Imagine una herramienta tan precisa que pueda cortar metal con la delicadeza del bisturí de un cirujano. Los láseres de fibra óptica han revolucionado sectores que van desde la fabricación hasta la medicina. Este artículo se adentra en la mecánica de los láseres de fibra óptica y explica cómo aprovechan la potencia de la luz a través de fibras ópticas para lograr una precisión y eficacia sin precedentes. Los lectores descubrirán las diversas aplicaciones de esta tecnología, la ciencia que la hace posible y los avances que perfilan su futuro. Únase a nosotros para descubrir el vanguardista mundo del láser de fibra óptica.
La fibra óptica, también conocida como fibra óptica, es una guía de ondas cilíndrica utilizada para transmitir luz. Utiliza el principio de reflexión interna total para confinar la onda de luz dentro del núcleo de la fibra y guiarla a lo largo del eje de la fibra.
La sustitución de los hilos de cobre por la fibra óptica cambió el mundo. Como medio de transmisión de la luz, la fibra óptica ha sido ampliamente adoptada desde su propuesta por Gao Kun en 1966 debido a sus numerosas ventajas, como su gran capacidad, su gran capacidad antiinterferente, su baja pérdida de transmisión, su larga distancia de transmisión, su excelente seguridad, su gran adaptabilidad, su tamaño compacto, su peso ligero y sus abundantes recursos de materias primas.
Gao Kun, ampliamente reconocido como el "padre de la fibra óptica", recibió el Premio Nobel de Física en 2009.
La industria de las telecomunicaciones se ha visto transformada por la mejora continua y las aplicaciones prácticas de la fibra óptica. La fibra óptica ha sustituido en gran medida al cable de cobre y ahora es una parte crucial de la comunicación moderna.
El sistema de comunicación por fibra óptica es un tipo de sistema de comunicación que utiliza la luz como portadora de la información y la fibra óptica como medio de guía de ondas. Al transmitir información, la señal eléctrica se convierte en señal óptica y se transmite dentro de la fibra óptica.
Como nueva forma de tecnología de comunicación, la comunicación por fibra óptica ha mostrado ventajas incomparables desde el principio, atrayendo un amplio interés y atención.
El uso generalizado de la fibra óptica en las comunicaciones también ha impulsado el rápido desarrollo de los amplificadores de fibra y los láseres de fibra. Además del campo de la comunicación, los sistemas de fibra óptica también se utilizan habitualmente en medicina, detección y otras áreas.
La fibra activa sirve como medio de ganancia en los láseres de fibra. En función de su estructura, puede clasificarse en fibra monomodo, fibra de doble revestimiento y fibra de cristal fotónico.
La fibra monomodo está formada por un núcleo, un revestimiento y un recubrimiento. El índice de refracción (N1) del material del núcleo es mayor que el del material del revestimiento (N2). Cuando el ángulo de incidencia de la luz incidente es mayor que el ángulo crítico, el haz se emite completamente en el núcleo, lo que permite a la fibra óptica confinar el haz en el núcleo y transmitirlo.
Sin embargo, el revestimiento interior de la fibra monomodo no puede confinar la luz de bombeo multimodo, y el núcleo tiene una baja apertura numérica. Como resultado, la salida láser sólo puede obtenerse acoplando la luz de bombeo monomodo al núcleo.
Los primeros láseres de fibra utilizaban fibra monomodo, lo que provocaba una baja eficacia de acoplamiento y producía sólo milivatios de potencia de salida.
Transmisión de luz en fibra óptica
En un esfuerzo por superar las limitaciones de la fibra monomodo convencional de revestimiento único dopada con iterbio (Yb3+) en términos de eficiencia de conversión y potencia de salida, R. Maurer propuso por primera vez el concepto de fibra de doble revestimiento en 1974. Sin embargo, no fue hasta que E. Snitzer y otros propusieron la tecnología de bombeo de revestimiento en 1988 que la tecnología de láser/amplificador de fibra dopada con iterbio de alta potencia experimentó un rápido desarrollo.
