Imagine uma ferramenta tão precisa que pode cortar metal com a delicadeza do bisturi de um cirurgião. Os lasers de fibra revolucionaram os setores, da manufatura à medicina. Este artigo se aprofunda na mecânica por trás dos lasers de fibra, explorando como eles aproveitam o poder da luz por meio de fibras ópticas para obter precisão e eficiência inigualáveis. Os leitores descobrirão as várias aplicações dessa tecnologia, a ciência que a torna possível e os avanços que estão moldando seu futuro. Junte-se a nós enquanto iluminamos o mundo de ponta dos lasers de fibra.
A fibra óptica, também conhecida como fibra ótica, é um guia de ondas cilíndrico usado para transmitir luz. Ela usa o princípio da reflexão interna total para confinar a onda de luz dentro do núcleo da fibra e guiá-la ao longo do eixo da fibra.
A substituição dos fios de cobre pela fibra óptica mudou o mundo. Como meio de transmissão de luz, a fibra óptica tem sido amplamente adotada desde que foi proposta por Gao Kun em 1966, devido às suas inúmeras vantagens, como alta capacidade, forte capacidade anti-interferência, baixa perda de transmissão, longa distância de transmissão, excelente segurança, forte adaptabilidade, tamanho compacto, peso leve e recursos abundantes de matéria-prima.
Gao Kun, amplamente reconhecido como o "pai da fibra óptica", recebeu o Prêmio Nobel de Física em 2009.
O setor de telecomunicações foi transformado pelo aprimoramento contínuo e pelas aplicações práticas da fibra óptica. A fibra óptica substituiu amplamente o fio de cobre e agora é uma parte essencial da comunicação moderna.
O sistema de comunicação por fibra óptica é um tipo de sistema de comunicação que usa a luz como portadora de informações e a fibra óptica como meio de guia de ondas. Ao transmitir informações, o sinal elétrico é convertido em um sinal óptico e transmitido dentro da fibra óptica.
Como uma nova forma de tecnologia de comunicação, a comunicação por fibra óptica apresentou vantagens incomparáveis desde o início, atraindo grande interesse e atenção.
O uso generalizado da fibra óptica na comunicação também estimulou o rápido desenvolvimento de amplificadores de fibra e lasers de fibra. Além do campo da comunicação, os sistemas de fibra óptica também são comumente usados na medicina, na detecção e em outras áreas.
A fibra ativa serve como meio de ganho nos lasers de fibra. Ela pode ser classificada em fibra monomodo, fibra de revestimento duplo e fibra de cristal fotônico com base em sua estrutura.
A fibra monomodo consiste em um núcleo, um revestimento e um revestimento. O índice de refração (N1) do material do núcleo é maior do que o do material de revestimento (N2). Quando o ângulo de incidência da luz incidente é maior do que o ângulo crítico, o feixe é completamente emitido no núcleo, permitindo que a fibra óptica confine o feixe ao núcleo e o transmita.
No entanto, o revestimento interno da fibra monomodo não pode confinar a luz da bomba multimodo, e o núcleo tem uma abertura numérica baixa. Como resultado, a saída do laser só pode ser obtida com o acoplamento da luz de bomba de modo único no núcleo.
Os primeiros lasers de fibra utilizavam fibra monomodo, o que levava a uma baixa eficiência de acoplamento e produzia uma potência de saída de apenas miliwatts.
Transmissão de luz em fibra óptica
Em um esforço para superar 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 somente quando E. Snitzer e outros propuseram a tecnologia de bombeamento de revestimento em 1988 que a tecnologia de laser/amplificador de fibra dopada com itérbio de alta potência teve um rápido desenvolvimento.
A fibra óptica de revestimento duplo é um tipo de fibra óptica com uma estrutura exclusiva. Em comparação com a fibra óptica convencional, ela tem um revestimento interno composto por uma camada de revestimento, revestimento interno, revestimento externo e núcleo dopado.
A tecnologia de bombeamento de revestimento é baseada em fibra de revestimento duplo e tem como objetivo transmitir a luz da bomba multimodo no revestimento interno e a luz do laser no núcleo da fibra, melhorando consideravelmente a eficiência da conversão da bomba e a potência de saída do laser de fibra.
