Imagine uma ferramenta tão precisa que pode cortar metal com a delicadeza do bisturi de um cirurgião. Os lasers de fibra revolucionaram as indústrias, desde o fabrico à medicina. Este artigo aprofunda a mecânica por detrás dos lasers de fibra, explorando a forma como estes aproveitam o poder da luz através das fibras ópticas para alcançar uma precisão e eficiência sem paralelo. Os leitores irão descobrir as várias aplicações desta tecnologia, a ciência que a torna possível e os avanços que estão a moldar o seu futuro. Junte-se a nós enquanto iluminamos o mundo de ponta dos lasers de fibra.
A fibra ótica, também conhecida como fibra ótica, é um guia de ondas cilíndrico utilizado para transmitir luz. Utiliza o princípio da reflexão interna total para confinar a onda de luz no núcleo da fibra e guiá-la ao longo do eixo da fibra.
A substituição dos fios de cobre por fibra ótica mudou o mundo. Como meio de transmissão de luz, a fibra ótica tem sido amplamente adoptada desde a sua proposta por Gao Kun em 1966, devido às suas inúmeras vantagens, tais como elevada capacidade, fortes capacidades anti-interferência, baixa perda de transmissão, longa distância de transmissão, excelente segurança, forte adaptabilidade, tamanho compacto, peso leve e abundantes recursos de matérias-primas.
Gao Kun, amplamente reconhecido como o "pai da fibra ótica", foi galardoado com o Prémio Nobel da Física em 2009.
O sector das telecomunicações foi transformado pela melhoria contínua e pelas aplicações práticas da fibra ótica. A fibra ótica substituiu largamente o fio de cobre e é atualmente uma parte crucial da comunicação moderna.
O sistema de comunicação por fibra ótica é um tipo de sistema de comunicação que utiliza a luz como portadora de informação e a fibra ótica como meio de guia de ondas. Ao transmitir informações, o sinal elétrico é convertido num sinal ótico e transmitido através da fibra ótica.
Como uma nova forma de tecnologia de comunicação, a comunicação por fibra ótica tem apresentado vantagens incomparáveis desde o início, atraindo um interesse e uma atenção generalizados.
A utilização generalizada da fibra ótica nas comunicações também estimulou o rápido desenvolvimento de amplificadores de fibra e lasers de fibra. Para além do domínio das comunicações, os sistemas de fibra ótica são também muito utilizados na medicina, na deteção e noutros domínios.
A fibra ativa serve como meio de ganho nos lasers de fibra. Pode ser classificada em fibra monomodo, fibra de revestimento duplo e fibra de cristal fotónico com base na sua estrutura.
A fibra monomodo é constituída por um núcleo, uma camada de revestimento e um revestimento. O índice de refração (N1) do material do núcleo é superior ao do material do revestimento (N2). Quando o ângulo de incidência da luz incidente é superior ao ângulo crítico, o feixe é completamente emitido no núcleo, permitindo que a fibra ótica confine o feixe ao núcleo e o transmita.
No entanto, o revestimento interno da fibra monomodo não pode confinar a luz de bomba multimodo e o núcleo tem uma abertura numérica baixa. Como resultado, a saída do laser só pode ser obtida através do acoplamento da luz de bomba monomodo no núcleo.
Os primeiros lasers de fibra utilizavam fibras monomodo, o que levava a uma baixa eficiência de acoplamento e produzia apenas miliwatts de potência de saída.
Transmissão de luz em fibra ótica
Num esforço para ultrapassar as limitações da fibra convencional de modo único e revestimento único dopada com itérbio (Yb3+) em termos de eficiência de conversão e potência de saída, R. Maurer propôs pela primeira vez o conceito de fibra de revestimento duplo em 1974. No entanto, foi só quando E. Snitzer e outros propuseram a tecnologia de bombagem de revestimento em 1988 que a tecnologia de laser/amplificador de fibra dopada com itérbio de alta potência registou um rápido desenvolvimento.
