Immaginate uno strumento così preciso da tagliare il metallo con la stessa finezza del bisturi di un chirurgo. I laser a fibra hanno rivoluzionato i settori industriali, dalla produzione alla medicina. Questo articolo si addentra nella meccanica dei laser a fibra, esplorando il modo in cui sfruttano la potenza della luce attraverso le fibre ottiche per ottenere una precisione e un'efficienza senza precedenti. I lettori scopriranno le varie applicazioni di questa tecnologia, la scienza che la rende possibile e i progressi che ne determinano il futuro. Unitevi a noi nell'illuminare il mondo all'avanguardia dei laser in fibra.
La fibra ottica, nota anche come fibra ottica, è una guida d'onda cilindrica utilizzata per trasmettere la luce. Sfrutta il principio della riflessione interna totale per confinare l'onda luminosa all'interno del nucleo della fibra e guidarla lungo l'asse della fibra.
La sostituzione dei fili di rame con la fibra ottica ha cambiato il mondo. Come mezzo per la trasmissione della luce, la fibra ottica è stata ampiamente adottata fin dalla sua proposta da Gao Kun nel 1966 grazie ai suoi numerosi vantaggi, come l'elevata capacità, le forti capacità anti-interferenza, la bassa perdita di trasmissione, la lunga distanza di trasmissione, l'eccellente sicurezza, la forte adattabilità, le dimensioni compatte, il peso leggero e le abbondanti risorse di materie prime.
Gao Kun, ampiamente riconosciuto come il "padre della fibra ottica", è stato insignito del Premio Nobel per la Fisica nel 2009.
Il settore delle telecomunicazioni è stato trasformato dal continuo miglioramento e dalle applicazioni pratiche della fibra ottica. La fibra ottica ha sostituito in larga misura i fili di rame ed è ora una parte fondamentale della comunicazione moderna.
Il sistema di comunicazione a fibra ottica è un tipo di sistema di comunicazione che utilizza la luce come vettore di informazioni e la fibra ottica come mezzo di guida d'onda. Quando si trasmettono informazioni, il segnale elettrico viene convertito in segnale ottico e trasmesso all'interno della fibra ottica.
Come nuova forma di tecnologia di comunicazione, la comunicazione in fibra ottica ha mostrato fin dall'inizio vantaggi incomparabili, attirando un interesse e un'attenzione diffusi.
L'uso diffuso della fibra ottica nelle comunicazioni ha anche stimolato il rapido sviluppo degli amplificatori e dei laser in fibra. Oltre che nel campo delle comunicazioni, i sistemi in fibra ottica sono comunemente utilizzati anche in medicina, nel rilevamento e in altri settori.
La fibra attiva funge da mezzo di guadagno nei laser a fibra. In base alla sua struttura, può essere classificata in fibra monomodale, fibra a doppio rivestimento e fibra a cristalli fotonici.
La fibra monomodale è composta da nucleo, rivestimento e cladding. L'indice di rifrazione (N1) del materiale del nucleo è superiore a quello del materiale del rivestimento (N2). Quando l'angolo di incidenza della luce incidente è maggiore dell'angolo critico, il fascio viene emesso completamente nel nucleo, consentendo alla fibra ottica di confinare il fascio nel nucleo e di trasmetterlo.
Tuttavia, il rivestimento interno della fibra monomodale non può confinare la luce di pompa multimodale e il nucleo ha una bassa apertura numerica. Di conseguenza, l'uscita laser può essere ottenuta solo accoppiando la luce di pompa monomodale nel nucleo.
I primi laser a fibra utilizzavano una fibra monomodale, con una bassa efficienza di accoppiamento e una potenza di uscita di soli milliwatt.
Trasmissione della luce in fibra ottica
Nel tentativo di superare i limiti della fibra convenzionale monomodale e a singolo rivestimento drogata con itterbio (Yb3+) in termini di efficienza di conversione e potenza di uscita, R. Maurer ha proposto per la prima volta il concetto di fibra a doppio rivestimento nel 1974. Tuttavia, è stato solo quando E. Snitzer e altri hanno proposto la tecnologia di pompaggio del cladding nel 1988 che la tecnologia dei laser/amplificatori in fibra drogata di itterbio ad alta potenza ha visto un rapido sviluppo.
La fibra ottica a doppio rivestimento è un tipo di fibra ottica con una struttura unica. Rispetto alla fibra ottica convenzionale, presenta un rivestimento interno costituito da uno strato di rivestimento, un rivestimento interno, un rivestimento esterno e un nucleo drogato.