A estrutura da fibra de revestimento duplo, o formato do revestimento interno e o modo de acoplamento da luz da bomba são fundamentais para essa tecnologia.
A bobina de fibra da fibra de revestimento duplo é composta de sílica (SiO2) dopada com elementos de terras raras. Nos lasers de fibra, ela serve tanto como meio de laser quanto como canal de transmissão do sinal do laser.
Para garantir que a excitação de saída seja o modo transversal fundamental, o parâmetro V é reduzido para o comprimento de onda de trabalho correspondente, projetando sua abertura numérica e o diâmetro do núcleo.
A dimensão transversal do revestimento interno (dezenas de vezes maior que o diâmetro do núcleo convencional) e a abertura numérica são muito maiores que as do núcleo, e seu índice de refração é menor que o do núcleo, o que restringe a propagação completa do laser no núcleo.
Isso cria um guia de ondas óptico com uma grande seção transversal e abertura numérica entre o núcleo e o revestimento externo, permitindo que a luz da bomba de alta potência com uma grande abertura numérica, seção transversal e multimodo seja acoplada à fibra óptica e limitada à transmissão dentro do revestimento interno sem difusão. Isso ajuda a manter o bombeamento óptico de alta densidade de potência.
O revestimento externo da fibra de revestimento duplo é composto de materiais poliméricos com um índice de refração menor que o do revestimento interno. 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.
Isso cria uma estrutura de guia de onda 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 íons 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 interno não afeta negativamente a qualidade do feixe de saída do laser de fibra.
Diagrama estrutural da fibra de revestimento duplo octogonal
Diagrama esquemático de várias estruturas de revestimento interno
O revestimento interno especificamente projetado do laser de fibra de revestimento duplo pode aumentar muito a eficiência de utilização da luz da bomba.
Inicialmente, a estrutura de revestimento interno da fibra de revestimento duplo era cilíndrica e simétrica, o que tornava seu processo de fabricação relativamente simples e fácil de acoplar à fibra traseira do diodo de laser de bomba (LD).
Entretanto, sua simetria perfeita resultou em um grande número de raios espirais na luz da bomba dentro do revestimento interno, que nunca alcançaria a área do núcleo, mesmo após várias reflexões.
Como resultado, esses raios não podiam ser absorvidos pelo núcleo da fibra, o que levava ao vazamento de luz, dificultando o aumento da eficiência da conversão, mesmo com o uso de fibras mais longas.
Portanto, a simetria cilíndrica da estrutura de revestimento interno deve ser interrompida.
Na fibra convencional de revestimento duplo, a potência do laser de saída é determinada pelo tamanho do núcleo da fibra, e a abertura numérica determina a qualidade do feixe de laser de saída.
No entanto, as limitações dos mecanismos físicos, como efeitos não lineares e danos ópticos na fibra óptica, impossibilitam atender às necessidades de operação monomodo da fibra de revestimento duplo de campo de modo grande com alta potência de saída somente com o aumento do diâmetro do núcleo.
O advento de fibras ópticas especiais, como a fibra de cristal fotônico (PCF), oferece uma solução eficaz para esse problema.
O conceito de cristais fotônicos foi proposto pela primeira vez por E. Yablonovitch em 1987. Ele envolve materiais dielétricos com constantes dielétricas variáveis que formam uma estrutura periódica com a ordem do comprimento de onda da luz em um espaço unidimensional, bidimensional ou tridimensional. Isso cria bandas guia fotônicas que permitem a propagação da luz e lacunas de banda fotônica (PBG) que proíbem a propagação da luz.
Ao alterar o arranjo e o período de distribuição de diferentes meios, é possível obter várias alterações nas propriedades dos cristais fotônicos, possibilitando funções específicas.
A fibra de cristal fotônico (PCF) é um cristal fotônico bidimensional, também chamado de fibra de microestrutura ou fibra porosa.