A fibra ótica de revestimento duplo é um tipo de fibra ótica com uma estrutura única. Em comparação com a fibra ótica convencional, tem um revestimento interior constituído por uma camada de revestimento, revestimento interior, revestimento exterior e núcleo dopado.
A tecnologia de bombagem de revestimento baseia-se na fibra de revestimento duplo e tem como objetivo transmitir luz de bomba multimodo no revestimento interno e luz laser no núcleo da fibra, melhorando assim consideravelmente a eficiência de conversão da bomba e a potência de saída do laser de fibra.
A estrutura da fibra de revestimento duplo, a forma do revestimento interno e o modo de acoplamento da luz da bomba são cruciais para esta tecnologia.
A bobina de fibra da fibra de revestimento duplo é composta por sílica (SiO2) dopada com elementos de terras raras. Nos lasers de fibra, serve como meio laser e como canal de transmissão do sinal laser.
Para garantir que a excitação de saída é o modo transversal fundamental, o parâmetro V é reduzido para o comprimento de onda de trabalho correspondente, concebendo a sua abertura numérica e o diâmetro do núcleo.
A dimensão transversal do revestimento interior (dezenas de vezes superior ao diâmetro do núcleo convencional) e a abertura numérica são muito superiores às do núcleo e o seu índice de refração é inferior ao do núcleo, o que limita a propagação completa do laser no núcleo.
Isto cria um guia de ondas ótico com uma grande secção transversal e abertura numérica entre o núcleo e o revestimento exterior, permitindo que a luz de bomba de alta potência com uma grande abertura numérica, secção transversal e multimodo seja acoplada à fibra ótica e limitada à transmissão no revestimento interior sem difusão. Isto ajuda a manter uma densidade de potência elevada de bombagem ótica.
O revestimento exterior da fibra de revestimento duplo é composto por materiais poliméricos com um índice de refração inferior ao do revestimento interior. A camada mais externa é uma camada protetora feita de materiais orgânicos.
A área de acoplamento da fibra de revestimento duplo à luz da bomba é determinada pelo tamanho do revestimento interno, ao contrário da fibra monomodo tradicional, que é determinada apenas pelo núcleo.
Isto cria uma estrutura de guia de ondas de camada dupla para a fibra de revestimento duplo.
Por um lado, melhora a eficiência do acoplamento de potência do laser de fibra, permitindo que a luz da bomba excite os iões dopados e emita luz laser através do núcleo da fibra várias vezes quando conduzida no revestimento interno.
Por outro lado, a qualidade do feixe de saída é determinada pela natureza do núcleo da fibra, e a introdução do revestimento interior não tem um impacto negativo na qualidade do feixe de saída do laser de fibra.
Diagrama estrutural da fibra dupla octogonal revestida
Diagrama esquemático de várias estruturas de revestimento interior
O revestimento interno especificamente concebido do laser de fibra de revestimento duplo pode aumentar significativamente a eficiência de utilização da luz da bomba.
Inicialmente, a estrutura de revestimento interior da fibra de revestimento duplo era cilíndrica e simétrica, o que tornava o seu processo de fabrico relativamente simples e fácil de acoplar à fibra de cauda do díodo laser de bomba (LD).
No entanto, a sua simetria perfeita resultou num grande número de raios em espiral na luz da bomba dentro do revestimento interior, que nunca alcançaria a área do núcleo mesmo após múltiplas reflexões.
Consequentemente, estes raios não podiam ser absorvidos pelo núcleo da fibra, o que levava a fugas de luz, dificultando a melhoria da eficiência da conversão, mesmo com a utilização de fibras mais longas.
Por conseguinte, a simetria cilíndrica da estrutura de revestimento interior deve ser perturbada.
Na fibra convencional de revestimento duplo, a potência laser de saída é determinada pelo tamanho do núcleo da fibra e a abertura numérica determina a qualidade do feixe laser de saída.
No entanto, as limitações dos mecanismos físicos, como os efeitos não lineares e os danos ópticos na fibra ótica, tornam impossível satisfazer as necessidades de funcionamento monomodo de uma fibra de revestimento duplo de grande campo de modo com uma potência de saída elevada apenas através do aumento do diâmetro do núcleo.
