Já alguma vez se interrogou sobre a forma como a tecnologia de laser de fibra revolucionou vários sectores? Este artigo explora os princípios fundamentais e as diversas aplicações dos lasers de fibra, destacando as suas vantagens em relação aos sistemas laser tradicionais. Descubra como estas ferramentas compactas e de alta precisão são utilizadas em áreas que vão desde as telecomunicações à tecnologia médica, oferecendo uma qualidade de feixe superior e eficiência energética. Ao ler, obterá informações sobre os mecanismos que fazem dos lasers de fibra uma parte vital da engenharia moderna e dos avanços da indústria.
A investigação sobre lasers de fibra dopada utilizando meios de ganho remonta à década de 1960, quando Snitzer relatou em 1963 a criação de um laser de fibra com iões de neodímio (Nd3+) dopado numa matriz de vidro.
Desde a década de 1970, registaram-se progressos significativos na tecnologia de preparação de fibras e na exploração de estruturas de bomba e de cavidade ressonante para lasers de fibra.
Em meados da década de 1980, um avanço na fibra dopada (Er3+) da Universidade de Southampton, no Reino Unido, melhorou consideravelmente o carácter prático dos lasers de fibra, apresentando perspectivas de aplicação muito promissoras.
Em comparação com os lasers tradicionais sólidos e a gás, os lasers de fibra têm muitas vantagens únicas, como a elevada qualidade do feixe, o tamanho reduzido, o peso reduzido, a ausência de manutenção, o arrefecimento a ar, a facilidade de funcionamento, o baixo custo de funcionamento e a utilização a longo prazo em ambientes industriais.
Oferecem também elevada precisão de processamento, velocidade rápida, longa duração, poupança de energia e excelente flexibilidade para inteligência e automação. Por conseguinte, substituíram os lasers YAG e CO2 tradicionais em muitos domínios.
A gama de comprimentos de onda de saída dos lasers de fibra situa-se entre 400-3400 nm, aplicável em vários domínios, como o armazenamento de dados ópticos, a comunicação ótica, a tecnologia de sensores, a espetroscopia e as aplicações médicas.
Atualmente, assiste-se a um rápido desenvolvimento dos lasers de fibra dopada, dos lasers de rede de Bragg em fibra, dos lasers de fibra sintonizáveis de largura de linha estreita e dos lasers de fibra dupla de alta potência.
O laser de fibra é constituído essencialmente por três partes: o meio de ganho que pode gerar fotões, a cavidade de ressonância ótica que permite a realimentação de fotões e a amplificação de ressonância no meio de ganho e a fonte de bomba que pode excitar o meio laser.
A estrutura básica do laser de fibra é apresentada na Figura 2.1.
O meio de ganho é um núcleo de fibra dopado com iões de terras raras. A fibra dopada é colocada entre dois espelhos com refletividade selecionada. A luz da bomba é acoplada à fibra a partir do espelho esquerdo do laser de fibra e emite luz laser através de um sistema ótico de colimação e de um filtro.
Teoricamente, a fonte da bomba e a fibra de ganho são os componentes essenciais do laser de fibra, e a cavidade ressonante não é indispensável. A seleção de modo da cavidade ressonante e o alongamento do meio de ganho não são necessários nos lasers de fibra porque a própria fibra pode ser muito longa, obtendo assim um ganho de passagem única muito elevado, e o efeito de guia de ondas da fibra pode desempenhar um papel de seleção de modo.
No entanto, em aplicações práticas, as pessoas preferem geralmente utilizar fibras mais curtas, pelo que, na maioria dos casos, é utilizada uma cavidade ressonante para introduzir a realimentação.
Devido à estrutura de guia de ondas dos lasers de fibra, podem acomodar um bombeamento forte e têm um ganho elevado (ganho de passagem única até 50dB). Os elementos de terras raras na matriz de vidro têm uma ampla largura de linha e uma gama de sintonização (Yb3+ é de 125nm, Tm3+ >300nm).
As características específicas são as seguintes:
1) A fibra serve como meio de guia de ondas, oferecendo uma elevada eficiência de acoplamento, um pequeno diâmetro do núcleo e facilidade na formação de uma elevada densidade de potência no interior da fibra. Pode ser convenientemente ligada aos actuais sistemas de comunicação por fibra ótica. Os lasers resultantes têm alta eficiência de conversão, baixo limiar de laser, excelente qualidade de feixe e largura de linha estreita.
2) Dada a alta relação "área de superfície / volume" da fibra, ela tem boa dissipação de calor. A temperatura ambiente pode variar de -20 a 70 ℃, eliminando a necessidade de um grande sistema de resfriamento de água e exigindo apenas um simples resfriamento de ar.