La tecnologia di pompaggio del rivestimento si basa sulla fibra a doppio rivestimento e mira a trasmettere la luce di pompa multimodale nel rivestimento interno e la luce laser nel nucleo della fibra, migliorando così notevolmente l'efficienza di conversione della pompa e la potenza di uscita del laser a fibra.
La struttura della fibra a doppio rivestimento, la forma del rivestimento interno e la modalità di accoppiamento della luce di pompa sono fondamentali per questa tecnologia.
La bobina della fibra a doppio rivestimento è composta da silice (SiO2) drogata con elementi di terre rare. Nei laser a fibre ottiche, serve sia come mezzo laser che come canale di trasmissione del segnale laser.
Per garantire che l'eccitazione in uscita sia il modo trasversale fondamentale, il parametro V viene ridotto per la corrispondente lunghezza d'onda di lavoro progettando l'apertura numerica e il diametro del nucleo.
La dimensione trasversale del rivestimento interno (decine di volte più grande del diametro del nucleo convenzionale) e l'apertura numerica sono molto più grandi di quelle del nucleo e il suo indice di rifrazione è inferiore a quello del nucleo, il che limita la propagazione completa del laser nel nucleo.
In questo modo si crea una guida d'onda ottica con un'ampia sezione trasversale e apertura numerica tra il nucleo e il rivestimento esterno, consentendo alla luce di pompa ad alta potenza con un'ampia apertura numerica, sezione trasversale e multimodale di essere accoppiata nella fibra ottica e limitata alla trasmissione all'interno del rivestimento interno senza diffusione. Ciò contribuisce a mantenere il pompaggio ottico ad alta densità di potenza.
Il rivestimento esterno della fibra a doppio rivestimento è composto da materiali polimerici con un indice di rifrazione inferiore a quello del rivestimento interno. Lo strato più esterno è uno strato protettivo composto da materiali organici.
L'area di accoppiamento della fibra a doppio rivestimento alla luce di pompa è determinata dalla dimensione del rivestimento interno, a differenza della fibra monomodale tradizionale, che è determinata esclusivamente dal nucleo.
In questo modo si crea una struttura a guida d'onda a doppio strato per la fibra a doppio rivestimento.
Da un lato, migliora l'efficienza di accoppiamento di potenza del laser a fibra, consentendo alla luce di pompa di eccitare gli ioni drogati e di emettere luce laser attraverso il nucleo della fibra più volte quando viene condotta nel rivestimento interno.
D'altra parte, la qualità del fascio di uscita è determinata dalla natura del nucleo della fibra e l'introduzione del rivestimento interno non influisce negativamente sulla qualità del fascio di uscita del laser a fibra.
Schema strutturale della fibra ottagonale a doppio rivestimento
Schema di diverse strutture di rivestimento interno
Il rivestimento interno specificamente progettato del laser a fibra a doppio rivestimento può migliorare notevolmente l'efficienza di utilizzo della luce di pompa.
Inizialmente, la struttura del rivestimento interno della fibra a doppio rivestimento era cilindrica e simmetrica, il che rendeva il suo processo di produzione relativamente semplice e facile da accoppiare con la fibra di coda del diodo laser di pompa (LD).
Tuttavia, la sua perfetta simmetria ha dato luogo a un gran numero di raggi a spirale nella luce di pompa all'interno del rivestimento interno, che non avrebbero mai raggiunto l'area del nucleo anche dopo molteplici riflessioni.
Di conseguenza, questi raggi non potevano essere assorbiti dal nucleo della fibra, con conseguente perdita di luce, rendendo difficile migliorare l'efficienza di conversione, anche con l'uso di fibre più lunghe.
Pertanto, la simmetria cilindrica della struttura di rivestimento interna deve essere interrotta.
Nella fibra convenzionale a doppio rivestimento, la potenza laser in uscita è determinata dalle dimensioni del nucleo della fibra e l'apertura numerica determina la qualità del fascio laser in uscita.
Tuttavia, le limitazioni dei meccanismi fisici, come gli effetti non lineari e i danni ottici nella fibra ottica, rendono impossibile soddisfare le esigenze di funzionamento monomodale di una fibra a doppio rivestimento a grande campo di modalità e ad alta potenza di uscita solo aumentando il diametro del nucleo.