O advento de fibras ópticas especiais, como a fibra de cristal fotónico (PCF), oferece uma solução eficaz para este problema.
O conceito de cristais fotónicos foi proposto pela primeira vez por E. Yablonovitch em 1987. Este conceito envolve materiais dieléctricos com constantes dieléctricas variáveis que formam uma estrutura periódica com a ordem do comprimento de onda da luz num espaço unidimensional, bidimensional ou tridimensional. Criam-se assim bandas-guia fotónicas que permitem a propagação da luz e lacunas de banda fotónica (PBG) que proíbem a propagação da luz.
Ao alterar a disposição e o período de distribuição dos diferentes meios, é possível obter inúmeras alterações nas propriedades dos cristais fotónicos, permitindo funções específicas.
A fibra de cristal fotónico (PCF) é um cristal fotónico bidimensional, também designado por fibra de microestrutura ou fibra porosa.
Em 1996, J.C. Knight e outros criaram a primeira PCF, e o seu mecanismo de orientação da luz é semelhante ao mecanismo de orientação da luz de reflexão interna total na fibra ótica tradicional.
A primeira PCF baseada no princípio do intervalo de banda fotónica foi inventada em 1998.
Depois de 2005, os métodos de conceção e preparação de PCF de campo de modo grande tornaram-se diversificados, tendo surgido várias estruturas moldadas, incluindo PCF de canal com fugas, PCF de haste, PCF de grande espaçamento e PCF multi-core.
A área do campo de modo das fibras ópticas também aumentou.
Microestrutura de diferentes fibras de cristal fotónico
A fibra de cristais fotónicos (PCF) é semelhante à fibra monomodo tradicional, mas tem uma estrutura complexa de matriz de orifícios ao nível da microestrutura.
Estas características estruturais conferem às PCF muitas vantagens únicas que as fibras ópticas tradicionais não conseguem igualar, como a transmissão monomodo sem corte, uma grande área de campo de modo, dispersão ajustável e baixa perda de limitação, ultrapassando numerosos problemas nos lasers tradicionais.
Por exemplo, a PCF pode alcançar um funcionamento monomodo com uma grande área de campo de modo, reduzindo significativamente a densidade de potência laser na fibra ótica, minimizando o efeito não linear na fibra ótica e melhorando o limiar de danos da fibra ótica, preservando simultaneamente a qualidade do feixe.
Permite também uma grande abertura numérica, resultando num melhor acoplamento da luz de bombagem e numa maior potência de saída do laser.
Estas vantagens da PCF levaram a um aumento da investigação a nível mundial, tornando-a um novo foco de investigação em lasers de fibra e desempenhando um papel cada vez mais importante em aplicações de laser de fibra de alta potência.
Um laser com uma fibra ótica como meio de ganho do laser é designado por laser de fibra.
Tal como outros tipos de laser, é constituído por um meio de ganho, uma fonte de bombagem e um ressoador.
O utilizações do laser de fibra a fibra ativa, dopada com elementos de terras raras no núcleo, como meio de ganho.
Normalmente, os lasers de semicondutores servem como fonte de bomba, enquanto o ressoador é composto por espelhos, faces de extremidade de fibra, espelhos em anel de fibra ou grelhas de fibra.
Com base nas características no domínio do tempo, os lasers de fibra podem ser divididos em lasers de fibra contínua e lasers de fibra pulsada.
Com base na estrutura do ressonador, podem ser divididos em lasers de fibra de cavidade linear, lasers de fibra de feedback distribuído e lasers de fibra de cavidade em anel.
Com base na fibra de ganho diferente e no modo de bombagem, podem ser divididos em lasers de fibra de revestimento simples (bombagem de núcleo) e lasers de fibra de revestimento duplo (bombagem de revestimento).
Princípio de estrutura do laser de fibra de cavidade linear de todas as fibras
Em 1961, Snitzer descobriu radiação laser em guias de onda de vidro dopado com Nd.
