en la disipación de calor. No es necesario un enfriamiento especial de la fibra óptica en situaciones de baja a media potencia, y la disipación de calor enfriada por agua se usa en situaciones de alta potencia, lo que también puede evitar de manera efectiva la caída en la calidad del haz y la eficiencia causada por los efectos térmicos. que son comunes en los láseres de estado sólido.

(4) Estructura compacta y alta confiabilidad.

Dado que el láser de fibra utiliza una fibra pequeña y flexible como medio de ganancia del láser, es beneficioso comprimir el volumen y ahorrar costos. La fuente de la bomba también es un láser semiconductor de pequeño tamaño y fácil de modularizar. Los productos comerciales generalmente se pueden obtener con coletas, combinados con dispositivos basados ​​en fibra como las rejillas Bragg de fibra. Mientras estos dispositivos estén fusionados entre sí, se puede realizar la fibra completa. Alta inmunidad a perturbaciones y alta estabilidad, lo que puede ahorrar tiempo y costos de mantenimiento.

Categorías existentes de láseres de fibra

Clasificado según el tipo de material de fibra

1. Láser de fibra de cristal. El material de trabajo es fibra de cristal láser, principalmente láser de fibra de cristal único rubí, y láser de fibra de cristal único nd3 +: YAG.

2. Láser de fibra óptica no lineal. Existen principalmente láseres de fibra de dispersión Raman estimulados y láseres de fibra de dispersión Brillouin estimulados.

3. Láseres de fibra dopada de tierras raras. El material matricial de la fibra óptica es el vidrio, y la fibra óptica está dopada con iones de elementos de tierras raras para activarla y hacer un láser de fibra.

4. Láser de fibra plástica. Dopando tinte láser en el núcleo o revestimiento de la fibra óptica de plástico para hacer un láser de fibra.

Clasificado por medio de ganancia:

1. Láser de fibra de cristal. El material de trabajo es fibra de cristal láser, principalmente láser de fibra de cristal único rubí y láser de fibra de cristal único Nd3 +: YAG.

2. Láser de fibra óptica no lineal. Existen principalmente láseres de fibra de dispersión Raman estimulados y láseres de fibra de dispersión Brillouin estimulados.

3. Láseres de fibra dopada de tierras raras. Los iones de elementos de tierras raras se dopan en la fibra para activarla (Nd3 +, Er3 +, Yb3 +, Tm3 +, etc., la matriz puede ser vidrio de cuarzo, vidrio de fluoruro de circonio, cristal único) para hacer un láser de fibra.

4. Láser de fibra plástica. Dopando tinte láser en el núcleo o revestimiento de la fibra óptica de plástico para hacer un láser de fibra.

Clasificado por estructura de cavidad

Dividido en cavidad F-P, cavidad de anillo, resonador de fibra de reflector de bucle y cavidad de forma \"8\", láser de fibra DBR, láser de fibra DFB, etc.

Clasificado por estructura de fibra

Dividido en láser de fibra de revestimiento simple, láser de fibra de revestimiento doble, láser de fibra de cristal fotónico, láser de fibra especial.

Clasificado por las características del láser de salida

Dividido en láseres de fibra continua y láseres de fibra pulsada, entre los cuales los láseres de fibra pulsada se pueden dividir en láseres de fibra con conmutación Q (ancho de pulso del orden de ns) y láseres de fibra de modo bloqueado (ancho de pulso del orden de ps o fs) de acuerdo con el principio de formación de pulso.

Como representante de la tecnología láser de tercera generación, los láseres de fibra tienen las siguientes ventajas

(1) Las ventajas de la miniaturización y la intensidad provocadas por el bajo costo de fabricación de la fibra óptica de vidrio, la tecnología madura y la flexibilidad de la fibra óptica.

(2) La fibra de vidrio no necesita tener una coincidencia de fase estricta para la luz incidente de la bomba como un cristal. Esto se debe a que el ensanchamiento no uniforme causado por la división de la matriz de vidrio da como resultado una banda de absorción más ancha.

(3) El material de vidrio tiene una relación volumen-área muy baja, disipación de calor rápida y baja pérdida, por lo que la eficiencia de conversión es alta y el umbral del láser es bajo.

(4) El láser de salida tiene muchas longitudes de onda: esto se debe a que los niveles de energía de los iones de tierras raras son muy ricos y hay muchos tipos de iones de tierras raras.

(5) Capacidad de sintonización: debido al amplio nivel de energía de los iones de tierras raras y al amplio espectro de fluorescencia de la fibra de vidrio.

(6) Debido a que no existe una lente óptica en la cavidad resonante del láser de fibra, tiene las ventajas de una alta estabilidad sin ajustes, sin mantenimiento y alta, que no tiene comparación con los láseres tradicionales.

(7) La fibra óptica se exporta, de modo que el láser puede calificarse fácilmente para diversas aplicaciones de procesamiento espacial multidimensional y arbitrario, lo que hace que el diseño del sistema mecánico sea muy simple.

(8) Competente en entornos de trabajo hostiles, con alta tolerancia al polvo, golpes, impactos, humedad y temperatura.

(9) No necesita refrigeración termoeléctrica ni refrigeración por agua, solo refrigeración por aire simple.

(10) Alta eficiencia electro-óptica: la eficiencia electro-óptica integral es tan alta como 20%, lo que ahorra en gran medida el consumo de energía durante el trabajo y los costos operativos.

(11) El láser de fibra comercial de alta potencia es de seis kilovatios.