Tecnologia laser a fibra: Principi e usi principali

1. Introduzione

Le ricerche sui laser a fibra drogati che utilizzano mezzi di guadagno risalgono agli anni '60, quando Snitzer riportò nel 1963 la creazione di un laser a fibra con ioni di neodimio (Nd³⁺) drogato in una matrice di vetro.

Dagli anni '70 sono stati compiuti notevoli progressi nella tecnologia di preparazione delle fibre e nell'esplorazione delle strutture di pompa e di cavità risonante per i laser a fibre.

A metà degli anni '80, una svolta nella fibra drogata (Er³⁺) dell'Università di Southampton nel Regno Unito ha migliorato notevolmente la praticità dei laser a fibra, mostrando prospettive di applicazione molto promettenti.

Rispetto ai laser tradizionali a solido e a gas, i laser a fibra presentano molti vantaggi unici, come l'elevata qualità del fascio, le dimensioni ridotte, la leggerezza, l'assenza di manutenzione, il raffreddamento ad aria, la facilità di funzionamento, i bassi costi operativi e l'utilizzo a lungo termine in ambienti industriali.

Offrono inoltre un'elevata precisione di lavorazione, velocità, lunga durata, risparmio energetico ed eccellente flessibilità per l'intelligenza e l'automazione. Per questo motivo, hanno sostituito i laser YAG e CO2 tradizionali in molti campi.

La gamma di lunghezze d'onda di uscita dei laser in fibra è compresa tra 400-3400 nm, applicabile in vari campi come l'archiviazione ottica dei dati, la comunicazione ottica, la tecnologia dei sensori, la spettroscopia e le applicazioni mediche.

Attualmente si assiste a un rapido sviluppo dei laser in fibra drogati, dei laser a reticolo di Bragg, dei laser in fibra sintonizzabili a larghezza di linea ridotta e dei laser in fibra a doppio rivestimento ad alta potenza.

2. Struttura di base e principio di funzionamento dei laser a fibre ottiche

2.1 Struttura di base dei laser in fibra

Il laser a fibra è costituito principalmente da tre parti: il mezzo di guadagno che può generare fotoni, la cavità ottica risonante che consente la retroazione dei fotoni e l'amplificazione risonante nel mezzo di guadagno e la sorgente di pompa che può eccitare il mezzo laser.

La struttura di base del laser a fibra è illustrata nella Figura 2.1.

Il mezzo di guadagno è un nucleo di fibra drogato con ioni di terre rare. La fibra drogata è posta tra due specchi con riflettività selezionata. La luce di pompa viene accoppiata nella fibra dallo specchio sinistro del laser a fibre ottiche ed emette la luce laser attraverso un sistema ottico di collimazione e un filtro.

In teoria, la sorgente di pompa e la fibra di guadagno sono i componenti essenziali del laser a fibra, mentre la cavità risonante non è indispensabile. La selezione del modo della cavità risonante e l'allungamento del mezzo di guadagno non sono necessari nei laser a fibra perché la fibra stessa può essere molto lunga, ottenendo così un guadagno single-pass molto elevato, e l'effetto guida d'onda della fibra può svolgere un ruolo di selezione del modo.

Tuttavia, nelle applicazioni pratiche si preferisce utilizzare fibre più corte, quindi nella maggior parte dei casi si utilizza una cavità risonante per introdurre la retroazione.

Grazie alla struttura a guida d'onda, i laser a fibra possono ospitare un forte pompaggio e hanno un elevato guadagno (guadagno a singolo passaggio fino a 50 dB). Gli elementi delle terre rare nella matrice di vetro hanno un'ampia larghezza di linea e una gamma di sintonia (Yb³⁺ è 125nm, Tm³⁺ >300nm).

Le caratteristiche specifiche sono le seguenti:

1) La fibra funge da mezzo di guida d'onda e offre un'elevata efficienza di accoppiamento, un piccolo diametro del nucleo e la facilità di formare un'elevata densità di potenza all'interno della fibra. Può essere comodamente collegata agli attuali sistemi di comunicazione in fibra ottica. I laser risultanti hanno un'elevata efficienza di conversione, una bassa soglia laser, un'eccellente qualità del fascio e una stretta larghezza di linea.

2) Dato l'elevato rapporto "superficie/volume" della fibra, essa presenta una buona dissipazione del calore. La temperatura ambientale può variare da -20 a 70℃, eliminando la necessità di un grande sistema di raffreddamento ad acqua e richiedendo solo un semplice raffreddamento ad aria.