La fibra óptica de doble revestimiento es un tipo de fibra óptica con una estructura única. En comparación con la fibra óptica convencional, tiene un revestimiento interior formado por una capa de revestimiento, un revestimiento interior, un revestimiento exterior y un núcleo dopado.
La tecnología de bombeo de revestimiento se basa en la fibra de doble revestimiento y su objetivo es transmitir la luz de bombeo multimodo en el revestimiento interior y la luz láser en el núcleo de la fibra, mejorando así en gran medida la eficacia de conversión de la bomba y la potencia de salida del láser de fibra.
La estructura de la fibra de doble revestimiento, la forma del revestimiento interior y el modo de acoplamiento de la luz de bombeo son cruciales para esta tecnología.
La bobina de fibra de doble revestimiento está compuesta de sílice (SiO2) dopada con elementos de tierras raras. En los láseres de fibra, sirve tanto de medio láser como de canal de transmisión de la señal láser.
Para garantizar que la excitación de salida sea el modo transversal fundamental, el parámetro V se reduce para la longitud de onda de trabajo correspondiente diseñando su apertura numérica y el diámetro del núcleo.
La dimensión transversal del revestimiento interior (decenas de veces mayor que el diámetro del núcleo convencional) y la apertura numérica son mucho mayores que las del núcleo, y su índice de refracción es inferior al del núcleo, lo que restringe la propagación completa del láser en el núcleo.
Esto crea una guía de ondas óptica con una gran sección transversal y apertura numérica entre el núcleo y el revestimiento exterior, lo que permite que la luz de bombeo de alta potencia con una gran apertura numérica, sección transversal y multimodo se acople a la fibra óptica y se limite a la transmisión dentro del revestimiento interior sin difusión. Esto ayuda a mantener un bombeo óptico de alta densidad de potencia.
El revestimiento exterior de la fibra de doble revestimiento está compuesto por materiales poliméricos con un índice de refracción inferior al del revestimiento interior. La capa más externa es una capa protectora hecha de materiales orgánicos.
El área de acoplamiento de la fibra de doble revestimiento a la luz de bombeo viene determinada por el tamaño del revestimiento interior, a diferencia de la fibra monomodo tradicional, que viene determinada únicamente por el núcleo.
Esto crea una estructura de guía de ondas de doble capa para la fibra de doble revestimiento.
Por un lado, mejora la eficacia de acoplamiento de potencia del láser de fibra, permitiendo que la luz de bombeo excite los iones dopados y emita luz láser a través del núcleo de la fibra varias veces cuando se conduce por el revestimiento interior.
Por otra parte, la calidad del haz de salida viene determinada por la naturaleza del núcleo de la fibra, y la introducción del revestimiento interior no afecta negativamente a la calidad del haz de salida del láser de fibra.
Diagrama estructural de fibra octogonal de doble revestimiento
Diagrama esquemático de varias estructuras de revestimiento interior
El revestimiento interior específicamente diseñado del láser de fibra de doble revestimiento puede mejorar en gran medida la eficiencia de utilización de la luz de bombeo.
Inicialmente, la estructura de revestimiento interior de la fibra de doble revestimiento era cilíndricamente simétrica, lo que hacía que su proceso de fabricación fuera relativamente sencillo y fácil de acoplar con la fibra de cola del diodo láser de bombeo (LD).
Sin embargo, su perfecta simetría dio lugar a un gran número de rayos en espiral en la luz de bombeo dentro del revestimiento interior, que nunca llegarían a la zona del núcleo incluso después de múltiples reflexiones.
Como resultado, estos rayos no podían ser absorbidos por el núcleo de la fibra, lo que provocaba fugas de luz, dificultando la mejora de la eficiencia de conversión, incluso con el uso de fibras más largas.
Por lo tanto, la simetría cilíndrica de la estructura del revestimiento interior debe romperse.
En la fibra convencional de doble revestimiento, la potencia láser de salida viene determinada por el tamaño del núcleo de la fibra, y la apertura numérica determina la calidad del haz láser de salida.
Sin embargo, las limitaciones de los mecanismos físicos, como los efectos no lineales y los daños ópticos en la fibra óptica, hacen que sea imposible satisfacer las necesidades de funcionamiento monomodo de la fibra de doble revestimiento con gran campo de modo y alta potencia de salida únicamente aumentando el diámetro del núcleo.