Em 1996, J.C. Knight e outros criaram a primeira PCF, e seu mecanismo de orientação de luz é semelhante ao mecanismo de orientação de luz de reflexão interna total da fibra óptica tradicional.
O primeiro PCF baseado no princípio do intervalo de banda fotônica foi inventado em 1998.
Depois de 2005, o projeto e os métodos de preparação de PCF de campo de modo grande se tornaram diversos, com o surgimento de várias estruturas moldadas, incluindo PCF de canal com vazamento, PCF de haste, PCF de grande espaçamento e PCF de vários núcleos.
A área do campo de modo das fibras ópticas também aumentou.
Microestrutura de diferentes fibras de cristal fotônico
A fibra de cristal fotônico (PCF) parece semelhante à fibra monomodo tradicional, mas tem uma estrutura complexa de matriz de orifícios no nível da microestrutura.
Esses recursos estruturais concedem à PCF muitas vantagens exclusivas que as fibras ópticas tradicionais não conseguem igualar, como transmissão monomodo sem corte, uma grande área de campo de modo, dispersão ajustável e baixa perda de limitação, superando vários problemas dos lasers tradicionais.
Por exemplo, a PCF pode alcançar uma operação monomodo com uma grande área de campo de modo, reduzindo significativamente a densidade de potência do laser na fibra óptica, minimizando o efeito não linear na fibra óptica e melhorando o limiar de danos da fibra óptica, preservando a qualidade do feixe.
Ele também permite uma grande abertura numérica, resultando em um melhor acoplamento da luz da bomba e em uma saída de laser de maior potência.
Essas vantagens do PCF levaram a um aumento nas pesquisas em todo o mundo, tornando-o um novo foco de pesquisa 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 óptica como meio de ganho do laser é chamado de laser de fibra.
Como outros tipos de laser, ele consiste em um meio de ganho, uma fonte de bomba e um ressonador.
O usos do laser de fibra a fibra ativa, dopada com elementos de terras raras no núcleo, como o meio de ganho.
Normalmente, os lasers semicondutores servem como fonte de bomba, enquanto o ressonador é composto de espelhos, faces de extremidade de fibra, espelhos de anel de fibra ou grades 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, eles podem ser divididos em lasers de fibra com cavidade linear, lasers de fibra com realimentação distribuída e lasers de fibra com cavidade em anel.
Com base na fibra de ganho e no modo de bombeamento diferentes, eles podem ser divididos em lasers de fibra de revestimento simples (bombeamento de núcleo) e lasers de fibra de revestimento duplo (bombeamento de revestimento).
Princípio da 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 óptica em fibras ópticas e apontou os principais problemas técnicos que precisavam ser resolvidos para a aplicação prática das fibras ópticas na comunicação.
Em 1970, a Corning Company, nos Estados Unidos, desenvolveu fibras ópticas com atenuação inferior a 20 dB/km, o que estabeleceu a base para o desenvolvimento da comunicação óptica e da tecnologia optoeletrônica.
Esse avanço tecnológico também facilitou muito o desenvolvimento dos lasers de fibra.
Nas décadas de 1970 e 1980, a maturidade e a comercialização da tecnologia de laser semicondutor proporcionaram fontes de bombeamento confiáveis 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 se diversificaram rapidamente. Diferentes elementos de terras raras, como érbio (Er3+), itérbio (Yb3+), neodímio (Nd3+), samário (Sm3+), túlio (Tm3+), hólmio (Ho3+), praseodímio (Pr3+), disprósio (Dy3+) e bismuto (Bi3+), são dopados na fibra para obter uma saída de laser de diferentes comprimentos de onda para atender a vários requisitos de aplicação.
Faixa do espectro de emissão da fibra de quartzo dopada 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 saída de modo transversal único e não sofre impacto significativo de fatores externos, o que leva a uma saída de laser de alto brilho.
Os lasers de fibra podem alcançar alta eficiência de conversão óptica para óptica usando um laser semicondutor cujo comprimento de onda de emissão corresponda às características de absorção de elementos de terras raras dopados como fonte de bomba.
Para lasers de fibra dopada com itérbio de alta potência, geralmente são selecionados lasers semicondutores de 915 nm ou 975 nm.
