Tecnologia de laser de fibra: Principais princípios e usos

1. Introdução

As pesquisas sobre lasers de fibra dopada utilizando meios de ganho datam da década de 1960, quando Snitzer relatou, em 1963, a criação de um laser de fibra com íons de neodímio (Nd³⁺) dopado em uma matriz de vidro.

Desde a década de 1970, houve um progresso significativo na tecnologia de preparação de fibra e na exploração de estruturas de bomba e cavidade ressonante para lasers de fibra.

Em meados da década de 1980, um avanço na fibra dopada (Er³⁺) na Universidade de Southampton, no Reino Unido, melhorou muito a praticidade dos lasers de fibra, mostrando perspectivas de aplicação muito promissoras.

Em comparação com os lasers sólidos e a gás tradicionais, os lasers de fibra têm muitas vantagens exclusivas, como alta qualidade de feixe, tamanho pequeno, leveza, isenção de manutenção, resfriamento a ar, facilidade de operação, baixo custo operacional e uso a longo prazo em ambientes industriais.

Eles também oferecem alta precisão de processamento, velocidade rápida, longa vida útil, economia de energia e excelente flexibilidade para inteligência e automação. Portanto, eles substituíram os lasers tradicionais YAG e CO2 em muitos campos.

A faixa de comprimento de onda de saída dos lasers de fibra está entre 400 e 3400 nm, aplicável em vários campos, como armazenamento de dados ópticos, comunicação óptica, tecnologia de sensores, espectroscopia e aplicações médicas.

Atualmente, observa-se um rápido desenvolvimento em lasers de fibra dopada, lasers de grade de Bragg de fibra, lasers de fibra de largura de linha estreita ajustável e lasers de fibra de revestimento duplo de alta potência.

2. Estrutura básica e princípio de funcionamento dos lasers de fibra

2.1 Estrutura básica dos lasers de fibra

O laser de fibra consiste basicamente em três partes: o meio de ganho que pode gerar fótons, a cavidade ressonante óptica que permite o feedback de fótons e a amplificação ressonante no meio de ganho e a fonte de bomba que pode excitar o meio do laser.

A estrutura básica do laser de fibra é mostrada na Figura 2.1.

O meio de ganho é um núcleo de fibra dopado com íons 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 a luz do laser por meio de um sistema óptico de colimação e 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 alto, e o efeito de guia de ondas da fibra pode desempenhar uma função de seleção de modo.

No entanto, em aplicações práticas, as pessoas geralmente preferem usar fibras mais curtas, portanto, na maioria dos casos, uma cavidade ressonante é usada para introduzir o feedback.

Devido à estrutura do guia de ondas dos lasers de fibra, eles podem acomodar um bombeamento forte e ter um alto ganho (ganho de passagem única de até 50 dB). Os elementos de terras raras na matriz de vidro têm uma ampla largura de linha e faixa de sintonia (Yb³⁺ é de 125nm, Tm³⁺ >300nm).

Os recursos específicos são os seguintes:

1) A fibra serve como um meio de guia de ondas, oferecendo alta eficiência de acoplamento, pequeno diâmetro do núcleo e facilidade na formação de alta densidade de potência dentro da fibra. Ela pode ser convenientemente conectada aos atuais sistemas de comunicação por fibra óptica. Os lasers resultantes têm alta eficiência de conversão, baixo limiar de laser, excelente qualidade de feixe e largura de linha estreita.

2) Devido à alta relação "área de superfície/volume" da fibra, ela tem boa dissipação de calor. A temperatura ambiente pode variar de -20 a 70°C, eliminando a necessidade de um grande sistema de resfriamento a água e exigindo apenas um simples resfriamento a ar.

3) O laser de fibra pode operar em condições adversas, como alto impacto, alta vibração, alta temperatura e condições de poeira.

4) Devido à excelente flexibilidade da fibra, o laser pode ser projetado para ser bem pequeno e flexível, com formato compacto e pequeno volume, facilitando a integração do sistema e oferecendo uma alta relação entre desempenho e preço.

5) O laser de fibra tem muitos parâmetros sintonizáveis e seletividade, o que permite cobrir uma ampla faixa de sintonia, excelente monocromaticidade e alta estabilidade. Ele tem uma longa vida útil da bomba, com um tempo médio de trabalho sem falhas de 10 horas ou até mais de 100 horas.

2.2 Princípio de funcionamento do laser de fibra

Os lasers de fibra desenvolvidos atualmente usam 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 por meio do refletor frontal (ou grade frontal), e os íons de terras raras que absorveram a energia do fóton passarão por transições de nível de energia, alcançando a "inversão do número de partículas".