L'avvento di fibre ottiche speciali, come la fibra a cristalli fotonici (PCF), offre una soluzione efficace a questo problema.
Il concetto di cristalli fotonici è stato proposto per la prima volta da E. Yablonovitch nel 1987. Si tratta di materiali dielettrici con costanti dielettriche variabili che formano una struttura periodica dell'ordine della lunghezza d'onda della luce in uno spazio unidimensionale, bidimensionale o tridimensionale. In questo modo si creano delle bande guida fotoniche che permettono la propagazione della luce e delle lacune di banda fotoniche (PBG) che impediscono la propagazione della luce.
Modificando la disposizione e il periodo di distribuzione dei diversi mezzi, è possibile ottenere numerosi cambiamenti nelle proprietà dei cristalli fotonici, consentendo funzioni specifiche.
La fibra di cristallo fotonico (PCF) è un cristallo fotonico bidimensionale, definito anche fibra a microstruttura o fibra porosa.
Nel 1996, J.C. Knight e altri hanno creato la prima PCF, il cui meccanismo di guida della luce è simile al meccanismo di guida della luce a riflessione interna totale della fibra ottica tradizionale.
Il primo PCF basato sul principio del band gap fotonico è stato inventato nel 1998.
Dopo il 2005, i metodi di progettazione e di preparazione dei PCF a grande campo di modo sono diventati diversi, con l'emergere di strutture di forma diversa, tra cui PCF a canale leaky, PCF a stelo, PCF a grande spaziatura e PCF multi-core.
Anche l'area del campo di modo delle fibre ottiche è aumentata.
Microstruttura di diverse fibre di cristallo fotonico
La fibra a cristalli fotonici (PCF) appare simile alla tradizionale fibra monomodale, ma presenta una complessa struttura di fori a livello di microstruttura.
Queste caratteristiche strutturali conferiscono alle PCF molti vantaggi unici che le fibre ottiche tradizionali non possono eguagliare, come la trasmissione monomodale senza interruzioni, l'ampia area del campo di modo, la dispersione regolabile e la bassa perdita di limitazione, superando numerosi problemi dei laser tradizionali.
Ad esempio, il PCF può ottenere un funzionamento monomodale con un'ampia area di campo di modo, riducendo in modo significativo la densità di potenza laser nella fibra ottica, riducendo al minimo l'effetto non lineare nella fibra ottica e migliorando la soglia di danneggiamento della fibra ottica e preservando la qualità del fascio.
Inoltre, consente un'ampia apertura numerica, con conseguente migliore accoppiamento della luce di pompa e una maggiore potenza di uscita del laser.
Questi vantaggi della PCF hanno portato a un'impennata della ricerca in tutto il mondo, rendendola un nuovo punto di riferimento per la ricerca sui laser a fibra e svolgendo un ruolo sempre più importante nelle applicazioni dei laser a fibra ad alta potenza.
Un laser con una fibra ottica come mezzo di guadagno del laser è chiamato laser a fibra.
Come altri tipi di laser, è composto da un mezzo di guadagno, una sorgente di pompa e un risonatore.
Il usi del laser a fibra la fibra attiva, drogata con elementi di terre rare nel nucleo, come mezzo di guadagno.
In genere, i laser a semiconduttore fungono da sorgente di pompa, mentre il risonatore è composto da specchi, facce terminali in fibra, specchi ad anello in fibra o reticoli in fibra.
In base alle caratteristiche del dominio del tempo, i laser a fibra possono essere suddivisi in laser a fibra continua e laser a fibra pulsata.
In base alla struttura del risonatore, possono essere suddivisi in laser a fibra a cavità lineare, laser a fibra a feedback distribuito e laser a fibra a cavità anulare.
In base al diverso guadagno della fibra e alla modalità di pompaggio, possono essere suddivisi in laser in fibra a singolo rivestimento (pompaggio del nucleo) e laser in fibra a doppio rivestimento (pompaggio del rivestimento).
Principio di struttura di tutti i laser in fibra a cavità lineare
Nel 1961, Snitzer scoprì radiazione laser in guide d'onda di vetro drogate con Nd.
Nel 1966, Gao Kun studiò a fondo le cause principali dell'attenuazione ottica nelle fibre ottiche e indicò i problemi tecnici fondamentali che dovevano essere affrontati per l'applicazione pratica delle fibre ottiche nelle comunicazioni.
Nel 1970, l'azienda statunitense Corning ha sviluppato fibre ottiche con un'attenuazione inferiore a 20 dB/km, gettando le basi per lo sviluppo della comunicazione ottica e della tecnologia optoelettronica.