La aparición de fibras ópticas especiales, como la fibra de cristal fotónico (PCF), ofrece una solución eficaz a este problema.
El concepto de cristales fotónicos fue propuesto por primera vez por E. Yablonovitch en 1987. Se trata de materiales dieléctricos con constantes dieléctricas variables que forman una estructura periódica con el orden de la longitud de onda de la luz en un espacio unidimensional, bidimensional o tridimensional. Así se crean bandas guía fotónicas que permiten la propagación de la luz y brechas de banda fotónica (PBG) que la prohíben.
Alterando la disposición y el periodo de distribución de los distintos medios, se pueden conseguir numerosos cambios en las propiedades de los cristales fotónicos, lo que permite funciones específicas.
La fibra de cristal fotónico (PCF) es un cristal fotónico bidimensional, también denominado fibra de microestructura o fibra porosa.
En 1996, J.C. Knight y otros crearon el primer PCF, y su mecanismo de guiado de la luz es similar al mecanismo de guiado de la luz por reflexión interna total de la fibra óptica tradicional.
El primer PCF basado en el principio de la brecha de banda fotónica se inventó en 1998.
Después de 2005, el diseño y los métodos de preparación de los PCF de campo de modo grande se diversificaron, y surgieron estructuras de diversas formas, incluidos PCF de canal con fugas, PCF de varilla, PCF de gran espaciado y PCF multinúcleo.
El área del campo modal de las fibras ópticas también aumentó.
Microestructura de diferentes fibras de cristal fotónico
La fibra de cristal fotónico (PCF) es similar a la fibra monomodo tradicional, pero presenta una compleja estructura de agujeros en la microestructura.
Estas características estructurales otorgan a la PCF muchas ventajas únicas que las fibras ópticas tradicionales no pueden igualar, como la transmisión monomodo sin corte, una gran área de campo de modo, dispersión ajustable y baja pérdida límite, superando numerosos problemas de los láseres tradicionales.
Por ejemplo, el PCF puede lograr un funcionamiento monomodo con una gran área de campo de modo, lo que reduce significativamente el densidad de potencia láser en la fibra óptica, minimizando el efecto no lineal en la fibra óptica, y mejorando el umbral de daño de la fibra óptica preservando la calidad del haz.
También permite una gran apertura numérica, lo que se traduce en un mejor acoplamiento de la luz de bombeo y una mayor potencia de salida del láser.
Estas ventajas de la PCF han dado lugar a un aumento de la investigación en todo el mundo, convirtiéndola en un nuevo foco de investigación en láseres de fibra y desempeñando un papel cada vez más importante en las aplicaciones de láser de fibra de alta potencia.
Un láser con una fibra óptica como medio de ganancia láser se denomina láser de fibra.
Al igual que otros tipos de láser, consta de un medio de ganancia, una fuente de bombeo y un resonador.
En usos del láser de fibra la fibra activa, dopada con elementos de tierras raras en el núcleo, como medio de ganancia.
Normalmente, los láseres semiconductores sirven como fuente de bombeo, mientras que el resonador se compone de espejos, extremos de fibra, anillos de espejo de fibra o rejillas de fibra.
En función de las características en el dominio del tiempo, los láseres de fibra pueden dividirse en láseres de fibra continua y láseres de fibra pulsada.
En función de la estructura del resonador, pueden dividirse en láseres de fibra de cavidad lineal, láseres de fibra de realimentación distribuida y láseres de fibra de cavidad anular.
En función de las diferentes fibras de ganancia y modos de bombeo, pueden dividirse en láseres de fibra de revestimiento simple (bombeo de núcleo) y láseres de fibra de revestimiento doble (bombeo de revestimiento).
Principio de estructura del láser de fibra de cavidad lineal de todas las fibras
En 1961, Snitzer descubrió radiación láser en guías de onda de vidrio dopado con Nd.
En 1966, Gao Kun estudió a fondo las principales causas de la atenuación óptica en las fibras ópticas y señaló los problemas técnicos clave que debían resolverse para la aplicación práctica de las fibras ópticas en la comunicación.