3) O laser de fibra pode funcionar em condições difíceis, como alto impacto, alta vibração, alta temperatura e condições de poeira.
4) Devido à excelente flexibilidade da fibra, o laser pode ser concebido para ser bastante pequeno e flexível, com uma forma compacta e um pequeno volume, facilitando a integração do sistema e oferecendo uma elevada relação desempenho-preço.
5) O laser de fibra tem uma grande quantidade de parâmetros sintonizáveis e seletividade, o que lhe permite cobrir uma vasta gama de sintonização, excelente monocromaticidade e elevada estabilidade. Tem uma longa vida útil da bomba, com um tempo médio de trabalho sem falhas de 10kh ou mesmo mais de 100kh.
Os lasers de fibra atualmente desenvolvidos utilizam principalmente fibras dopadas com elementos de terras raras como meio de ganho.
O princípio de funcionamento do laser de fibra é que a luz da bomba incide sobre a fibra dopada através do refletor frontal (ou grelha frontal), e os iões de terras raras que absorveram a energia do fotão sofrerão transições de nível de energia, conseguindo a "inversão do número de partículas".
As partículas invertidas voltarão ao estado fundamental sob a forma de radiação após a relaxação, libertando simultaneamente energia sob a forma de fotões e emitindo o laser através do refletor posterior (grelha posterior).
O amplificador de fibra dopado com elementos de terras raras promoveu o desenvolvimento de lasers de fibra, porque os amplificadores de fibra podem formar lasers de fibra através de mecanismos de feedback adequados.
Quando a luz da bomba passa através dos iões de terras raras na fibra, será absorvida pelos iões de terras raras. Neste momento, os átomos de terras raras que absorvem a energia dos fotões serão excitados para um nível de energia de laser mais elevado, conseguindo assim a inversão do número de iões.
O número de iões invertidos transitará do nível de energia elevado para o estado fundamental sob a forma de radiação e libertará energia, completando a radiação estimulada. O modo de radiação do estado excitado para o estado fundamental tem dois tipos: radiação espontânea e radiação estimulada.
Entre elas, a radiação estimulada é uma radiação com a mesma frequência e fase, que pode formar um laser muito coerente. A emissão laser é um processo físico em que a radiação estimulada excede largamente a radiação espontânea.
Para que este processo continue, a inversão do número de iões deve ser formada. Por isso, os níveis de energia envolvidos no processo devem ser superiores a dois, e deve haver também uma fonte de bomba para fornecer energia.
O laser de fibra pode, na verdade, ser chamado de conversor de comprimento de onda, através do qual a luz de comprimento de onda da bomba pode ser convertida na luz de comprimento de onda de laser necessária.
Por exemplo, um laser de fibra dopada com érbio bombeia luz de 980 nm e emite um laser de 1550 nm. A saída do laser pode ser contínua ou pulsada.
Os lasers de fibra têm dois estados de lasing, o de três níveis e o de quatro níveis. Os princípios do laser de três níveis e de quatro níveis são apresentados na Figura 2.2.
A bomba (fotão de alta energia de comprimento de onda curto) faz com que o eletrão transite do estado fundamental para o estado de alta energia E44 ou E33e, em seguida, passa para o nível laser superior E43 ou E32 através de transições não radiativas.
Quando o eletrão transita do nível laser superior para o nível de energia inferior E42 ou E31, o processo laser ocorrerá.
Existem vários tipos de lasers de fibra ótica que podem ser divididos em diferentes categorias, como mostra a Tabela 3.1. As secções seguintes apresentam uma introdução a vários tipos destes lasers.
Tabela 3.1 Classificação dos lasers de fibra ótica
| Classificação por estrutura do ressoador | Cavidade F-P, Cavidade em Anel, Ressonador de Fibra com Refletor em Laço e Cavidade em Forma de "8", Laser de Fibra DBR, Laser de Fibra DFB |
| Classificação por estrutura da fibra | Laser de fibra de revestimento simples, Laser de fibra de revestimento duplo |
| Classificação por meio de ganho | Laser de fibra dopada com terras raras, laser de fibra de efeito não linear, laser de fibra de cristal único, laser de fibra de plástico |
| Classificação por mecanismo de funcionamento | Laser de fibra de conversão ascendente, Laser de fibra de conversão descendente |
| Classificação por elementos de dopagem | Érbio (Er3+), neodímio (Nd3+), o praseodímio (Pr3+), Túlio (Tm3+), itérbio (Yb3+), hólmio (Ho3+) e 15 outros tipos |
| Classificação por comprimento de onda de saída | Banda S (1280-1350nm), Banda C (1528-1565nm), Banda L (1561-1620nm) |
| Classificação por laser de saída | Laser pulsado, laser de onda contínua |
Os elementos de terras raras englobam 15 elementos, posicionados na quinta linha da tabela periódica.