3) Il laser in fibra può operare in condizioni difficili, come forti impatti, vibrazioni, temperature elevate e condizioni polverose.

4) Grazie all'eccellente flessibilità della fibra, il laser può essere progettato in modo da essere piuttosto piccolo e flessibile, con una forma compatta e un volume ridotto, facilitando l'integrazione nel sistema e offrendo un elevato rapporto prestazioni/prezzo.

5) Il laser a fibre ottiche dispone di numerosi parametri sintonizzabili e selettività, che gli consentono di coprire un ampio intervallo di sintonizzazione, un'eccellente monocromaticità e un'elevata stabilità. Ha una lunga durata della pompa, con un tempo di lavoro medio senza errori di 10kh o addirittura di oltre 100kh.

2.2 Principio di funzionamento del laser a fibra

I laser a fibra attualmente sviluppati utilizzano principalmente fibre drogate con elementi di terre rare come mezzo di guadagno.

Il principio di funzionamento del laser a fibra è che la luce di pompa viene incidente sulla fibra drogata attraverso il riflettore anteriore (o griglia anteriore), e gli ioni di terre rare che hanno assorbito l'energia del fotone subiscono transizioni di livello energetico, ottenendo una "inversione del numero di particelle".

Dopo il rilassamento, le particelle invertite tornano allo stato fondamentale sotto forma di radiazione, rilasciando contemporaneamente energia sotto forma di fotoni ed emettendo il laser attraverso il riflettore posteriore (griglia posteriore).

L'amplificatore in fibra drogato con elementi di terre rare ha promosso lo sviluppo dei laser in fibra, perché gli amplificatori in fibra possono formare laser in fibra attraverso appropriati meccanismi di feedback.

Quando la luce di pompa passa attraverso gli ioni di terre rare nella fibra, viene assorbita dagli ioni di terre rare. A questo punto, gli atomi di terre rare che assorbono l'energia dei fotoni vengono eccitati a un livello energetico più elevato, ottenendo così l'inversione del numero di ioni.

Il numero di ioni invertiti passerà dal livello energetico elevato allo stato fondamentale sotto forma di radiazione e rilascerà energia, completando la radiazione stimolata. La modalità di radiazione dallo stato eccitato allo stato fondamentale è di due tipi: radiazione spontanea e radiazione stimolata.

Tra queste, la radiazione stimolata è una radiazione con la stessa frequenza e fase, che può formare un laser molto coerente. L'emissione laser è un processo fisico in cui la radiazione stimolata supera di gran lunga quella spontanea.

Affinché questo processo continui, è necessario che si formi un'inversione del numero di ioni. Pertanto, i livelli energetici coinvolti nel processo devono essere superiori a due e deve essere presente anche una fonte di pompa per fornire energia.

Il laser a fibra può essere definito un convertitore di lunghezza d'onda, attraverso il quale la luce della lunghezza d'onda di pompaggio può essere convertita nella luce della lunghezza d'onda di laser richiesta.

Ad esempio, un laser in fibra drogato con erbio pompa luce a 980 nm ed emette un laser a 1550 nm. L'uscita del laser può essere continua o pulsata.

I laser a fibra hanno due stati di laser, a tre livelli e a quattro livelli. I principi del laser a tre e a quattro livelli sono illustrati nella Figura 2.2.

La pompa (fotone di breve lunghezza d'onda ad alta energia) provoca la transizione dell'elettrone dallo stato fondamentale allo stato ad alta energia E4⁴ o E3³, quindi passa al livello laser superiore E4³ o E3² attraverso transizioni non radiative.

Quando l'elettrone passa ulteriormente dal livello laser superiore al livello energetico inferiore E4² o E3¹, il processo laser si verificherà.

3. Tipi di laser a fibra ottica

Esistono vari tipi di laser a fibre ottiche, che possono essere suddivisi in diverse categorie, come illustrato nella Tabella 3.1. Le sezioni seguenti forniranno un'introduzione a diversi tipi di questi laser.

Tabella 3.1 Classificazione dei laser a fibra ottica

3.1 Laser in fibra drogati con terre rare

Le terre rare comprendono 15 elementi, posizionati nella quinta fila della tavola periodica.

Attualmente, gli ioni di terre rare maturamente sviluppati e incorporati nelle fibre attive includono Er³⁺, Nd³⁺, Pr³⁺, Tm³⁺e Yb³⁺.