A estrutura simples do nível de energia do Yb3+ leva a poucos fenômenos, como conversão ascendente, absorção do estado excitado e extinção da concentração, além de uma longa vida útil da fluorescência, o que o torna eficaz para armazenar energia e obter uma operação de alta potência.
A eficiência eletro-óptica geral dos lasers de fibra comerciais pode chegar a 25%, contribuindo para a redução de custos, a conservação de energia e a proteção ambiental.
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 relação de volume. Essa relação é aproximadamente 1000 vezes maior do que a 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 resfriamento especial da fibra óptica. Em cenários de alta potência, o resfriamento a água pode atenuar efetivamente o declínio na qualidade e na eficiência do feixe causado por efeitos térmicos em lasers de estado sólido.
O fato de o laser de fibra usar uma fibra pequena e flexível como meio de ganho do laser o torna 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 usando fibra de cauda.
Ao incorporar dispositivos de fibra óptica, como redes de Bragg de fibra, é possível obter um sistema de fibra totalmente óptico por meio da fusão desses dispositivos. Isso resulta em alta imunidade a distúrbios ambientais, alta estabilidade e redução do tempo e dos custos de manutenção.
Os lasers de fibra de alta potência também têm desvantagens insuperáveis:
Primeiro, ele é facilmente restringido por efeitos não lineares.
A estrutura do guia de ondas do laser de fibra lhe confere um comprimento efetivo longo, resultando em um limiar baixo para vários efeitos não lineares. No entanto, os efeitos não lineares prejudiciais, como a dispersão Raman estimulada (SRS) e a modulação de fase própria (SPM), podem levar a flutuações de fase, transferência de energia no espectro e até mesmo danos ao sistema de laser, dificultando o avanço dos lasers de fibra de alta potência.
O segundo é o efeito de escurecimento de fótons.
A alta concentração de dopagem de terras raras em lasers de fibra resulta em um declínio gradual e irreversível na eficiência de conversão de energia devido ao efeito de escurecimento de fótons com tempo de bombeamento prolongado. Isso limita a estabilidade de longo prazo e a vida útil dos lasers de fibra de alta potência, principalmente no caso dos lasers de fibra de alta potência dopados com itérbio.
No entanto, os avanços nos lasers semicondutores acoplados à fibra de alto brilho e na tecnologia de fibra dupla melhoraram significativamente a potência de saída, a eficiência de conversão óptica e a qualidade do feixe dos lasers de fibra de alta potência.
A enorme demanda por lasers de fibra de alta potência em processamento industrial, armas de energia direcional, telemetria de longa distância, lidar e outros campos impulsionou os esforços de pesquisa de empresas como IPG Photonics, Nufern, NLight e Trumpf Group, levando ao desenvolvimento de lasers de fibra de alta potência de onda contínua e de onda de pulso com uma linha de produtos diversificada.
Instituições acadêmicas como a Universidade de Tsinghua, a Universidade de Ciência e Tecnologia de Defesa Nacional, o Instituto de Ótica e Maquinário de Precisão de Xangai, a Academia Chinesa de Ciências e o Quarto Instituto de Pesquisa do Grupo de Indústria e Ciência Aeroespacial da China também relataram resultados interessantes nesse campo.
As limitações de efeitos não lineares, efeitos térmicos e limiares de danos materiais em lasers de fibra resultam em uma potência de saída limitada para lasers de fibra de canal único, com uma diminuição na qualidade do feixe à medida que a potência aumenta.
Para melhorar a qualidade do feixe, é necessário adotar a tecnologia de controle de modo e projetar novas fibras com estruturas especiais. J.W. Dawson e seus colegas realizaram 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 ao 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 de lasers e amplificadores de fibra, a síntese de potência de lasers de fibra multicanal por meio da tecnologia de síntese coerente é um método eficaz. Esse tópico tem sido amplamente pesquisado nos últimos anos.
Sistema de síntese coerente de laser de fibra
As limitações impostas por efeitos não lineares, efeitos térmicos e limiares de danos materiais em lasers de fibra restringem a potência de saída dos lasers de fibra de canal único e resultam em um declínio na qualidade do feixe com o aumento da potência.