En 1970, la empresa Corning de Estados Unidos desarrolló fibras ópticas con una atenuación inferior a 20 dB/km, lo que sentó las bases para el desarrollo de la comunicación óptica y la tecnología optoelectrónica.
Este avance tecnológico también facilitó enormemente el desarrollo de los láseres de fibra.
En las décadas de 1970 y 1980, la madurez y comercialización de la tecnología láser de semiconductores proporcionó fuentes de bombeo fiables y diversas para el desarrollo de láseres de fibra.
Al mismo tiempo, el avance de la deposición química de vapor redujo la pérdida de transmisión de las fibras ópticas.
Los láseres de fibra óptica se han diversificado rápidamente. Diferentes elementos de tierras raras, como el erbio (Er3+), el iterbio (Yb3+), el neodimio (Nd3+), el samario (Sm3+), el tulio (Tm3+), el holmio (Ho3+), el praseodimio (Pr3+), el disprosio (Dy3+) y el bismuto (Bi3+), se dopan en la fibra para conseguir una salida láser de diferentes longitudes de onda que satisfaga los distintos requisitos de las aplicaciones.
Gama del espectro de emisión de la fibra de cuarzo dopada con elementos de tierras raras
Las ventajas del láser de fibra de alta potencia son las siguientes.
La estructura de guía de ondas del láser de fibra facilita la producción de salida monomodo transversal y no se ve afectada significativamente por factores externos, lo que da lugar a una salida de láser de alta luminosidad.
Los láseres de fibra pueden alcanzar una elevada eficacia de conversión óptica utilizando como fuente de bombeo un láser semiconductor cuya longitud de onda de emisión coincida con las características de absorción de los elementos dopados con tierras raras.
Para los láseres de fibra dopada con iterbio de alta potencia, se suelen seleccionar láseres semiconductores de 915 nm o 975 nm.
La sencilla estructura de niveles de energía del Yb3+ da lugar a pocos fenómenos, como la conversión ascendente, la absorción en estado excitado y el apagado por concentración, y a una larga vida de fluorescencia, lo que lo hace eficaz para almacenar energía y lograr un funcionamiento de alta potencia.
La eficiencia electroóptica global de los láseres de fibra comerciales puede llegar a 25%, lo que contribuye a reducir costes, ahorrar energía y proteger el medio ambiente.
Los láseres de fibra utilizan una fibra delgada dopada con tierras raras como medio de ganancia del láser, que presenta una gran relación de superficie y volumen. Esta relación es aproximadamente 1.000 veces mayor que la de los láseres de bloque de estado sólido y ofrece ventajas inherentes en términos de disipación del calor.
Para aplicaciones de potencia baja a media, no es necesaria una refrigeración especial de la fibra óptica. En escenarios de alta potencia, la refrigeración por agua puede mitigar eficazmente la disminución de la calidad del haz y la eficiencia causada por los efectos térmicos en los láseres de estado sólido.
El láser de fibra utiliza una fibra pequeña y flexible como medio de ganancia láser, lo que lo hace ideal para reducir el volumen y los costes. La fuente de bombeo, un láser semiconductor, también tiene un tamaño compacto y es fácilmente modularizable. La mayoría de los productos comerciales pueden producirse utilizando fibra de cola.
Mediante la incorporación de dispositivos de fibra óptica como las rejillas de Bragg de fibra, se puede conseguir un sistema de fibra totalmente óptico gracias a la fusión de estos dispositivos. El resultado es una gran inmunidad a las perturbaciones ambientales, una gran estabilidad y una reducción del tiempo y los costes de mantenimiento.
Los láseres de fibra de alta potencia también tienen desventajas insalvables:
En primer lugar, se ve fácilmente limitada por efectos no lineales.
La estructura de guía de ondas del láser de fibra le confiere una gran longitud efectiva, lo que se traduce en un umbral bajo para diversos efectos no lineales. Sin embargo, los efectos no lineales perjudiciales, como la dispersión Raman estimulada (SRS) y la modulación autofásica (SPM), pueden provocar fluctuaciones de fase, transferencia de energía en el espectro e incluso daños en el sistema láser, lo que obstaculiza el avance de los láseres de fibra de alta potencia.