Questa innovazione tecnologica ha anche facilitato notevolmente lo sviluppo dei laser a fibra.
Negli anni '70 e '80, la maturità e la commercializzazione della tecnologia dei laser a semiconduttore hanno fornito fonti di pompaggio affidabili e diversificate per lo sviluppo dei laser a fibra.
Allo stesso tempo, i progressi della deposizione chimica da vapore hanno ridotto la perdita di trasmissione delle fibre ottiche.
I laser a fibra si sono rapidamente diversificati. Diversi elementi delle terre rare, come l'erbio (Er3+), l'itterbio (Yb3+), il neodimio (Nd3+), il samario (Sm3+), il tulio (Tm3+), l'olmio (Ho3+), il praseodimio (Pr3+), il disprosio (Dy3+) e il bismuto (Bi3+), vengono drogati nella fibra per ottenere un'emissione laser di diverse lunghezze d'onda, in modo da soddisfare i vari requisiti applicativi.
Gamma dello spettro di emissione della fibra di quarzo drogata con elementi di terre rare
I vantaggi del laser in fibra ad alta potenza sono i seguenti.
La struttura a guida d'onda del laser a fibra facilita la produzione di un'uscita a singolo modo trasversale e non è influenzata in modo significativo da fattori esterni, con conseguente emissione di laser ad alta luminosità.
I laser a fibra possono raggiungere un'elevata efficienza di conversione ottico-ottica utilizzando come sorgente di pompa un laser a semiconduttore la cui lunghezza d'onda di emissione corrisponde alle caratteristiche di assorbimento degli elementi di terre rare drogati.
Per i laser in fibra drogati con itterbio ad alta potenza, si scelgono in genere laser a semiconduttore da 915 nm o 975 nm.
La semplice struttura dei livelli energetici dell'Yb3+ porta a pochi fenomeni, come la conversione verso l'alto, l'assorbimento allo stato eccitato e l'estinzione della concentrazione, e a una lunga durata della fluorescenza, rendendolo efficace per l'immagazzinamento di energia e il raggiungimento di un funzionamento ad alta potenza.
L'efficienza elettro-ottica complessiva dei laser in fibra commerciali può raggiungere i 25%, contribuendo alla riduzione dei costi, al risparmio energetico e alla tutela dell'ambiente.
I laser a fibra utilizzano una sottile fibra drogata con terre rare come mezzo di guadagno laser, che vanta un ampio rapporto tra superficie e volume. Questo rapporto è circa 1000 volte superiore a quello dei laser a blocco a stato solido e offre vantaggi intrinseci in termini di dissipazione del calore.
Per le applicazioni di bassa e media potenza, non è necessario un raffreddamento speciale della fibra ottica. Negli scenari ad alta potenza, il raffreddamento ad acqua può mitigare efficacemente il declino della qualità e dell'efficienza del fascio causato dagli effetti termici nei laser a stato solido.
L'uso di una fibra piccola e flessibile come mezzo di guadagno del laser in fibra lo rende ideale per ridurre il volume e i costi. Anche la sorgente di pompa, un laser a semiconduttore, ha dimensioni compatte ed è facilmente modulabile. La maggior parte dei prodotti commerciali può essere prodotta utilizzando la fibra di coda.
Incorporando dispositivi in fibra ottica come i reticoli di Bragg, è possibile ottenere un sistema in fibra completamente ottico attraverso la fusione di questi dispositivi. Ciò consente di ottenere un'elevata immunità ai disturbi ambientali, un'alta stabilità e una riduzione dei tempi e dei costi di manutenzione.
I laser in fibra ad alta potenza presentano anche svantaggi insormontabili:
In primo luogo, è facilmente limitato da effetti non lineari.
La struttura a guida d'onda del laser a fibra gli conferisce una lunga lunghezza effettiva, con conseguente bassa soglia per vari effetti non lineari. Tuttavia, effetti non lineari dannosi come lo stimulated Raman scattering (SRS) e la modulazione di autofase (SPM) possono portare a fluttuazioni di fase, trasferimento di energia nello spettro e persino danni al sistema laser, ostacolando il progresso dei laser a fibra ad alta potenza.
Il secondo è l'effetto di oscuramento dei fotoni.