As partículas invertidas farão a transição de volta ao estado fundamental na forma de radiação após o relaxamento, liberando simultaneamente energia na forma de fótons e emitindo o laser pelo refletor traseiro (grade traseira).

O amplificador de fibra dopado com elementos de terras raras promoveu o desenvolvimento de lasers de fibra, pois os amplificadores de fibra podem formar lasers de fibra por meio de mecanismos de feedback apropriados.

Quando a luz da bomba passar pelos íons de terras raras na fibra, ela será absorvida pelos íons de terras raras. Nesse momento, os átomos de terras raras que absorvem a energia dos fótons serão excitados para um nível de energia de laser mais alto, obtendo assim a inversão do número de íons.

O número de íons invertidos fará a transição do nível de alta energia para o estado fundamental na forma de radiação e liberará 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 de laser é um processo físico em que a radiação estimulada excede em muito a radiação espontânea.

Para que esse processo continue, a inversão do número de íons deve ser formada. Portanto, os níveis de energia envolvidos no processo devem ser superiores a dois, e também deve haver uma fonte de bomba para fornecer energia.

Na verdade, o laser de fibra pode ser chamado de conversor de comprimento de onda, por meio 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: lasing de três níveis e de quatro níveis. Os princípios do laser de três e quatro níveis são mostrados na Figura 2.2.

A bomba (fóton de alta energia de comprimento de onda curto) faz com que o elétron faça a transição do estado fundamental para o estado de alta energia E4⁴ ou E3³e, em seguida, faz a transição para o nível superior do laser E4³ ou E3² por meio de transições não radiativas.

Quando o elétron faz a transição do nível de laser superior para o nível de energia inferior E4² ou E3¹, o processo a laser ocorrerá.

3. Tipos de lasers de fibra óptica

Há vários tipos de lasers de fibra óptica que podem ser divididos em diferentes categorias, conforme mostrado na Tabela 3.1. As seções a seguir apresentarão uma introdução a vários tipos desses lasers.

Tabela 3.1 Classificação dos lasers de fibra óptica

3.1 Lasers de fibra dopados com terras raras

Os elementos de terras raras englobam 15 elementos, posicionados na quinta linha da tabela periódica.

Atualmente, os íons de terras raras desenvolvidos de forma madura e incorporados em fibras ativas incluem Er³⁺, Nd³⁺, Pr³⁺, Tm³⁺e Yb³⁺.

Nos últimos anos, os lasers de fibra dopada com revestimento duplo, que utilizam a tecnologia de bombeamento de revestimento, aumentaram significativamente a potência de saída, tornando-se outro ponto de acesso de pesquisa no campo dos lasers.

Esse tipo de estrutura de fibra, conforme mostrado na Figura 3.1, é composto por um revestimento externo, um revestimento interno e um núcleo dopado.

O índice de refração do revestimento externo é menor do que o do revestimento interno, que, por sua vez, é menor do que o 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 essencial na construção de lasers de fibra. Suas principais funções em um 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 de laser.

Seu princípio de funcionamento envolve principalmente a injeção da luz da bomba na fibra, seja lateralmente ou pela face da extremidade. Como o índice de refração do revestimento externo é muito menor do que o do revestimento interno da fibra, o revestimento interno pode transmitir a luz da bomba multimodo.

A dimensão da seção transversal do revestimento interno 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 da bomba multimodo de grande potência seja acoplada ao revestimento interno. A luz da bomba multimodo é absorvida várias vezes à medida que percorre a fibra, atravessando o núcleo. Devido à excitação de íons de terras raras no núcleo, é produzida uma saída de laser de sinal de alta potência.

O princípio de funcionamento é ilustrado na Figura 3.1.

3.2 Laser de grade de bragg em fibra

A crescente maturidade da tecnologia de grade de Bragg em fibra com gravação UV na década de 1990 levou a uma maior atenção aos lasers de grade de Bragg em fibra, principalmente os lasers de grade de fibra com refletor de Bragg distribuído (DBR) e feedback distribuído (DFB).

A principal diferença entre os dois é que o laser de fibra DFB usa apenas uma grade para obter feedback óptico e seleção de comprimento de onda, oferecendo assim melhor estabilidade e evitando a perda de fusão entre a fibra dopada com Er e a grade.

No entanto, embora a grade possa ser gravada diretamente na fibra dopada com Er usando UV, a fabricação prática do laser de fibra DEB não é fácil devido ao baixo teor de Ge no núcleo da fibra e à baixa fotossensibilidade.

Em contrapartida, o laser de fibra DBR pode ser fabricado mais facilmente fundindo uma grade de fibra dopada com Ge em ambas as extremidades da fibra dopada com Er para formar uma cavidade ressonante.

Os lasers de grade de fibra DBR e DFB enfrentam vários problemas, como baixa eficiência de absorção da bomba devido a cavidades ressonantes curtas, linhas espectrais mais amplas do que as dos lasers em anel e salto de modo.