Em 1966, Gao Kun estudou minuciosamente as principais causas da atenuação ótica nas fibras ópticas e apontou os principais problemas técnicos que tinham de ser resolvidos para a aplicação prática das fibras ópticas nas comunicações.
Em 1970, a Corning Company, nos Estados Unidos, desenvolveu fibras ópticas com uma atenuação inferior a 20 dB/km, o que lançou as bases para o desenvolvimento das comunicações ópticas e da tecnologia optoelectrónica.
Este avanço tecnológico também facilitou muito o desenvolvimento dos lasers de fibra.
Nas décadas de 1970 e 1980, a maturidade e a comercialização da tecnologia laser de semicondutores proporcionaram fontes de bombeamento fiáveis e diversificadas para o desenvolvimento de lasers de fibra.
Ao mesmo tempo, o avanço da deposição de vapor químico reduziu a perda de transmissão das fibras ópticas.
Os lasers de fibra diversificaram-se rapidamente. Diferentes elementos de terras raras, como o érbio (Er3+), o itérbio (Yb3+), o neodímio (Nd3+), o samário (Sm3+), o túlio (Tm3+), o hólmio (Ho3+), o praseodímio (Pr3+), o disprósio (Dy3+) e o bismuto (Bi3+), são dopados na fibra para obter uma saída laser de diferentes comprimentos de onda, de modo a satisfazer vários requisitos de aplicação.
Gama do espetro de emissão de fibras de quartzo dopadas com elementos de terras raras
As vantagens do laser de fibra de alta potência são as seguintes
A estrutura do guia de ondas do laser de fibra facilita a produção de uma saída de modo transversal único e não é significativamente afetada por factores externos, levando a uma saída de laser de elevado brilho.
Os lasers de fibra podem atingir uma elevada eficiência de conversão ótico-ótica utilizando como fonte de bombagem um laser semicondutor cujo comprimento de onda de emissão corresponda às características de absorção dos elementos de terras raras dopados.
Para lasers de fibra dopada com itérbio de alta potência, são normalmente seleccionados lasers de semicondutores de 915 nm ou 975 nm.
A estrutura simples do nível de energia do Yb3+ conduz a poucos fenómenos, como a conversão ascendente, a absorção do estado excitado e a atenuação da concentração, bem como a uma longa duração da fluorescência, o que o torna eficaz para armazenar energia e obter um funcionamento de alta potência.
A eficiência electro-ótica global dos lasers de fibra comerciais pode atingir 25%, contribuindo para a redução dos custos, a conservação da energia e a proteção do ambiente.
Os lasers de fibra utilizam uma fibra fina dopada com terras raras como meio de ganho do laser, que apresenta uma grande área de superfície e uma grande relação de volume. Este rácio é aproximadamente 1000 vezes superior ao dos lasers de bloco de estado sólido e oferece vantagens inerentes em termos de dissipação de calor.
Para aplicações de baixa e média potência, não é necessário um arrefecimento especial da fibra ótica. Em cenários de alta potência, o arrefecimento a água pode atenuar eficazmente o declínio da qualidade e eficiência do feixe causado por efeitos térmicos em lasers de estado sólido.
O facto de o laser de fibra utilizar uma fibra pequena e flexível como meio de ganho do laser torna-o ideal para reduzir o volume e os custos. A fonte da bomba, um laser semicondutor, também tem um tamanho compacto e é facilmente modularizada. A maioria dos produtos comerciais pode ser produzida utilizando fibra de cauda.
Ao incorporar dispositivos de fibra ótica, como as redes de Bragg em fibra, é possível obter um sistema de fibra totalmente ótico através da fusão destes dispositivos. Isto resulta numa elevada imunidade a perturbações ambientais, numa elevada estabilidade e numa redução do tempo e dos custos de manutenção.
Os lasers de fibra de alta potência também têm desvantagens insuperáveis:
Em primeiro lugar, é facilmente limitado por efeitos não lineares.