Negli ultimi anni, i laser a fibra drogata a doppio rivestimento, che utilizzano la tecnologia di pompaggio del cladding, hanno aumentato significativamente la potenza di uscita, diventando un altro punto caldo della ricerca nel campo dei laser.

Questo tipo di struttura della fibra, come mostrato nella Figura 3.1, è composta da un rivestimento esterno, un rivestimento interno e un nucleo drogato.

L'indice di rifrazione del rivestimento esterno è inferiore a quello del rivestimento interno, che a sua volta è inferiore all'indice di rifrazione del nucleo della fibra, formando così una struttura a guida d'onda a doppio strato.

La fibra drogata a doppio rivestimento è un componente chiave nella costruzione dei laser a fibra. I suoi ruoli principali in un laser a fibra includono:

1) Conversione della potenza della luce di pompa nel mezzo di lavoro del laser;

2) Collaborare con altri dispositivi per formare un risonatore laser.

Il suo principio di funzionamento consiste principalmente nell'iniettare la luce di pompa nella fibra lateralmente o dalla faccia terminale. Poiché l'indice di rifrazione del rivestimento esterno è molto più basso di quello del rivestimento interno della fibra, il rivestimento interno può trasmettere la luce di pompa multimodale.

La dimensione della sezione trasversale del rivestimento interno è maggiore di quella del nucleo. In questo modo, per la lunghezza d'onda del laser generato, il rivestimento interno e il nucleo drogato con terre rare formano una perfetta guida d'onda monomodale, mentre il rivestimento interno e quello esterno formano una guida d'onda multimodale per la trasmissione della potenza della luce di pompa.

Ciò consente di accoppiare la luce di pompa multimodale di grande potenza nel rivestimento interno. La luce di pompa multimodale viene assorbita più volte mentre viaggia lungo la fibra, attraversando il nucleo. Grazie all'eccitazione degli ioni di terre rare nel nucleo, viene prodotto un segnale laser ad alta potenza.

Il principio di funzionamento è illustrato nella Figura 3.1.

3.2 Laser a reticolo in fibra di Bragg

La crescente maturità della tecnologia dei reticoli di Bragg in fibra con scrittura UV negli anni '90 ha portato a una maggiore attenzione per i laser a reticolo di Bragg, soprattutto per i laser a reticolo di Bragg a riflettore distribuito (DBR) e a retroazione distribuita (DFB).

La differenza principale tra i due è che il laser a fibra DFB utilizza un solo reticolo per ottenere il feedback ottico e la selezione della lunghezza d'onda, offrendo così una migliore stabilità ed evitando la perdita per fusione tra la fibra drogata con Er e il reticolo.

Tuttavia, mentre il reticolo può essere scritto direttamente nella fibra drogata con i raggi UV, la fabbricazione pratica del laser in fibra DEB non è facile a causa del basso contenuto di Ge nel nucleo della fibra e della scarsa fotosensibilità.

Al contrario, il laser a fibra DBR può essere fabbricato più facilmente fondendo un reticolo di fibra drogata con Ge a entrambe le estremità della fibra drogata con Er per formare una cavità risonante.

I laser a reticolo in fibra DBR e DFB devono affrontare diversi problemi, come la bassa efficienza di assorbimento della pompa dovuta a cavità risonanti corte, linee spettrali più ampie rispetto ai laser ad anello e il salto di modalità.

Sono in corso continui sforzi per risolvere questi problemi. I miglioramenti proposti includono l'utilizzo di fibre co-drogate Er:Yb come mezzo di guadagno, l'adozione di un metodo di pompaggio intracavitario e l'integrazione dell'oscillatore e dell'amplificatore di potenza.

3.3 Laser in fibra a impulsi ultracorti

I laser a impulsi ultracorti sono attualmente un tema di ricerca molto caldo nel campo dei laser a fibra, soprattutto grazie alle tecniche di blocco passivo della modalità.

Analogamente ai laser a stato solido, i laser a fibra generano uscite laser a impulsi brevi in base al principio del mode-locking. Quando un laser a fibra opera su un gran numero di modi longitudinali all'interno della larghezza di banda del guadagno, il mode-locking si ottiene quando ogni modo longitudinale si sincronizza in fase e la differenza di fase tra due modi longitudinali adiacenti è costante.