El segundo es el efecto de oscurecimiento de los fotones.
La alta concentración de dopaje de tierras raras en los láseres de fibra provoca una disminución gradual e irreversible de la eficiencia de conversión de potencia debido al efecto de oscurecimiento de los fotones con un tiempo de bombeo prolongado. Esto limita la estabilidad a largo plazo y la vida útil de los láseres de fibra de alta potencia, especialmente en el caso de los láseres de fibra de alta potencia dopados con iterbio.
Sin embargo, los avances en los láseres semiconductores acoplados a fibra de alto brillo y la tecnología de fibra de doble revestimiento han mejorado significativamente la potencia de salida, la eficiencia de conversión óptica y la calidad del haz de los láseres de fibra de alta potencia.
La enorme demanda de láseres de fibra de alta potencia en el procesamiento industrial, armas de energía direccional, telemetría de larga distancia, lidar y otros campos ha impulsado los esfuerzos de investigación de empresas como IPG Photonics, Nufern, NLight y el Grupo Trumpf, lo que ha llevado al desarrollo de láseres de fibra de alta potencia tanto de onda continua como de onda pulsada con una diversa línea de productos.
Instituciones académicas como la Universidad Tsinghua, la Universidad de Ciencia y Tecnología de Defensa Nacional, el Instituto de Óptica y Maquinaria de Precisión de Shanghái, la Academia China de Ciencias y el Cuarto Instituto de Investigación del Grupo de Ciencia e Industria Aeroespacial de China también han informado de interesantes resultados en este campo.
Las limitaciones de los efectos no lineales, los efectos térmicos y los umbrales de daño de los materiales en los láseres de fibra dan como resultado una potencia de salida limitada para los láseres de fibra monocanal, con una disminución de la calidad del haz a medida que aumenta la potencia.
Para mejorar la calidad del haz, es necesario adoptar la tecnología de control de modo y diseñar nuevas fibras con estructuras especiales. J.W. Dawson y sus colegas realizaron un análisis teórico del límite de potencia de salida de una fibra simple. Los cálculos revelan que un láser de fibra de banda ancha puede alcanzar una salida láser cercana al límite de difracción con una potencia máxima de 36 kW, mientras que un láser de fibra de ancho de línea estrecho puede alcanzar una potencia máxima de 2 kW.
Para mejorar aún más la potencia de salida de los láseres y amplificadores de fibra, la síntesis de potencia de los láseres de fibra multicanal mediante la tecnología de síntesis coherente es un método eficaz. Se ha convertido en un tema ampliamente investigado en los últimos años.
Sistema de síntesis coherente de láser de fibra
Las limitaciones impuestas por los efectos no lineales, los efectos térmicos y los umbrales de daño de los materiales en los láseres de fibra restringen la potencia de salida de los láseres de fibra monocanal y provocan una disminución de la calidad del haz al aumentar la potencia.
Para mejorar la calidad del haz, es necesario utilizar la tecnología de control de modo y el diseño de estructuras de fibra especiales. J.W. Dawson y sus colegas realizaron un análisis teórico del límite de potencia de salida de una sola fibra. Los resultados muestran que un láser de fibra de banda ancha puede producir una salida láser cercana al límite de difracción con una potencia máxima de 36 kW, mientras que un láser de fibra de ancho de línea estrecho puede alcanzar una potencia máxima de 2 kW.
La tecnología de síntesis coherente, que implica la síntesis de potencia de múltiples láseres de fibra, es un método eficaz para aumentar la potencia de salida de los láseres y amplificadores de fibra. Este enfoque se ha convertido en un tema de gran interés para la investigación en los últimos años.
Además de las ventajas únicas de los láseres de fibra y la demanda de sistemas de 100 kilovatios, varios dispositivos de apoyo, como los acopladores de cono de fibra fundida, las fibras multinúcleo, los moduladores de fase con pigtails y los variadores de frecuencia acústico-ópticos, han desempeñado un papel crucial en la comercialización de la comunicación por fibra óptica.