A estrutura de guia de ondas do laser de fibra confere-lhe um comprimento efetivo longo, resultando num limiar baixo para vários efeitos não lineares. No entanto, os efeitos não lineares nocivos, como a dispersão Raman estimulada (SRS) e a modulação de fase própria (SPM), podem provocar flutuações de fase, transferência de energia no espetro e até danos no sistema laser, impedindo o avanço dos lasers de fibra de alta potência.
O segundo é o efeito de escurecimento dos fotões.
A elevada concentração dopante de terras raras nos lasers de fibra resulta num declínio gradual e irreversível da eficiência de conversão de energia devido ao efeito de escurecimento dos fotões com um tempo de bombagem prolongado. Este facto limita a estabilidade a longo prazo e a vida útil dos lasers de fibra de alta potência, particularmente no caso dos lasers de fibra de alta potência dopados com itérbio.
No entanto, os avanços nos lasers de semicondutores acoplados a fibras de alto brilho e na tecnologia de fibra dupla melhoraram significativamente a potência de saída, a eficiência de conversão ótica e a qualidade do feixe dos lasers de fibra de alta potência.
A enorme procura de lasers de fibra de alta potência no processamento industrial, armas de energia direcional, telemetria de longa distância, lidar e outros campos impulsionou os esforços de investigação de empresas como a IPG Photonics, Nufern, NLight e o Grupo Trumpf, levando ao desenvolvimento de lasers de fibra de alta potência de onda contínua e de onda pulsada com uma linha de produtos diversificada.
Instituições académicas como a Universidade de Tsinghua, a Universidade de Ciência e Tecnologia de Defesa Nacional, o Instituto de Ótica e Maquinaria de Precisão de Xangai, a Academia Chinesa de Ciências e o Quarto Instituto de Investigação do Grupo de Ciência e Indústria Aeroespacial da China também comunicaram resultados interessantes neste domínio.
As limitações dos efeitos não lineares, dos efeitos térmicos e dos limiares de danos materiais nos lasers de fibra resultam numa potência de saída limitada para os lasers de fibra de canal único, com uma diminuição da qualidade do feixe à medida que a potência aumenta.
Para melhorar a qualidade do feixe, é necessário adotar a tecnologia de controlo de modo e conceber novas fibras com estruturas especiais. J.W. Dawson e colegas efectuaram uma análise teórica do limite de potência de saída de uma única fibra. Os cálculos revelam que um laser de fibra de banda larga pode atingir uma saída de laser próxima do limite de difração com uma potência máxima de 36 kW, enquanto um laser de fibra de largura de linha estreita pode atingir uma potência máxima de 2 kW.
Para aumentar ainda mais a potência de saída dos lasers e amplificadores de fibra, a síntese de potência de lasers de fibra multicanal através da tecnologia de síntese coerente é um método eficaz. Nos últimos anos, este tema tem sido amplamente investigado.
Sistema de síntese coerente de laser de fibra
As limitações impostas pelos efeitos não lineares, efeitos térmicos e limiares de danos materiais nos lasers de fibra restringem a potência de saída dos lasers de fibra de canal único e resultam numa diminuição da qualidade do feixe com o aumento da potência.
Para melhorar a qualidade do feixe, é necessário utilizar a tecnologia de controlo de modo e a conceção de estruturas de fibra especiais. J.W. Dawson e os seus colegas efectuaram uma análise teórica do limite de potência de saída de uma única fibra. Os resultados mostram que um laser de fibra de banda larga pode produzir uma saída de laser próxima do limite de difração com uma potência máxima de 36 kW, enquanto um laser de fibra de largura de linha estreita pode atingir uma potência máxima de 2 kW.
A tecnologia de síntese coerente, que envolve a síntese de potência de múltiplos lasers de fibra, é um método eficaz para aumentar a potência de saída de lasers e amplificadores de fibra. Esta abordagem tornou-se um tópico de grande interesse para a investigação nos últimos anos.
Para além das vantagens únicas dos lasers de fibra e da procura de sistemas de 100 quilowatts, vários dispositivos de apoio, tais como acopladores cónicos fundidos em fibra, fibras multicondutoras, moduladores de fase com pigtails e deslocadores de frequência acústico-ópticos, desempenharam um papel crucial na comercialização da comunicação por fibra ótica.