Il singolo impulso che circola nella cavità risonante emette energia attraverso l'accoppiatore di uscita. I laser a fibra si dividono in laser a fibra con blocco di modalità attivo e laser a fibra con blocco di modalità passivo.

La capacità di modulazione attiva del mode-locking limita la larghezza dell'impulso del mode-locked, che è generalmente dell'ordine dei picosecondi. I laser in fibra con blocco di modalità passivo utilizzano gli effetti ottici non lineari della fibra o di altri componenti ottici per ottenere il blocco di modalità.

La struttura del laser è semplice e, in determinate condizioni, può ottenere un blocco di modalità autoavviante senza componenti di modulazione. I laser a fibra con blocco di modalità passivo possono emettere impulsi ultracorti dell'ordine dei femtosecondi.

I laser a impulsi ultracorti sono stati utilizzati come sorgenti di luce ultraveloci, dando vita a una serie di tecniche di spettroscopia e pompaggio risolte nel tempo. La tecnologia di generazione di impulsi ultracorti è fondamentale per ottenere la multiplazione ottica a divisione di tempo (OTDM) ad altissima velocità. I laser in fibra a impulsi ultracorti sono molto diffusi in vari campi, come quello dei materiali, della biologia, della medicina, della chimica e dell'esercito.

4. Prospettive future

I laser sono il cuore della tecnologia laser e la direzione futura dello sviluppo dei laser in fibra sarà quella di migliorare ulteriormente le prestazioni dei laser in fibra, come l'aumento della potenza di uscita e il miglioramento della qualità del fascio, l'espansione di nuove lunghezze d'onda laser, l'ampliamento della gamma sintonizzabile dei laser, il restringimento dello spettro laser, lo sviluppo di impulsi ultrabrevi (livelli ps e fs) di laser ad alta luminosità e la ricerca sulla miniaturizzazione complessiva, la praticità e l'intelligenza.

Negli ultimi anni, lo sviluppo si è concentrato principalmente su tre aspetti:

(1) migliorare le prestazioni dei reticoli di Bragg in fibra, consentendone l'applicazione nei laser in fibra;

(2) laser a fibre ottiche con larghezze d'impulso e linee spettrali più ridotte, potenza di uscita più elevata, intervallo di sintonizzazione più ampio, ecc;

(3) rendere più pratici i laser a fibra.

Applicazioni industriali: L'applicazione più importante della fibra laser nell'industria è la lavorazione dei materiali. Grazie alla sua potenza in costante aumento, i laser a fibra hanno iniziato a essere utilizzati su larga scala per il taglio industriale.

I laser a fibra sono ideali per il taglio, la lavorazione e la manipolazione di materiali metallici e di materiali non metallici. Possono essere utilizzati per la calibrazione di prodotti laser, il taglio di precisione e l'incisione laser, saldatura laser, foratura di precisione, rilevamento laser, micropiegatura, misurazione laser e altri aspetti tecnici.

Applicazioni di telecomunicazione: Per soddisfare gli attuali requisiti di comunicazione ad alta capacità, l'applicazione dei laser in fibra è diventata una tecnologia emergente nelle comunicazioni.

La futura tecnologia di comunicazione passerà gradualmente dalla comunicazione elettrica a quella ottica. I laser a fibre ottiche possono non solo generare un'emissione laser continua, ma anche produrre impulsi laser ultrabrevi di picosecondi (ps) o addirittura femtosecondi (fs).

I laser a fibre ottiche hanno fatto passi da gigante nella riduzione delle soglie, nell'ampliamento della gamma di lunghezze d'onda e nella capacità di sintonizzare le lunghezze d'onda. La comunicazione a solitoni, una tecnologia pratica, può raggiungere una distanza di trasmissione di milioni di chilometri, una velocità di trasmissione di 20 Gb/s e un tasso di errore di bit inferiore a 10-13, ottenendo una trasmissione del segnale ad alta velocità e di alta qualità.

Applicazioni militari: Con il continuo aumento della potenza dei laser in fibra, la loro applicazione in campo militare sta diventando sempre più diffusa.

Per raggiungere lo scopo delle armi a energia diretta, diversi laser a fibra sono combinati in una struttura ad array coerente, che può aumentare la potenza dei laser a fibra.

Presso l'Air Force Research Laboratory, negli Stati Uniti, sono attualmente in corso ricerche su laser in fibra da 100kW per soddisfare gli obiettivi delle applicazioni militari.