El acoplador cónico de fibra fundida y las fibras multinúcleo hacen que el control de fase pasivo mediante acoplamiento de inyección de energía láser y acoplamiento de ondas evanescentes sea mucho más manejable.
El modulador de fase con pigtails y desplazadores de frecuencia acustoópticos permite un control activo de la fase con un ancho de banda de control de megahercios, lo que permite controlar las fluctuaciones de fase en condiciones de alta potencia y lograr una salida de fase bloqueada.
Los investigadores han propuesto numerosos esquemas distintos de síntesis coherente, incluida la tecnología de síntesis espectral, una tecnología de síntesis incoherente que utiliza una o más rejillas de difracción para difractar múltiples subhaces en la misma apertura para obtener una salida de apertura única y una calidad de haz mejorada.
La síntesis espectral de los láseres de fibra aprovecha al máximo el amplio ancho de banda de ganancia de los láseres de fibra dopados con iterbio para superar las limitaciones de la potencia de salida de los láseres de fibra única, lo que da lugar a láseres de alta potencia y alto haz. láser de calidad salida. Esta es una de las vías técnicas importantes para los láseres de fibra de alta potencia en el futuro.
Sistema láser de fibra sintética espectral
En los últimos años, el Instituto de Óptica y Mecánica de Shanghái ha llevado a cabo numerosas investigaciones sobre láseres de fibra de alta potencia y síntesis espectral, logrando importantes avances en la preparación de dispositivos, tecnologías clave y sistemas de síntesis espectral.
En cuanto a los amplificadores de fibra de alta potencia y ancho de línea estrecho, el Instituto utilizó en 2016 dispositivos básicos de desarrollo propio, como rejillas de Bragg de fibra, combinadores de fibra de alta potencia y filtros ópticos de revestimiento. Esto se basó en tecnologías clave como el filtrado en cascada de la rejilla de Bragg de fibra, el control del ancho de línea, el control de los parámetros de la etapa de amplificación y el control del modo de la fibra.
Este avance superó el límite de potencia de salida monomodo de los láseres con un ancho de línea inferior a 50 GHz comunicado por el grupo de investigación de la Universidad de Jena (Alemania). El Instituto consiguió un láser de fibra con una potencia de 2,5 kW, un ancho de banda de 0,18 nm (50 GHz) y una longitud de onda central de 1064,1 nm.
El láser cuenta con una semilla de fibra totalmente óptica compacta y estable y una estructura de amplificación de tres etapas, lo que le confiere una gran robustez. El amplificador principal utiliza una fibra de 20 μm/400 μm que no mantiene la polarización, y el aumento de la potencia de bombeo disponible podría mejorar aún más la potencia de salida del láser.
En términos de síntesis espectral, las rejillas de difracción reflectantes de película metálica tienen un umbral de daño bajo y son incapaces de soportar la irradiación láser de alta potencia, lo que dificulta la síntesis espectral de alta potencia. Sin embargo, en agosto de 2016, el Instituto realizó la síntesis espectral de 11,27 kW de alta calidad de haz mediante el uso de 7 láseres de fibra de ancho de línea estrecho y rejillas de difracción dieléctrica multicapa (MLDG) no correlacionadas con polarización de umbral de daño alto, lo que supuso un avance significativo en la síntesis espectral de láseres de fibra de alta potencia.
Los láseres de fibra tienen un excelente rendimiento en diversos campos, como el procesamiento industrial, el tratamiento médico, la teledetección, la seguridad y la investigación científica, debido a la buena calidad de su haz, su alta eficiencia electroóptica, su estructura compacta y su fiabilidad.
En el sector industrial, los láseres de fibra pueden clasificarse en tres categorías en función de su potencia de salida:
Los láseres de fibra de baja potencia (< 50 vatios) se utilizan principalmente para el procesamiento de microestructuras, el marcado por láser, el ajuste de resistencia, la precisión perforacióngrabado en metal, etc.
Los láseres de fibra de potencia media (de 50 a 500 vatios) se utilizan principalmente para taladrar, soldar, cortar y tratamiento superficial de finas placas metálicas.