O acoplador cónico de fibra fundida e as fibras com vários núcleos tornam o controlo de fase passivo através do acoplamento de injeção de energia laser e do acoplamento de ondas evanescentes muito mais fácil de gerir.
O modulador de fase com pigtails e os deslocadores de frequência acústico-ópticos permitem um controlo de fase ativo com uma largura de banda de controlo de megahertz, permitindo o controlo das flutuações de fase em condições de alta potência e a obtenção de uma saída bloqueada por fase.
Os investigadores propuseram vários esquemas de síntese coerentes distintos, incluindo a tecnologia de síntese espetral, uma tecnologia de síntese incoerente que utiliza uma ou mais grelhas de difração para difratar vários subfeixes na mesma abertura para uma saída de abertura única e uma melhor qualidade do feixe.
A síntese espetral dos lasers de fibra utiliza plenamente a ampla largura de banda de ganho dos lasers de fibra dopados com itérbio para ultrapassar as limitações da potência de saída de um único laser de fibra, resultando em lasers de alta potência e de feixe elevado. laser de qualidade produção. Esta é uma das vias técnicas importantes para os lasers de fibra de alta potência no futuro.
Sistema laser de fibra sintética espetral
Nos últimos anos, o Instituto de Ótica e Mecânica de Xangai efectuou uma investigação aprofundada sobre lasers de fibra de alta potência e síntese espetral, tendo conseguido avanços significativos na preparação de dispositivos, tecnologias-chave e sistemas de síntese espetral.
Em termos de amplificadores de fibra de largura de linha estreita e de alta potência, o Instituto utilizou dispositivos centrais desenvolvidos pelo próprio, como redes de Bragg em fibra, combinadores de fibra de alta potência e filtros ópticos de revestimento em 2016. Isto baseou-se em tecnologias-chave, incluindo filtragem em cascata de redes de Bragg em fibra, controlo da largura de linha, controlo dos parâmetros da fase de amplificação e controlo do modo de fibra.
Este avanço ultrapassou o limite de potência de saída de lasers monomodo com uma largura de linha inferior a 50 GHz, registado pelo grupo de investigação da Universidade de Jena, na Alemanha. O Instituto conseguiu obter uma saída de laser de fibra próxima do limite de difração com uma potência de 2,5 kW, uma largura de linha de 0,18 nm (50 GHz) e um comprimento de onda central de 1064,1 nm.
O laser possui uma semente de fibra totalmente ótica compacta e estável e uma estrutura de amplificação de três estágios, tornando-o altamente robusto. O amplificador principal utiliza uma fibra de 20 μm/400 μm que não mantém a polarização, e o aumento da potência da bomba disponível pode melhorar ainda mais a potência de saída do laser.
Em termos de síntese espetral, as grelhas de difração reflectoras de película metálica têm um limiar de dano baixo e são incapazes de suportar a irradiação laser de alta potência, o que torna difícil conseguir uma síntese espetral de alta potência. No entanto, em agosto de 2016, o Instituto realizou a síntese espetral de 11,27 kW de alta qualidade de feixe utilizando 7 lasers de fibra de largura de linha estreita e grades de difração dieléctricas multicamadas não correlacionadas com polarização de limiar de dano elevado (MLDG), fazendo progressos significativos na síntese espetral de lasers de fibra de alta potência.
Os lasers de fibra têm um excelente desempenho numa variedade de domínios, como o processamento industrial, o tratamento médico, a deteção remota, a segurança e a investigação científica, devido à sua boa qualidade de feixe, elevada eficiência electro-ótica, estrutura compacta e fiabilidade.
No sector industrial, os lasers de fibra podem ser classificados em três categorias com base na sua potência de saída:
Os lasers de fibra de baixa potência (< 50 watts) são utilizados principalmente para o processamento de microestruturas, marcação a laser, ajuste de resistência, precisão perfuraçãogravação em metal, etc.
Os lasers de fibra de média potência (50 a 500 watts) são utilizados principalmente para perfuração, soldadura, corte e tratamento de superfície de placas metálicas finas.
