¿Se ha preguntado alguna vez cómo la tecnología punta consigue tanta precisión? Los láseres de fibra, una maravilla de la ingeniería moderna, utilizan fibras de vidrio dopadas con tierras raras para generar haces láser muy eficaces y versátiles. En este artículo, descubrirá la mecánica que hay detrás de los láseres de fibra, explorará sus distintos tipos y comprenderá sus numerosas aplicaciones industriales. Desde el corte de alta potencia hasta el marcado delicado, descubra cómo los láseres de fibra están revolucionando los procesos de fabricación y qué los hace superiores a las tecnologías láser tradicionales. Sumérjase y descubra el futuro de la tecnología láser.
Un láser de fibra es un láser que utiliza fibras de vidrio dopadas con elementos de tierras raras como medio de ganancia.
Puede desarrollarse a partir de los amplificadores de fibra: bajo la acción de la luz de bombeo, se forma fácilmente una alta densidad de potencia en la fibra, lo que provoca la "inversión de población" de los niveles de energía láser en el material emisor de láser.
Cuando se añade un bucle de realimentación positiva adecuado (formando una cavidad resonante), se puede formar la salida de oscilación del láser.
Según los tipos de materiales de fibra, los láseres de fibra pueden dividirse en:
(1) Láseres de fibra de cristal.
El material de trabajo es la fibra de cristal láser, incluidos los láseres de fibra monocristalina de rubí y los láseres de fibra monocristalina de Nd3+: YAG, entre otros.
(2) Láseres de fibra óptica no lineal.
Los principales tipos son los láseres de fibra de dispersión Raman estimulada y los láseres de fibra de dispersión Brillouin estimulada.
(3) Láseres de fibra dopada con tierras raras.
El material base de la fibra es el vidrio, y los iones de elementos de tierras raras se dopan en la fibra para activarla, creando así un láser de fibra.
(4) Láseres de fibra de plástico.
Los colorantes láser se dopan en el núcleo o el revestimiento de las fibras de plástico para crear láseres de fibra.
Como representante de la tecnología láser de tercera generación, los láseres de fibra presentan las siguientes ventajas:
La llegada de las fibras de doble revestimiento es, sin duda, un gran avance en el campo de la fibra, que hace realidad la fabricación de láseres de fibra de alta potencia y amplificadores ópticos de alta potencia.
Desde que E. Snitzer describió por primera vez los láseres de fibra bombeados por revestimiento en 1988, la tecnología de bombeo por revestimiento se ha aplicado ampliamente a los láseres y amplificadores de fibra, convirtiéndose en el método preferido para producir láseres de fibra de alta potencia.
La tecnología de bombeo del revestimiento consta de cuatro capas:
Núcleo de fibra;
Revestimiento interior;
Revestimiento exterior;
Capa protectora.
La luz de bombeo se acopla al revestimiento interior (que generalmente adopta una estructura irregular, incluida la elíptica, cuadrada, en flor de ciruelo, en forma de D, hexagonal, etc.), la luz se refleja hacia delante y hacia atrás entre los revestimientos interior y exterior (generalmente diseñados para ser circulares), y es absorbida por el núcleo de fibra monomodo tras múltiples cruces.
Esta estructura no requiere que la luz de bombeo sea un láser monomodo y puede bombear toda la longitud de la fibra, por lo que se puede elegir un conjunto de diodos láser multimodo de alta potencia como fuente de bombeo, acoplando indirectamente más de 70% de la energía de bombeo al núcleo de la fibra, lo que mejora enormemente la eficacia de bombeo.
Las características de la tecnología de bombeo de revestimiento determinan el excelente rendimiento de esta tipo de láser:
(1) Alta potencia
Un grupo de módulos de diodos de bombeo multimodo puede emitir 100 vatios de potencia óptica, y la configuración en paralelo de varios diodos de bombeo multimodo permite diseñar láseres de fibra de salida de alta potencia.
(2) No se necesitan refrigeradores termoeléctricos
Este diodo multimodo de alta potencia y amplia superficie puede funcionar a altas temperaturas y sólo requiere una sencilla refrigeración por aire, que es de bajo coste.
(3) Amplia gama de longitudes de onda de bombeo
La fibra de revestimiento activo dopada con elementos de tierras raras de erbio/itterbio en láseres de fibra de alta potencia tiene un rango de absorción de ondas luminosas amplio y plano (930-970 nm), por lo que los diodos de bombeo no requieren ningún tipo de dispositivo de estabilización de la longitud de onda.
(4) Alta eficacia
La luz de bombeo atraviesa el núcleo de fibra monomodo varias veces, por lo que su utilización es elevada.
(5) Alta fiabilidad
Los diodos de bombeo multimodo son mucho más estables que los monomodo. Su área geométricamente amplia se traduce en una baja densidad de potencia óptica y una baja densidad de corriente a través del área activa, lo que confiere a los diodos de bombeo una vida útil fiable de más de 1 millón de horas.