Atualmente, os iões de terras raras desenvolvidos com maturidade e incorporados em fibras activas incluem Er3+, Nd3+, Pr3+, Tm3+e Yb3+.
Nos últimos anos, os lasers de fibra dopada com revestimento duplo, utilizando a tecnologia de bombeamento de revestimento, aumentaram significativamente a potência de saída, tornando-se um outro ponto de acesso à investigação no domínio dos lasers.
Este tipo de estrutura de fibra, como se mostra na Figura 3.1, é composto por um revestimento exterior, um revestimento interior e um núcleo dopado.
O índice de refração do revestimento exterior é inferior ao do revestimento interior, que por sua vez é inferior ao índice de refração do núcleo da fibra, formando assim uma estrutura de guia de ondas de camada dupla.
A fibra dopada de revestimento duplo é um componente fundamental na construção de lasers de fibra. As suas principais funções num laser de fibra incluem:
1) Converter a potência da luz da bomba no meio de trabalho do laser;
2) Colaboração com outros dispositivos para formar um ressonador laser.
O seu princípio de funcionamento consiste principalmente na injeção da luz da bomba na fibra, quer lateralmente quer a partir da extremidade. Dado que o índice de refração do revestimento exterior é muito inferior ao do revestimento interior da fibra, o revestimento interior pode transmitir luz de bomba multimodo.
A dimensão da secção transversal do revestimento interior é maior do que a do núcleo. Assim, para o comprimento de onda do laser gerado, o revestimento interno e o núcleo dopado com terras raras formam um guia de ondas monomodo perfeito, enquanto ele e o revestimento externo formam um guia de ondas multimodo para transmitir a potência da luz da bomba.
Isso permite que a luz de bomba multimodo de grande potência seja acoplada ao revestimento interno. A luz de bomba multimodo é absorvida várias vezes à medida que viaja ao longo da fibra, atravessando o núcleo. Devido à excitação dos iões de terras raras no núcleo, é produzido um sinal de saída laser de alta potência.
O princípio de funcionamento é ilustrado na Figura 3.1.
A crescente maturidade da tecnologia de redes de Bragg em fibra escrita por UV na década de 1990 levou a uma maior atenção aos lasers de redes de Bragg em fibra, principalmente os lasers de redes de Bragg em fibra com refletor distribuído (DBR) e com realimentação distribuída (DFB).
A principal diferença entre os dois é que o laser de fibra DFB utiliza apenas uma grelha para obter feedback ótico e seleção do comprimento de onda, oferecendo assim uma melhor estabilidade e evitando a perda por fusão entre a fibra dopada com Er e a grelha.
No entanto, embora a grelha possa ser escrita diretamente na fibra dopada com Er utilizando UV, o fabrico prático do laser de fibra DEB não é fácil devido ao baixo teor de Ge no núcleo da fibra e à fraca fotossensibilidade.
Em contrapartida, o laser de fibra DBR pode ser fabricado mais facilmente através da fusão de uma grelha de fibra dopada com Ge em ambas as extremidades da fibra dopada com Er para formar uma cavidade ressonante.
Os lasers de grelha de fibra DBR e DFB enfrentam vários problemas, como a baixa eficiência de absorção da bomba devido a cavidades ressonantes curtas, linhas espectrais mais amplas do que os lasers em anel e saltos de modo.
Estão a ser feitos esforços contínuos para resolver estes problemas. As melhorias propostas incluem a utilização de fibra co-dopada com Er:Yb como meio de ganho, a adoção de um método de bombeamento intracavitário e a integração do oscilador e do amplificador de potência.
Os lasers de impulsos ultracurtos são atualmente um tema de investigação importante no domínio dos lasers de fibra, utilizando principalmente técnicas de bloqueio de modo passivo.
À semelhança dos lasers de estado sólido, os lasers de fibra geram saídas de laser de impulsos curtos com base no princípio do bloqueio de modo. Quando um laser de fibra opera num grande número de modos longitudinais dentro da largura de banda de ganho, o bloqueio de modo é alcançado quando cada modo longitudinal sincroniza a fase e a diferença de fase entre quaisquer dois modos longitudinais adjacentes é constante.
O pulso único que circula na cavidade ressonante emite energia através do acoplador de saída. Os lasers de fibra dividem-se em lasers de fibra com bloqueio de modo ativo e lasers de fibra com bloqueio de modo passivo.