L'elevata concentrazione di drogaggio di terre rare nei laser a fibra comporta un declino graduale e irreversibile dell'efficienza di conversione di potenza a causa dell'effetto di oscuramento dei fotoni con un tempo di pompaggio prolungato. Ciò limita la stabilità e la durata a lungo termine dei laser in fibra ad alta potenza, in particolare nel caso dei laser in fibra ad alta potenza drogati con itterbio.
Tuttavia, i progressi nei laser a semiconduttore accoppiati a fibra ad alta luminosità e nella tecnologia della fibra a doppio rivestimento hanno migliorato significativamente la potenza di uscita, l'efficienza di conversione ottica e la qualità del fascio dei laser a fibra ad alta potenza.
L'enorme richiesta di laser in fibra ad alta potenza per i processi industriali, le armi ad energia direzionale, la telemetria a lunga distanza, il lidar e altri campi ha spinto le aziende come IPG Photonics, Nufern, NLight e il Gruppo Trumpf ad impegnarsi nella ricerca, portando allo sviluppo di laser in fibra ad alta potenza sia ad onda continua che ad onda pulsata con una linea di prodotti diversificata.
Anche istituzioni accademiche come l'Università Tsinghua, l'Università di Scienza e Tecnologia della Difesa Nazionale, l'Istituto di Ottica e Macchine di Precisione di Shanghai, l'Accademia delle Scienze Cinese e il Quarto Istituto di Ricerca del Gruppo Cinese di Scienza e Industria Aerospaziale hanno riportato risultati entusiasmanti in questo campo.
Le limitazioni degli effetti non lineari, degli effetti termici e delle soglie di danneggiamento dei materiali nei laser a fibra determinano una potenza di uscita limitata per i laser a fibra a canale singolo, con una diminuzione della qualità del fascio all'aumentare della potenza.
Per migliorare la qualità del fascio, è necessario adottare la tecnologia del controllo di modalità e progettare nuove fibre con strutture speciali. J.W. Dawson e colleghi hanno condotto un'analisi teorica del limite di potenza di uscita di una singola fibra. I calcoli rivelano che un laser in fibra a banda larga può raggiungere un'uscita laser prossima al limite di diffrazione con una potenza massima di 36 kW, mentre un laser in fibra a larghezza di linea stretta può raggiungere una potenza massima di 2 kW.
Per migliorare ulteriormente la potenza di uscita dei laser in fibra e degli amplificatori, la sintesi di potenza dei laser in fibra multicanale attraverso la tecnologia della sintesi coerente è un metodo efficace. Questo è diventato un argomento ampiamente studiato negli ultimi anni.
Sistema di sintesi coerente del laser a fibra
Le limitazioni imposte dagli effetti non lineari, dagli effetti termici e dalle soglie di danneggiamento dei materiali nei laser a fibra limitano la potenza di uscita dei laser a fibra monocanale e determinano un declino della qualità del fascio con l'aumento della potenza.
Per migliorare la qualità del fascio, è necessario utilizzare la tecnologia di controllo dei modi e la progettazione di speciali strutture in fibra. J.W. Dawson e i suoi colleghi hanno condotto un'analisi teorica del limite di potenza di uscita di una singola fibra. I risultati mostrano che un laser in fibra a banda larga può produrre un'uscita laser prossima al limite di diffrazione con una potenza massima di 36 kW, mentre un laser in fibra a larghezza di linea stretta può raggiungere una potenza massima di 2 kW.
La tecnologia della sintesi coerente, che prevede la sintesi di potenza di più laser a fibra, è un metodo efficace per aumentare la potenza di uscita di laser e amplificatori a fibra. Negli ultimi anni questo approccio è diventato un argomento di grande interesse per la ricerca.
Oltre ai vantaggi unici dei laser a fibra e alla richiesta di sistemi da 100 kilowatt, vari dispositivi di supporto, come accoppiatori conici a fibra, fibre multi-core, modulatori di fase con pigtail e spostatori di frequenza acusto-ottici, hanno svolto un ruolo cruciale nella commercializzazione della comunicazione a fibra ottica.
L'accoppiatore a cono in fibra e le fibre multi-core rendono molto più gestibile il controllo passivo della fase attraverso l'accoppiamento dell'iniezione di energia laser e l'accoppiamento delle onde evanescenti.
Il modulatore di fase con pigtail e i traslatori di frequenza acusto-ottici consentono un controllo attivo della fase con una larghezza di banda di controllo di megahertz, permettendo di controllare le fluttuazioni di fase in condizioni di alta potenza e di ottenere un'uscita con blocco di fase.