Para melhorar a qualidade do feixe, é necessário utilizar a tecnologia de controle de modo e o projeto de estruturas especiais de fibra. J.W. Dawson e seus colegas realizaram 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 ao 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 vários lasers de fibra, é um método eficaz para aumentar a potência de saída de lasers e amplificadores de fibra. Essa abordagem tornou-se um tópico de grande interesse de pesquisa nos últimos anos.
Além das vantagens exclusivas dos lasers de fibra e da demanda por sistemas de 100 quilowatts, vários dispositivos de suporte, como acopladores de cone com fusão de fibra, fibras de vários núcleos, moduladores de fase com pigtails e deslocadores de frequência acústico-ópticos, desempenharam um papel crucial na comercialização da comunicação por fibra óptica.
O acoplador de cone fundido com fibra e as fibras com vários núcleos tornam o controle de fase passivo por meio do acoplamento de injeção de energia do laser e do acoplamento de ondas evanescentes muito mais gerenciável.
O modulador de fase com pigtails e deslocadores de frequência acústico-ópticos permite o controle de fase ativo com uma largura de banda de controle de megahertz, possibilitando o controle de flutuações de fase em condições de alta potência e obtendo uma saída com bloqueio de fase.
Os pesquisadores propuseram vários esquemas de síntese coerentes distintos, incluindo a tecnologia de síntese espectral, uma tecnologia de síntese incoerente que usa uma ou mais grades de difração para difratar vários subfeixes na mesma abertura para obter uma saída de abertura única e uma qualidade de feixe aprimorada.
A síntese espectral dos lasers de fibra faz uso total da ampla largura de banda de ganho dos lasers de fibra dopados com itérbio para superar as limitações da potência de saída de um único laser de fibra, resultando em alta potência e alto feixe laser de qualidade saída. Esse é um dos caminhos técnicos importantes para lasers de fibra de alta potência no futuro.
Sistema de laser de fibra sintética espectral
O Instituto de Óptica e Mecânica de Xangai realizou uma extensa pesquisa sobre lasers de fibra de alta potência e síntese espectral nos últimos anos, fazendo avanços significativos na preparação de dispositivos, tecnologias-chave e sistemas de síntese espectral.
Em termos de amplificadores de fibra de largura de linha estreita e de alta potência, o Instituto utilizou dispositivos principais desenvolvidos por ele mesmo, como redes de Bragg de fibra, combinadores de fibra de alta potência e filtros ópticos de revestimento em 2016. Isso se baseou em tecnologias importantes, incluindo filtragem em cascata de grade de Bragg em fibra, controle de largura de linha, controle de parâmetro de estágio de amplificação e controle de modo de fibra.
Esse avanço superou o limite de potência de saída monomodo de lasers com largura de linha inferior a 50 GHz relatado pelo grupo de pesquisa da Universidade de Jena, na Alemanha. O Instituto conseguiu obter uma saída de laser de fibra quase no 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 apresenta uma semente de fibra totalmente óptica compacta e estável e uma estrutura de amplificação de três estágios, o que o torna 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 espectral, as grades de difração reflexivas de filme metálico têm um limiar de dano baixo e não conseguem suportar a irradiação de laser de alta potência, o que torna difícil obter a síntese espectral de alta potência. No entanto, em agosto de 2016, o Instituto realizou a síntese espectral de 11,27 kW de alta qualidade de feixe usando 7 lasers de fibra de largura de linha estreita e grades de difração dielétrica multicamadas não correlacionadas de polarização de limiar de dano alto (MLDG), fazendo um progresso significativo na síntese espectral de lasers de fibra de alta potência.
Os lasers de fibra têm excelente desempenho em diversos campos, como processamento industrial, tratamento médico, sensoriamento remoto, segurança e pesquisa científica, devido à sua boa qualidade de feixe, alta eficiência eletro-óptica, estrutura compacta e confiabilidade.