Los láseres de fibra de alta potencia (> 1000 vatios) se utilizan principalmente para el corte de placas metálicas gruesas, el recubrimiento de superficies metálicas y el procesamiento tridimensional de placas especiales, entre otros.
Los láseres de fibra óptica tienen un rendimiento excepcional en diversos campos, como el procesamiento industrial, el tratamiento médico, la teledetección, la seguridad y la investigación científica, debido a la buena calidad de su haz, su alta eficiencia electroóptica, su diseño compacto y su fiabilidad.
En el ámbito industrial, los láseres de fibra pueden agruparse en tres categorías en función de su potencia de salida:
Los láseres de fibra de baja potencia (< 50 vatios) se utilizan principalmente para el procesamiento de microestructuras, el marcado por láser, el ajuste de resistencias, el taladrado de precisión, el grabado de metales, etc.
Los láseres de fibra de potencia media (de 50 a 500 vatios) se utilizan sobre todo para taladrar, soldar, cortar y tratar superficies de placas metálicas finas.
Los láseres de fibra de alta potencia (> 1000 vatios) se utilizan principalmente para cortar placas metálicas gruesas, recubrir superficies metálicas y procesar tridimensionalmente placas especiales, entre otras aplicaciones.
Los láseres de fibra tienen un rendimiento excepcional en diversos campos, como el procesamiento industrial, el tratamiento médico, la teledetección, la seguridad y la investigación científica, debido a la buena calidad de su haz, su alta eficiencia electroóptica, su diseño compacto y su fiabilidad.
En el sector industrial, los láseres de fibra pueden clasificarse en tres categorías en función de su potencia de salida:
Los láseres de fibra de baja potencia (< 50 vatios) se utilizan principalmente para el procesamiento de microestructuras, el marcado por láser, el ajuste de resistencias, el taladrado de precisión, el grabado de metales, etc.
Los láseres de fibra de potencia media (de 50 a 500 vatios) se utilizan sobre todo para taladrar, soldar, cortar y tratar superficies de placas metálicas finas.
Los láseres de fibra de alta potencia (> 1000 vatios) se utilizan principalmente para cortar placas metálicas gruesas, recubrir superficies metálicas y procesar tridimensionalmente placas especiales, entre otras aplicaciones.
En comparación con otras fuentes de luz, el menor volumen de los láseres de fibra contribuye a una gran movilidad en las plataformas de lanzamiento, mejorando así la adaptabilidad y la capacidad de supervivencia en el campo de batalla.
En Afganistán, se ha utilizado el sistema de barrido láser de minas "Zeus" de la empresa Spata para retirar minas.
Desde 2009, la Marina estadounidense ha utilizado con éxito sistemas láser de fibra óptica para destruir vehículos aéreos no tripulados, proyectiles y buques pequeños. El sistema se instaló en buques de guerra en 2014.
En 2012, el distribuidor alemán de armamento de defensa Rheinmetall lanzó un sistema láser de doble tubo de 50 kW que interceptó y destruyó con éxito vehículos aéreos no tripulados, proyectiles y otros objetivos en un experimento de demostración.
El arma láser es un nuevo concepto de arma en rápido desarrollo.
Emite láseres de alta energía a la velocidad de la luz sobre la superficie del objetivo, causando daños a dispositivos clave como la detección fotoeléctrica, la navegación y el guiado, o haciendo que el objetivo quede "ciego y sordo", o quemando a través del proyectil del objeto en movimiento para derribarlo, o detonando el combustible para hacerlo explotar en el aire, completando así la tarea de causar daños en poco tiempo.
Tiene las ventajas de la concentración de energía, la velocidad de transmisión rápida y el uso repetible, así como la alta rentabilidad, la rápida transferencia de fuego y la resistencia a las interferencias electromagnéticas.
Desde sus inicios, el desarrollo de armas láser ha sufrido altibajos. Sin embargo, la madurez de láser de estado sólido como el láser de fibra, ha revitalizado el desarrollo de armas láser y se ha convertido en el centro de la investigación de las grandes potencias militares.
En la actualidad, países como Estados Unidos, Gran Bretaña, Rusia, Alemania e India han iniciado el desarrollo de armas láser y realizado las pruebas pertinentes.