Esforços contínuos estão sendo feitos para resolver esses problemas. Os aprimoramentos propostos incluem o uso 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.

3.3 Lasers de fibra de pulso ultracurto

Os lasers de pulso ultracurto são atualmente um tópico de pesquisa importante em lasers de fibra, utilizando principalmente técnicas de bloqueio de modo passivo.

Semelhante aos lasers de estado sólido, os lasers de fibra geram saídas de laser de pulso curto com base no princípio de bloqueio de modo. Quando um laser de fibra opera em um grande número de modos longitudinais dentro da largura de banda de ganho, o bloqueio de modo é obtido quando cada fase do modo longitudinal é sincronizada e a diferença de fase entre quaisquer dois modos longitudinais adjacentes é constante.

O pulso único que circula na cavidade ressonante emite energia por meio do acoplador de saída. Os lasers de fibra são divididos em lasers de fibra com bloqueio de modo ativo e lasers de fibra com bloqueio de modo passivo.

O recurso de modulação de bloqueio de modo ativo limita a largura de pulso do pulso de bloqueio de modo, que geralmente é da ordem de 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 o bloqueio de modo de inicialização automática sob determinadas condições sem nenhum componente de modulação. O uso de lasers de fibra com bloqueio de modo passivo pode produzir pulsos ultracurtos da ordem de femtossegundos.

Os lasers de pulso ultracurto têm sido usados em fontes de luz ultrarrápidas, resultando em uma variedade de técnicas de espectroscopia e bombeamento com resolução de tempo. A tecnologia de geração de pulsos ultracurtos é fundamental para alcançar a multiplexação por divisão de tempo óptico (OTDM) de velocidade ultra-alta. Os lasers de fibra de pulso ultracurto são amplamente utilizados em vários campos, como materiais, biologia, medicina, química e militar.

4. Perspectivas futuras

Os lasers são o núcleo da tecnologia de laser, e a direção do desenvolvimento futuro dos lasers de fibra será melhorar ainda mais o desempenho dos lasers de fibra, como aumentar ainda mais a potência de saída e melhorar a qualidade do feixe; expandir novos comprimentos de onda do laser, expandir a faixa sintonizável dos lasers; estreitar o espectro do laser; desenvolver pulsos ultracurtos (níveis ps e fs) de lasers de alto brilho; e realizar pesquisas sobre miniaturização geral, praticidade e inteligência.

Nos últimos anos, o desenvolvimento tem se concentrado principalmente em três aspectos:

(1) melhorar o desempenho das redes de Bragg de fibra, permitindo que elas sejam bem aplicadas em lasers de fibra;

(2) lasers de fibra com larguras de pulso e de linha espectral mais estreitas, maior potência de saída, faixa de sintonia mais ampla, 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 sua potência continuamente crescente, os lasers de fibra começaram a ser usados em larga escala para corte industrial.

Os lasers de fibra são ideais para corte, processamento e manuseio de materiais metálicos e materiais não metálicos. Eles podem ser usados para calibração de produtos a laser, corte de precisão e gravação a laser, soldagem a laserA empresa oferece serviços de perfuração de precisão, detecção a laser, microdobragem, medição a laser e outros aspectos técnicos.

Aplicações de telecomunicações: Para atender aos requisitos atuais de comunicação de alta capacidade, a aplicação de lasers de fibra tornou-se uma tecnologia emergente em comunicação.

A tecnologia de comunicação do futuro passará gradualmente da comunicação elétrica para a comunicação óptica. Os lasers de fibra podem não apenas gerar uma saída de laser contínua, mas também produzir pulsos de laser ultracurtos de picossegundos (ps) ou até femtossegundos (fs).

Os lasers de fibra fizeram grandes avanços na redução dos limites, na ampliação das faixas de comprimento de onda e nos recursos de comprimento de onda ajustável. A comunicação Soliton, uma tecnologia prática, pode atingir uma distância de transmissão de milhões de quilômetros, uma taxa de transmissão de 20 Gb/s e uma taxa de erro de bit inferior a 10-13, alcançando uma transmissão de sinal de alta velocidade e alta qualidade.

Aplicações militares: Com o aumento contínuo da potência dos lasers de fibra, sua aplicação nas forças armadas está se tornando cada vez mais difundida.

Para atingir o objetivo das armas de energia direcionada, vários lasers de fibra são combinados em uma estrutura de matriz coerente, o que pode aumentar a potência dos lasers de fibra.

No Laboratório de Pesquisa da Força Aérea dos Estados Unidos, estão sendo realizadas pesquisas sobre lasers de fibra de 100 kW para atender aos objetivos de aplicações militares.