I ricercatori hanno proposto numerosi schemi di sintesi coerente, tra cui la tecnologia di sintesi spettrale, una tecnologia di sintesi incoerente che utilizza uno o più reticoli di diffrazione per diffrangere più sottofasci nella stessa apertura per ottenere un'uscita a singola apertura e una migliore qualità del fascio.
La sintesi spettrale dei laser a fibra sfrutta appieno l'ampia larghezza di banda di guadagno dei laser a fibra drogata con itterbio per superare le limitazioni della potenza di uscita di un singolo laser a fibra, ottenendo una potenza elevata e un fascio elevato. laser di qualità produzione. Questa è una delle strade tecniche più importanti per i laser in fibra ad alta potenza del futuro.
Sistema laser a fibra sintetica spettrale
Negli ultimi anni l'Istituto di Ottica e Meccanica di Shanghai ha condotto ricerche approfondite sui laser in fibra ad alta potenza e sulla sintesi spettrale, compiendo progressi significativi nella preparazione dei dispositivi, nelle tecnologie chiave e nei sistemi di sintesi spettrale.
Per quanto riguarda gli amplificatori in fibra a larghezza di linea ridotta e ad alta potenza, nel 2016 l'Istituto ha utilizzato dispositivi di base sviluppati in proprio, come reticoli di Bragg in fibra, combinatori in fibra ad alta potenza e filtri ottici di rivestimento. Ciò si è basato su tecnologie chiave, tra cui il filtraggio a cascata dei reticoli di Bragg, il controllo della larghezza di linea, il controllo dei parametri dello stadio di amplificazione e il controllo della modalità della fibra.
Questo risultato ha superato il limite di potenza di uscita monomodale dei laser con larghezza di linea inferiore a 50 GHz, riportato dal gruppo di ricerca dell'Università di Jena, in Germania. L'Istituto è stato in grado di ottenere un'uscita laser in fibra quasi al limite di diffrazione con una potenza di 2,5 kW, una larghezza di linea di 0,18 nm (50 GHz) e una lunghezza d'onda centrale di 1064,1 nm.
Il laser è caratterizzato da un seme in fibra ottica compatto e stabile e da una struttura di amplificazione a tre stadi, che lo rende altamente robusto. L'amplificatore principale utilizza una fibra non polarizzata da 20 μm/400 μm e l'aumento della potenza di pompa disponibile può migliorare ulteriormente la potenza di uscita del laser.
In termini di sintesi spettrale, i reticoli di diffrazione riflettenti a film metallico hanno una bassa soglia di danno e non sono in grado di sopportare l'irradiazione laser ad alta potenza, rendendo difficile la sintesi spettrale ad alta potenza. Tuttavia, nell'agosto 2016, l'Istituto ha realizzato la sintesi spettrale di 11,27 kW di alta qualità del fascio utilizzando 7 laser in fibra a larghezza di linea stretta e reticoli di diffrazione dielettrici multistrato non correlati alla polarizzazione ad alta soglia di danno (MLDG), compiendo progressi significativi nella sintesi spettrale di laser in fibra ad alta potenza.
Grazie alla buona qualità del fascio, all'elevata efficienza elettro-ottica, alla struttura compatta e all'affidabilità, i laser a fibre ottiche offrono prestazioni eccellenti in diversi campi, quali la lavorazione industriale, il trattamento medico, il telerilevamento, la sicurezza e la ricerca scientifica.
Nel settore industriale, i laser a fibra possono essere classificati in tre categorie in base alla loro potenza di uscita:
I laser in fibra a bassa potenza (< 50 watt) sono utilizzati principalmente per la lavorazione di microstrutture, la marcatura laser, la regolazione della resistenza e la precisione. perforazione, incisione di metalli, ecc.
I laser a fibre ottiche di media potenza (da 50 a 500 watt) sono utilizzati principalmente per la foratura, la saldatura, il taglio e l'asportazione di trucioli. trattamento della superficie di sottili piastre metalliche.
I laser in fibra ad alta potenza (> 1000 watt) sono utilizzati principalmente per il taglio di lastre metalliche spesse, per il rivestimento di superfici metalliche e per la lavorazione tridimensionale di lastre speciali.
Grazie alla buona qualità del fascio, all'elevata efficienza elettro-ottica, al design compatto e all'affidabilità, i laser a fibre ottiche offrono prestazioni eccezionali in vari campi, quali la lavorazione industriale, il trattamento medico, il telerilevamento, la sicurezza e la ricerca scientifica.