No setor industrial, os lasers de fibra podem ser classificados em três categorias com base em sua potência de saída:
Os lasers de fibra de baixa potência (< 50 watts) são usados principalmente para processamento de microestrutura, marcação a laser, ajuste de resistência, precisão perfuração, gravação em metal, etc.
Os lasers de fibra de média potência (50 a 500 watts) são utilizados principalmente para perfuração, soldagem, corte e tratamento de superfície de placas metálicas finas.
Os lasers de fibra de alta potência (> 1.000 watts) são usados principalmente para cortar chapas metálicas grossas, revestimento de superfícies metálicas e processamento tridimensional de chapas especiais, entre outros.
Os lasers de fibra têm desempenho excepcional em vários campos, como processamento industrial, tratamento médico, sensoriamento remoto, segurança e pesquisa científica, devido à sua boa qualidade de feixe, alta eficiência eletro-óptica, design compacto e confiabilidade.
No domínio industrial, os lasers de fibra podem ser agrupados em três categorias com base em sua potência de saída:
Os lasers de fibra de baixa potência (< 50 watts) são usados principalmente para processamento de microestrutura, marcação a laser, ajuste de resistência, perfuração de precisão, gravação de metal, etc.
Os lasers de fibra de média potência (50 a 500 watts) são usados principalmente para perfuração, soldagem, corte e tratamento de superfície de placas metálicas finas.
Os lasers de fibra de alta potência (> 1.000 watts) são utilizados principalmente para o corte de chapas metálicas espessas, revestimento de superfícies metálicas e processamento tridimensional de chapas especiais, entre outras aplicações.
Os lasers de fibra têm desempenho excepcional em vários campos, como processamento industrial, tratamento médico, sensoriamento remoto, segurança e pesquisa científica, devido à sua boa qualidade de feixe, alta eficiência eletro-óptica, design compacto e confiabilidade.
No setor industrial, os lasers de fibra podem ser classificados em três categorias com base em sua potência de saída:
Os lasers de fibra de baixa potência (< 50 watts) são usados principalmente para processamento de microestrutura, marcação a laser, ajuste de resistência, perfuração de precisão, gravação de metal, etc.
Os lasers de fibra de média potência (50 a 500 watts) são utilizados predominantemente para perfuração, soldagem, corte e tratamento de superfície de placas metálicas finas.
Os lasers de fibra de alta potência (> 1.000 watts) são usados principalmente para o corte de chapas metálicas grossas, revestimento de superfícies metálicas e processamento tridimensional de chapas especiais, entre outras aplicações.
Em comparação com outras fontes de luz, o volume menor dos lasers de fibra contribui para a alta mobilidade nas plataformas de lançamento, melhorando assim a adaptabilidade e a capacidade de sobrevivência no campo de batalha.
No Afeganistão, o sistema de varredura de minas a laser "Zeus" da empresa Spata foi usado para remover minas.
Desde 2009, a Marinha dos EUA tem usado com sucesso sistemas de laser de fibra óptica para destruir UAVs, projéteis e navios de pequeno porte. O sistema foi instalado em navios de guerra em 2014.
Em 2012, o revendedor alemão de armas de defesa Rheinmetall lançou um sistema de laser de tubo duplo de 50 kW que interceptou e destruiu com sucesso UAVs, projéteis e outros alvos em um experimento de demonstração.
A arma a laser é um novo conceito de arma em rápido desenvolvimento.
Ele emite lasers de alta energia na velocidade da luz sobre a superfície do alvo, causando danos aos principais dispositivos, como detecção fotoelétrica, navegação e orientação, ou tornando o alvo "cego e surdo", ou queimando o projétil do objeto em movimento para abatê-lo, ou detonando o combustível para explodi-lo no ar, completando assim a tarefa de causar danos em um curto espaço de tempo.
Ele tem os benefícios da concentração de energia, da velocidade de transmissão rápida e do uso repetitivo, bem como da alta eficiência de custo, da rápida transferência de fogo e da resistência à interferência eletromagnética.