A capacidade de modulação ativa de bloqueio de modo limita a largura do impulso de bloqueio de modo, que é geralmente da ordem dos picossegundos. Os lasers de fibra com bloqueio de modo passivo utilizam os efeitos ópticos não lineares da fibra ou de outros componentes ópticos para obter o bloqueio de modo.
A estrutura do laser é simples e pode atingir um bloqueio de modo auto-iniciado sob certas condições sem quaisquer componentes de modulação. A utilização de lasers de fibra com bloqueio de modo passivo permite a emissão de impulsos ultra-curtos da ordem dos femtossegundos.
Os lasers de impulsos ultracurtos têm sido utilizados em fontes de luz ultra-rápidas, dando origem a uma variedade de técnicas de espetroscopia e de bombagem resolvidas no tempo. A tecnologia de geração de impulsos ultracurtos é fundamental para alcançar a multiplexagem ótica por divisão do tempo (OTDM) de velocidade ultra-rápida. Os lasers de fibra de impulsos ultracurtos estão difundidos em vários domínios, como os materiais, a biologia, a medicina, a química e o militar.
Os lasers são o núcleo da tecnologia laser, e a direção futura do desenvolvimento dos lasers de fibra será melhorar ainda mais o desempenho dos lasers de fibra, tais como aumentar ainda mais a potência de saída e melhorar a qualidade do feixe; expandir novos comprimentos de onda laser, expandir a gama sintonizável de lasers; estreitar o espetro laser; desenvolver impulsos ultra-curtos (níveis ps e fs) de lasers de alto brilho; e realizar investigação sobre miniaturização geral, praticidade e inteligência.
Nos últimos anos, o desenvolvimento centrou-se principalmente em três aspectos:
(1) melhorar o desempenho das redes de Bragg em fibra, permitindo a sua boa aplicação em lasers de fibra;
(2) lasers de fibra com larguras de pulso e de linha espetral mais estreitas, maior potência de saída, maior gama de sintonização, etc;
(3) tornar os lasers de fibra mais práticos.
Aplicações industriais: A aplicação mais notável da fibra lasers na indústria é o processamento de materiais. Com a sua potência continuamente crescente, os lasers de fibra começaram a ser utilizados em grande escala para o corte industrial.
Os lasers de fibra são ideais para o corte, processamento e manuseamento de materiais metálicos e materiais não metálicos. Podem ser utilizados para calibração de produtos a laser, corte de precisão e gravação a laser, soldadura a laserA empresa tem uma vasta gama de produtos, incluindo perfuração de precisão, deteção de laser, microdobragem, medição de laser e outros aspectos técnicos.
Aplicações de telecomunicações: Para satisfazer os requisitos actuais de comunicação de alta capacidade, a aplicação de lasers de fibra tornou-se uma tecnologia emergente nas comunicações.
A futura tecnologia de comunicação passará gradualmente da comunicação eléctrica para a comunicação ótica. Os lasers de fibra podem não só gerar uma saída laser contínua, mas também produzir impulsos laser ultra-curtos de picossegundos (ps) ou mesmo femtossegundos (fs).
Os lasers de fibra têm feito grandes progressos na redução dos limiares, no alargamento das gamas de comprimentos de onda e nas capacidades de sintonização de comprimentos de onda. A comunicação por solitões, uma tecnologia prática, pode atingir uma distância de transmissão de milhões de quilómetros, uma taxa de transmissão de 20 Gb/s e uma taxa de erro de bits inferior a 10-13, alcançando uma transmissão de sinais de alta velocidade e qualidade.
Aplicações militares: Com o aumento contínuo da potência dos lasers de fibra, a sua aplicação no sector militar está a tornar-se cada vez mais generalizada.
Para atingir o objetivo das armas de energia dirigida, vários lasers de fibra são combinados numa estrutura de matriz coerente, o que pode aumentar a potência dos lasers de fibra.
No Laboratório de Investigação da Força Aérea, nos Estados Unidos, está atualmente a ser feita investigação sobre lasers de fibra de 100 kW para cumprir objectivos de aplicação militar.
Como fundador da MachineMFG, dediquei mais de uma década da minha carreira à indústria metalúrgica. A minha vasta experiência permitiu-me tornar-me um especialista nos domínios do fabrico de chapas metálicas, maquinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou constantemente a pensar, a ler e a escrever sobre estes assuntos, esforçando-me constantemente por me manter na vanguarda da minha área. Deixe que os meus conhecimentos e experiência sejam uma mais-valia para a sua empresa.
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