In ambito industriale, i laser a fibra possono essere raggruppati in tre categorie in base alla loro potenza di uscita:
I laser in fibra a bassa potenza (< 50 watt) sono utilizzati principalmente per la lavorazione di microstrutture, la marcatura laser, la regolazione della resistenza, la foratura di precisione, l'incisione dei metalli, ecc.
I laser a fibra di media potenza (da 50 a 500 watt) sono utilizzati prevalentemente per la foratura, la saldatura, il taglio e il trattamento superficiale di lastre metalliche sottili.
I laser in fibra ad alta potenza (> 1000 watt) sono utilizzati principalmente per il taglio di lastre metalliche spesse, il rivestimento di superfici metalliche e la lavorazione tridimensionale di lastre speciali, tra le altre applicazioni.
Grazie alla buona qualità del fascio, all'elevata efficienza elettro-ottica, al design compatto e all'affidabilità, i laser a fibre ottiche offrono prestazioni eccezionali in vari campi, quali la lavorazione industriale, il trattamento medico, il telerilevamento, la sicurezza e la ricerca scientifica.
Nel settore industriale, i laser a fibra possono essere classificati in tre categorie in base alla loro potenza di uscita:
I laser in fibra a bassa potenza (< 50 watt) sono utilizzati principalmente per la lavorazione di microstrutture, la marcatura laser, la regolazione della resistenza, la foratura di precisione, l'incisione dei metalli, ecc.
I laser a fibra di media potenza (da 50 a 500 watt) sono utilizzati prevalentemente per la foratura, la saldatura, il taglio e il trattamento superficiale di lastre metalliche sottili.
I laser in fibra ad alta potenza (> 1000 watt) sono utilizzati principalmente per il taglio di lastre metalliche spesse, il rivestimento di superfici metalliche e la lavorazione tridimensionale di lastre speciali, tra le altre applicazioni.
Rispetto ad altre sorgenti luminose, il volume ridotto dei laser in fibra contribuisce ad un'elevata mobilità sulle piattaforme di lancio, migliorando così l'adattabilità e la sopravvivenza sul campo di battaglia.
In Afghanistan, il sistema di sminamento laser "Zeus" della società Spata è stato utilizzato per rimuovere le mine.
Dal 2009, la Marina degli Stati Uniti ha utilizzato con successo sistemi laser a fibre ottiche per distruggere UAV, proiettili e piccole navi. Il sistema è stato installato sulle navi da guerra nel 2014.
Nel 2012, il rivenditore tedesco di armi per la difesa Rheinmetall ha lanciato un sistema laser a doppio tubo da 50 kW che ha intercettato e distrutto con successo UAV, proiettili e altri bersagli in un esperimento dimostrativo.
L'arma laser è un'arma di nuova concezione in rapido sviluppo.
Emette laser ad alta energia alla velocità della luce sulla superficie del bersaglio, causando danni a dispositivi chiave come il rilevamento fotoelettrico, la navigazione e la guida, o rendendo il bersaglio "cieco e sordo", o bruciando il guscio dell'oggetto in movimento per abbatterlo, o detonando il carburante per farlo esplodere in aria, completando così il compito di causare danni in un breve lasso di tempo.
Presenta i vantaggi della concentrazione di energia, della velocità di trasmissione e della ripetibilità d'uso, nonché un'elevata efficienza in termini di costi, un rapido trasferimento del fuoco e la resistenza alle interferenze elettromagnetiche.
Fin dalla sua nascita, lo sviluppo delle armi laser ha avuto la sua parte di alti e bassi. Tuttavia, la maturità di laser a stato solido tecnologie, come i laser a fibra, ha rivitalizzato lo sviluppo di armi laser ed è diventato il fulcro della ricerca delle principali potenze militari.
Attualmente, Paesi come gli Stati Uniti, la Gran Bretagna, la Russia, la Germania e l'India hanno avviato lo sviluppo di armi laser ed effettuato i relativi test.
L'ingresso delle armi laser nel campo di battaglia è dietro l'angolo.
Nel tentativo di combattere le minacce asimmetriche come gli UAV e le imbarcazioni d'attacco stealth e di migliorare le capacità di difesa ravvicinata delle navi, nel 2010 la Marina statunitense ha ufficialmente avviato lo sviluppo del "Sistema d'arma laser" (LAWS). Il sistema è stato schierato sulla nave da trasporto anfibio "Ponce" nel settembre 2014 per un test e una valutazione operativa di un anno.