Desde o seu início, o desenvolvimento de armas a laser teve sua cota de altos e baixos. Entretanto, a maturidade do laser de estado sólido como os lasers de fibra, revitalizou o desenvolvimento de armas a laser e se tornou o foco de pesquisa das principais potências militares.
Atualmente, países como Estados Unidos, Grã-Bretanha, Rússia, Alemanha e Índia iniciaram o desenvolvimento de armas a laser e realizaram testes relevantes.
A entrada de armas a laser no campo de batalha está próxima.
Em um esforço para combater ameaças assimétricas, como UAVs e barcos de ataque furtivos, e aprimorar os recursos de defesa próxima do navio, a Marinha dos EUA iniciou oficialmente o desenvolvimento do "Sistema de Armas a Laser" (LAWS) em 2010. O sistema foi implantado 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 os componentes comerciais existentes para minimizar os custos de P&D e aquisição.
O protótipo do LAWS consiste em seis lasers de fibra industrial que, quando operacionais, combinam seus feixes de laser para produzir um feixe de laser de 30 kW. O custo do uso do sistema de armas a laser é baixo, com um único disparo estimado em apenas $1, em contraste com as dezenas de milhares ou centenas de milhares de dólares por míssil.
Em 2016, o Departamento de Pesquisa Naval dos EUA iniciou o desenvolvimento de um novo sistema de armas a laser de alta energia para navios com uma potência de saída de 150 kW, que era cinco vezes mais potente do que o protótipo do sistema de leis testado anteriormente. O projeto levou 12 meses e custou US $53 milhões para desenvolver o "protótipo de demonstração do sistema de armas a laser" em três estágios: o primeiro estágio foi o projeto inicial, o segundo estágio foi o teste em solo e o terceiro estágio foi o teste em um navio de teste de autodefesa da Marinha.
Em 2014, a Academia de Engenharia Física da China e o Instituto de Óptica e Mecânica de Xangai desenvolveram em conjunto o sistema "Low Altitude Guard". No experimento de demonstração e verificação, mais de 30 aeronaves pequenas, como asas fixas, multirrotores e helicópteros, 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 efetiva de 12 quilômetros quadrados para baixas altitudes. Ele podia interceptar com precisão uma variedade de aeronaves, inclusive asas fixas, em um raio de 2 quilômetros e um espaço aéreo de 360 graus, em um raio de 5 metros. O sistema era rápido, preciso e não causava danos colaterais.
Em 2015, a Lockheed Martin usou uma arma a laser de 30 kW chamada Athena para destruir um caminhão a uma milha de distância. Em março de 2017, a empresa anunciou a conclusão de sua pesquisa e desenvolvimento de um sistema de armas a laser de 60 kW e seu envio para o Centro de Comando do Exército dos EUA no Alasca. O tecnólogo-chefe da empresa declarou que os testes bem-sucedidos nos aproximam do desenvolvimento de sistemas de armas a laser portáteis que podem ser implantados em aeronaves militares, helicópteros, navios e caminhões. A pesquisa mostrou que o laser direcional de alta energia agora é compacto, leve e confiável o suficiente para ser usado na defesa de plataformas terrestres, marítimas e aéreas.
Em conclusão, o desenvolvimento da tecnologia de laser mostra que a tecnologia de 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 atender à demanda urgente por lasers de alta potência e alta eficiência na fabricação de lasers avançados e na defesa militar.
Essa tecnologia é de grande importância estratégica para a economia e a segurança nacionais. Além disso, os lasers de fibra de alta potência têm um imenso potencial de aplicação em vários campos, como exploração de energia, grandes dispositivos científicos, ciência espacial, ciência ambiental e muito mais. Ele servirá como uma ferramenta poderosa para os seres humanos compreenderem e moldarem o mundo.
Como fundador do MachineMFG, dediquei mais de uma década de minha carreira ao setor de metalurgia. Minha vasta experiência permitiu que eu me tornasse um especialista nas áreas de fabricação de chapas metálicas, usinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou sempre pensando, lendo e escrevendo sobre esses assuntos, esforçando-me constantemente para permanecer na vanguarda do meu campo. Permita que meu conhecimento e experiência sejam um trunfo para sua empresa.
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