Os lasers de fibra de alta potência (> 1000 watts) são utilizados principalmente para o corte de placas metálicas espessas, revestimento de superfícies metálicas e processamento tridimensional de placas especiais, entre outros.
Os lasers de fibra têm um excelente desempenho em vários domínios, como o processamento industrial, o tratamento médico, a deteção remota, a segurança e a investigação científica, devido à sua boa qualidade de feixe, elevada eficiência electro-ótica, design compacto e fiabilidade.
No domínio industrial, os lasers de fibra podem ser agrupados em três categorias com base na sua potência de saída:
Os lasers de fibra de baixa potência (< 50 watts) são utilizados principalmente para o processamento de microestruturas, marcação a laser, ajuste de resistência, perfuração de precisão, gravação de metais, etc.
Os lasers de fibra de média potência (50 a 500 watts) são predominantemente utilizados para perfuração, soldadura, corte e tratamento de superfície de placas metálicas finas.
Os lasers de fibra de alta potência (> 1000 watts) são utilizados principalmente para o corte de placas metálicas espessas, revestimento de superfícies metálicas e processamento tridimensional de placas especiais, entre outras aplicações.
Os lasers de fibra têm um desempenho excecional em vários domínios, como o processamento industrial, o tratamento médico, a deteção remota, a segurança e a investigação científica, devido à sua boa qualidade de feixe, elevada eficiência electro-ótica, design compacto e fiabilidade.
No sector industrial, os lasers de fibra podem ser classificados em três categorias com base na sua potência de saída:
Os lasers de fibra de baixa potência (< 50 watts) são utilizados principalmente para o processamento de microestruturas, marcação a laser, ajuste de resistência, perfuração de precisão, gravação de metais, etc.
Os lasers de fibra de média potência (50 a 500 watts) são predominantemente utilizados para perfuração, soldadura, corte e tratamento de superfície de placas metálicas finas.
Os lasers de fibra de alta potência (> 1000 watts) são utilizados principalmente para o corte de placas metálicas espessas, revestimento de superfícies metálicas e processamento tridimensional de placas especiais, entre outras aplicações.
Em comparação com outras fontes de luz, o volume mais pequeno dos lasers de fibra contribui para uma elevada mobilidade nas plataformas de lançamento, melhorando assim a adaptabilidade e a capacidade de sobrevivência no campo de batalha.
No Afeganistão, o sistema de desminagem a laser "Zeus" da empresa Spata foi utilizado para desativar minas.
Desde 2009, a Marinha dos EUA tem usado com sucesso sistemas de laser de fibra ótica para destruir UAVs, projécteis e pequenos navios. O sistema foi instalado em navios de guerra em 2014.
Em 2012, a Rheinmetall, revendedora alemã de armas de defesa, lançou um sistema laser de tubo duplo de 50 kW que interceptou e destruiu com sucesso UAVs, projécteis e outros alvos numa experiência de demonstração.
A arma laser é um novo conceito de arma em rápido desenvolvimento.
Emite lasers de alta energia à velocidade da luz sobre a superfície do alvo, causando danos a dispositivos-chave como a deteção fotoeléctrica, a navegação e a orientação, ou tornando o alvo "cego e surdo", ou queimando o projétil do objeto em movimento para o abater, ou detonando o combustível para o fazer explodir no ar, completando assim a tarefa de causar danos num curto espaço de tempo.
Tem as vantagens da concentração de energia, da velocidade de transmissão rápida e da utilização repetida, bem como da elevada eficiência em termos de custos, da rápida transferência de fogo e da resistência às interferências electromagnéticas.
Desde o seu início, o desenvolvimento de armas laser tem tido a sua quota-parte de altos e baixos. No entanto, a maturidade do laser de estado sólido como os lasers de fibra, revitalizou o desenvolvimento de armas laser e tornou-se o foco de investigação das principais potências militares.
Atualmente, países como os Estados Unidos, a Grã-Bretanha, a Rússia, a Alemanha e a Índia iniciaram o desenvolvimento de armas laser e realizaram testes relevantes.