Il LAWS è guidato da Raytheon, con la partecipazione di Boeing e Lockheed Martin in alcuni aspetti del lavoro. Il sistema sfrutta il più possibile le tecnologie e i componenti commerciali esistenti per ridurre al minimo i costi di R&S e di approvvigionamento.
Il prototipo LAWS è costituito da sei laser industriali in fibra che, quando sono operativi, combinano i loro fasci laser per produrre un raggio laser da 30 kW. Il costo dell'utilizzo del sistema d'arma laser è basso: si stima che un singolo colpo costi solo $1, in netto contrasto con le decine di migliaia o centinaia di migliaia di dollari per missile.
Nel 2016, l'Ufficio di ricerca navale degli Stati Uniti ha avviato lo sviluppo di un nuovo sistema d'arma laser ad alta energia a bordo di una nave con una potenza di uscita di 150 kW, cinque volte più potente del prototipo di sistema di leggi precedentemente testato. Il progetto ha richiesto 12 mesi e un costo di $53 milioni di dollari per sviluppare il "prototipo dimostrativo del sistema d'arma laser" in tre fasi: la prima fase è stata la progettazione iniziale, la seconda fase è stata quella dei test a terra e la terza fase è stata quella dei test su una nave di prova di autodifesa della Marina.
Nel 2014, l'Accademia cinese di ingegneria fisica e l'Istituto di ottica e meccanica di Shanghai hanno sviluppato congiuntamente il sistema "Low Altitude Guard". Nell'esperimento di dimostrazione e verifica, sono stati abbattuti con successo oltre 30 piccoli velivoli, come aerei ad ala fissa, multirotori ed elicotteri, con una percentuale di successo del 100%. Il sistema aveva una potenza di lancio di quasi 10.000 watt e un'area di protezione effettiva di 12 chilometri quadrati a bassa quota. Poteva intercettare con precisione una varietà di velivoli, compresi quelli ad ala fissa, entro un raggio di 2 chilometri e uno spazio aereo di 360 gradi, entro 5 metri. Il sistema era veloce, preciso e privo di danni collaterali.
Nel 2015, Lockheed Martin ha utilizzato un'arma laser da 30 kW chiamata Athena per distruggere un camion da un chilometro di distanza. Nel marzo 2017, l'azienda ha annunciato il completamento della ricerca e dello sviluppo di un sistema d'arma laser da 60 kW e la sua spedizione al centro di comando dell'esercito statunitense in Alaska. Il capo tecnologo dell'azienda ha dichiarato che il successo dei test ci avvicina allo sviluppo di sistemi d'arma laser portatili che possono essere impiegati su aerei militari, elicotteri, navi e camion. La ricerca ha dimostrato che il laser direzionale ad alta energia è ora abbastanza compatto, leggero e affidabile da poter essere utilizzato per la difesa su piattaforme terrestri, marine e aeree.
In conclusione, lo sviluppo della tecnologia laser dimostra che la tecnologia laser a fibra è la direzione futura dei laser ad alta potenza e ad alta luminosità. La combinazione della tecnologia delle fibre a guida d'onda e della tecnologia di pompaggio dei laser a semiconduttore porta alla creazione di laser in fibra ad alta potenza, in grado di soddisfare la pressante richiesta di laser ad alta potenza e ad alta efficienza nella produzione laser avanzata e nella difesa militare.
Questa tecnologia è di grande importanza strategica sia per l'economia che per la sicurezza nazionale. Inoltre, i laser in fibra ad alta potenza hanno un immenso potenziale applicativo in vari campi, come l'esplorazione energetica, i grandi dispositivi scientifici, la scienza spaziale, la scienza ambientale e altro ancora. Serviranno all'uomo come potente strumento per comprendere e plasmare il mondo.
In qualità di fondatore di MachineMFG, ho dedicato oltre un decennio della mia carriera al settore della lavorazione dei metalli. La mia vasta esperienza mi ha permesso di diventare un esperto nei campi della fabbricazione di lamiere, della lavorazione, dell'ingegneria meccanica e delle macchine utensili per metalli. Penso, leggo e scrivo costantemente su questi argomenti, cercando di essere sempre all'avanguardia nel mio campo. Lasciate che le mie conoscenze e la mia esperienza siano una risorsa per la vostra azienda.
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