En la actualidad, las tecnologías para conseguir láseres de fibra con bombeo de revestimiento pueden dividirse en tres categorías principales: bombeo de cavidad lineal de un solo extremo, bombeo de cavidad lineal de doble extremo y láseres de fibra de doble revestimiento con cavidad anular para todas las fibras. A partir de estos tres tipos básicos pueden ampliarse diferentes tipos de láseres de fibra de doble revestimiento.
Un documento de OFC-2002 adoptó una estructura para conseguir un nuevo tipo de láser de fibra bombeado por revestimiento con una potencia de salida de 3,8 W, un umbral de 1,7 W y una eficiencia de pendiente de hasta 85%.
En cuanto a la tecnología de los productos, destaca la empresa estadounidense IPG, que ha desarrollado un láser de fibra de doble revestimiento dopado con erbio de 700 W y ha anunciado el lanzamiento de un láser de fibra de 2000 W.
El láser de fibra pulsada, con su excelente calidad de haz, fiabilidad, mayor tiempo sin mantenimiento, mayor eficiencia global de conversión electroóptica, frecuencia de repetición de impulsos, menor tamaño, uso más sencillo y flexible sin refrigeración por agua y menor coste de funcionamiento, lo convierte en la única opción para el marcado por láser de alta velocidad y alta precisión.
Un sistema de marcado por láser de fibra puede constar de uno o dos láseres de fibra de 25 W, uno o dos cabezales de escaneado para guiar la luz hasta la pieza de trabajo y un ordenador industrial para controlar los cabezales de escaneado. Este diseño es más de cuatro veces más eficaz que el uso de un láser de 50 W dividido en dos cabezales de escaneado.
El procesamiento de materiales con láser de fibra es un proceso de tratamiento térmico basado en la absorción de energía láser por parte del material. Los metales, plásticos y materiales cerámicos absorben fácilmente la luz láser con una longitud de onda de aproximadamente 1um.
El conformado o curvado por láser de fibra es una tecnología utilizada para modificar la curvatura de placas metálicas o cerámicas duras.
El calentamiento concentrado y el rápido autocorte provocan una deformación plástica en la zona calentada por el láser, lo que modifica permanentemente la curvatura de la pieza objetivo.
Con el continuo aumento de potencia, los láseres de fibra se están aplicando a gran escala en el corte industrial. Por ejemplo, utilizando un láser de fibra continua de corte rápido para microcortar tubos arteriales de acero inoxidable.
Debido a su alta calidad de haz, los láseres de fibra pueden alcanzar un diámetro de foco muy pequeño y, en consecuencia, pequeñas ancho de corteEstableciendo nuevas normas en el sector de los productos sanitarios.
Además, los láseres de fibra ocupan una posición insustituible en el campo de la comunicación óptica porque su longitud de onda cubre dos ventanas principales de comunicación a 1,3μm y 1,5μm.
El exitoso desarrollo de los láseres de fibra de doble revestimiento de alta potencia ha provocado una rápida expansión de la demanda del mercado en el campo de la procesamiento láser.
El ámbito específico y las prestaciones requeridas de los láseres de fibra en el campo del procesamiento por láser son los siguientes:
Además, con el desarrollo de la tecnología de escritura de rejilla de Bragg en fibra ultravioleta y de bombeo de revestimiento, los láseres de fibra de conversión de longitud de onda con salida en UV, azul, verde, rojo e infrarrojo cercano se utilizan ampliamente en el almacenamiento de datos, la visualización en color y el diagnóstico médico por fluorescencia como prácticas fuentes de luz de estado sólido.
Los láseres de fibra de salida de longitud de onda infrarroja lejana, debido a su estructura compacta y flexible, energía y longitud de onda sintonizables, también se aplican en campos como la medicina láser y la bioingeniería.
Las primeras investigaciones sobre láseres se centraron principalmente en la salida de impulsos cortos y la ampliación de la gama de longitudes de onda sintonizables.
En la actualidad, el rápido desarrollo y progreso de las tecnologías de Multiplexación por División de Longitud de Onda Densa (DWDM) y Multiplexación Óptica por División de Tiempo están acelerando y estimulando el avance de la tecnología láser de fibra de longitud de onda múltiple y los láseres de fibra de supercontinuo.
Mientras tanto, la aparición de los láseres de fibra de longitud de onda múltiple y los láseres de fibra de supercontinuum ofrece una solución ideal para implementar la transmisión DWDM u OTDM de Tb/s de bajo coste.
Desde el punto de vista de su aplicación tecnológica, el uso de la emisión espontánea amplificada por EDFA, femtosegundo y diodos superluminiscentes.
Como representante de la tecnología láser de tercera generación, el láser de fibra posee una superioridad técnica sin parangón sobre otros láseres.
Sin embargo, a corto plazo, creemos que los láseres de fibra se centrarán principalmente en aplicaciones de gama alta. Con la popularización de los láseres de fibra, la reducción de costes y el aumento de la capacidad de producción, es posible que acaben sustituyendo a una gran parte de los láseres de CO2 de alta potencia y a la inmensa mayoría de los láseres de YAG en todo el mundo.
Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.
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