La entrada de las armas láser en el campo de batalla está a la vuelta de la esquina.
En un esfuerzo por combatir las amenazas asimétricas, como los vehículos aéreos no tripulados y las lanchas de ataque furtivas, y mejorar las capacidades de defensa cuerpo a cuerpo de los buques, la Armada estadounidense inició oficialmente en 2010 el desarrollo del "Sistema de Armas Láser" (LAWS, por sus siglas en inglés). El sistema se desplegó en el buque de transporte anfibio "Ponce" en septiembre de 2014 para una prueba y evaluación operativa de un año.
LAWS está dirigido por Raytheon, con la participación de Boeing y Lockheed Martin en determinados aspectos del trabajo. El sistema aprovecha al máximo las tecnologías y componentes comerciales existentes para minimizar los costes de I+D y adquisición.
El prototipo LAWS consta de seis láseres industriales de fibra que, cuando están operativos, combinan sus haces láser para producir un haz de 30 kW. El coste de utilización del sistema de armas láser es bajo, ya que se calcula que un solo disparo sólo cuesta $1, en claro contraste con las decenas de miles o cientos de miles de dólares por misil.
En 2016, la Oficina de Investigación Naval de Estados Unidos inició el desarrollo de un nuevo sistema de armas láser de alta energía a bordo de buques con una potencia de salida de 150 kW, cinco veces más potente que el prototipo de sistema de leyes probado anteriormente. El proyecto duró 12 meses y costó $53 millones de dólares estadounidenses para desarrollar el "prototipo de demostración del sistema de armas láser" en tres etapas: la primera fue el diseño inicial, la segunda las pruebas en tierra y la tercera las pruebas en un buque de pruebas de autodefensa de la Armada.
En 2014, la Academia China de Ingeniería Física y el Instituto de Óptica y Mecánica de Shanghái desarrollaron conjuntamente el sistema "Low Altitude Guard". En el experimento de demostración y verificación, más de 30 aeronaves pequeñas, como aviones de ala fija, multirrotores y helicópteros, fueron derribadas con éxito con una tasa de éxito de 100%. El sistema tenía una potencia de lanzamiento de casi 10.000 vatios y un área de protección efectiva de 12 kilómetros cuadrados para altitudes bajas. Podía interceptar con precisión una gran variedad de aeronaves, incluidas las de ala fija, en un radio de 2 kilómetros y en un espacio aéreo de 360 grados, en un radio de 5 metros. El sistema era rápido, preciso y no producía daños colaterales.
En 2015, Lockheed Martin utilizó un arma láser de 30 kW llamada Athena para destruir un camión a una milla de distancia. En marzo de 2017, la empresa anunció la finalización de su investigación y desarrollo de un sistema de armas láser de 60 kW, y su envío al Centro de Mando del Ejército de Estados Unidos en Alaska. El tecnólogo jefe de la empresa declaró que el éxito de las pruebas nos acerca al desarrollo de sistemas de armas láser portátiles que puedan desplegarse en aviones, helicópteros, barcos y camiones militares. La investigación ha demostrado que el láser direccional de alta energía es ahora lo suficientemente compacto, ligero y fiable como para ser utilizado para la defensa en plataformas terrestres, marítimas y aéreas.
En conclusión, el desarrollo de la tecnología láser muestra que la tecnología láser de fibra es la dirección futura de los láseres de alta potencia y alto brillo. La combinación de la tecnología de fibra de guía de ondas y la tecnología de bombeo de láser semiconductor conduce a la creación de láseres de fibra de alta potencia que pueden satisfacer la acuciante demanda de láseres de alta potencia y alto rendimiento en la fabricación de láseres avanzados y la defensa militar.
Esta tecnología tiene una gran importancia estratégica tanto para la economía nacional como para la seguridad. Además, los láseres de fibra de alta potencia tienen un inmenso potencial de aplicación en diversos campos, como la exploración energética, los grandes dispositivos científicos, la ciencia espacial o la ciencia medioambiental, entre otros. Servirá como una poderosa herramienta para que los seres humanos comprendan y den forma al 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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