A entrada das armas laser no campo de batalha está mesmo ao virar da esquina.
Num esforço para combater ameaças assimétricas como UAVs e barcos de ataque furtivos e melhorar as capacidades de defesa próxima do navio, a Marinha dos EUA iniciou oficialmente o desenvolvimento do "Sistema de Armas Laser" (LAWS) em 2010. O sistema foi instalado no navio anfíbio de transporte de doca "Ponce" em setembro de 2014 para um teste e avaliação operacional de um ano.
O LAWS é liderado pela Raytheon, com a participação da Boeing e da Lockheed Martin em determinados aspectos do trabalho. O sistema aproveita ao máximo as tecnologias e componentes comerciais existentes para minimizar os custos de I&D e de aquisição.
O protótipo LAWS é composto por seis lasers de fibra industrial que, quando operacionais, combinam os seus feixes laser para produzir um feixe laser de 30 kW. O custo de utilização do sistema de armas laser é baixo, estimando-se que um único disparo custe apenas $1, em contraste com as dezenas de milhares ou centenas de milhares de dólares por míssil.
Em 2016, o Gabinete de Investigação Naval dos EUA iniciou o desenvolvimento de um novo sistema de armas laser de alta energia a bordo de um navio com uma potência de saída de 150 kW, cinco vezes mais potente do que o protótipo do sistema de leis anteriormente testado. O projeto demorou 12 meses e custou $53 milhões de dólares para desenvolver o "protótipo de demonstração do sistema de armas laser" em três fases: a primeira fase foi a conceção inicial, a segunda fase foi o teste em terra e a terceira fase foi o teste num navio de teste de autodefesa da Marinha.
Em 2014, a Academia de Engenharia Física da China e o Instituto de Ótica e Mecânica de Xangai desenvolveram em conjunto o sistema "Low Altitude Guard". Na experiência de demonstração e verificação, mais de 30 pequenas aeronaves, como as de asa fixa, multi-rotor e helicóptero, foram abatidas com sucesso com uma taxa de sucesso de 100%. O sistema tinha uma potência de lançamento de quase 10.000 watts e uma área de proteção efectiva de 12 quilómetros quadrados para baixas altitudes. Podia intercetar com precisão uma variedade de aeronaves, incluindo asas fixas, num raio de 2 quilómetros e um espaço aéreo de 360 graus, num raio de 5 metros. O sistema era rápido, preciso e livre de danos colaterais.
Em 2015, a Lockheed Martin utilizou uma arma laser de 30 kW chamada Athena para destruir um camião a uma milha de distância. Em março de 2017, a empresa anunciou a conclusão da sua investigação e desenvolvimento de um sistema de armas laser de 60 kW e o seu envio para o Centro de Comando do Exército dos EUA no Alasca. O tecnólogo-chefe da empresa afirmou que os testes bem-sucedidos nos aproximam do desenvolvimento de sistemas portáteis de armas a laser que podem ser implantados em aviões militares, helicópteros, navios e camiões. A investigação demonstrou que o laser direcional de alta energia é agora compacto, leve e suficientemente fiável para ser utilizado na defesa de plataformas terrestres, marítimas e aéreas.
Em conclusão, o desenvolvimento da tecnologia laser mostra que a tecnologia laser de fibra é a direção futura dos lasers de alta potência e alto brilho. A combinação da tecnologia de fibra de guia de ondas e da tecnologia de bombeamento de laser semicondutor leva à criação de lasers de fibra de alta potência que podem satisfazer a procura premente de lasers de alta potência e alta eficiência no fabrico avançado de lasers e na defesa militar.
Esta tecnologia é de grande importância estratégica tanto para a economia como para a segurança nacionais. Além disso, os lasers de fibra de alta potência têm um imenso potencial de aplicação em vários domínios, como a exploração de energia, grandes dispositivos científicos, ciências espaciais, ciências ambientais e outros. Servirá como uma ferramenta poderosa para os seres humanos compreenderem e moldarem o mundo.
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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