Láseres de fibra: funcionalidad y áreas de aplicación

El láser de fibra es un láser de estado sólido en el que la luz láser y la luz de bombeo son guiadas en fibras ópticas ("fibras de vidrio"). El medio activo del láser es el área de la sección transversal interna de la fibra de vidrio, que está dopada con un elemento perteneciente a las tierras raras (a menudo, iterbio).

La energía es suministrada por diodos láser, cuya luz (a menudo 915 nm o 977 nm) es llevada a la fibra de vidrio dopada a través de fibras ópticas. Las fibras ópticas son interconectadas mediante empalme (soldadura de vidrio), es decir, no suele haber rutas abiertas para la luz de bombeo o la luz láser (ver figura 1). Como resultado, el láser de fibra es relativamente insensible a la contaminación y las vibraciones. Como los diodos de bombeo están separados espacialmente entre sí y cada uno tiene su propio disipador de calor, la vida útil de los diodos de bombeo es alta. Siempre que la potencia pico de los pulsos láser se mantenga inferior a los 10-20kW aproximadamente, se logra una vida útil general alta de varias decenas de miles de horas. Hay láseres de fibra de emisión continua ("cw" = onda continua), así como láseres de fibra pulsados. Solo se hablará a continuación de los láseres de fibra pulsados, ya que son mucho más adecuados para aplicaciones de marcado y grabado. La duración típica del pulso es de unos 100 nanosegundos: se pueden obtener pulsos más cortos de unos pocos nanosegundos, pero con una energía de pulso significativamente menor.

Los láseres de fibra pulsados con diseño "MOPA" consisten en un "oscilador maestro" (también "láser de semilla") y un "amplificador de potencia" acoplado por fibra. El primero es un láser de diodo o un "láser en un chip" con una potencia promedio de unos pocos mW hasta un máximo de aproximadamente 150 mW. El láser emite pulsos con una forma de pulso definida. El "láser en un chip" alberga un láser en un solo chip: el medio activo por láser, los reflectores y otros componentes ópticos no solo suelen estar integrados sino que se construyen monolíticamente. El amplificador consiste en una fibra de vidrio dopada con iterbio, a la que se suministra energía a través de diodos de bombeo acoplados por fibra. Si se va a generar un pulso láser, los diodos de bombeo cargan primero (inversión de población) la fibra del amplificador. Antes de que se descargue por emisión espontánea, el láser de semilla emite un pulso que se amplifica de cientos de veces a mil veces a medida que pasa a través de la fibra. La amplificación se produce en un solo paso ("amplificador de un solo paso"). La fibra suele tener forma de bobina, por lo tanto, en un volumen pequeño se puede obtener un gran rango de amplificación y, por lo tanto, una alta ganancia.

Áreas de aplicación

La potencia pico de pulso de los láseres de fibra para aplicaciones de marcado y grabado tiene valores típicos de 10kW a 20kW. Esto, a una potencia de salida media de 10W - 100W. Gracias a la alta calidad del haz y la buena capacidad de enfoque asociada, se pueden grabar estructuras pequeñas o se pueden practicar marcas y marcar imágenes de alta resolución.

Ventajas del láser de fibra

La gran superficie —y al mismo tiempo, escaso volumen— de las fibras de vidrio utilizadas permite una refrigeración efectiva y, por lo tanto, una estructura muy compacta que no precisa mantenimiento. La eficiencia relativamente alta (eléctrica - óptica superior al 20%) asegura bajos costos de energía y bajo calor residual. Los costos generales de vida útil son significativamente más bajos en comparación con los láseres YAG que han estado disponibles por más tiempo, y cubren aplicaciones similares.

Desventajas de los láseres de fibra

En comparación con los láseres YAG, los láseres de fibra tienen potencias pico de pulso más bajas (láseres de fibra de 10-20kW, 30-100kW para YAG) y duraciones de pulso más altas. Esto puede ser perjudicial cuando se marcan ciertos plásticos y en el grabado profundo de metales de alta calidad.

La pequeña sección transversal de las fibras de vidrio utilizadas limita la potencia pico de los láseres de fibra. Si se generan pulsos de corta duración y alta energía de pulso, surgen intensidades pico altas que pueden llevar a la destrucción de la fibra (formación de centros de color).

Conclusión

Los láseres de fibra pulsados han sustituido al menos parcialmente a los láseres YAG previamente establecidos durante los últimos 10 años. La estructura compacta, robusta y relativamente fácil de refrigerar de los láseres de fibra, en combinación con una larga vida útil y bajos costos generales de vida útil, lo han hecho posible. Se adquirieron (adaptaron) procesos de fabricación significativos en la construcción de láseres de fibra de la industria de las telecomunicaciones, por ejemplo, el empalme, es decir, soldar las caras de los extremos de dos fibras ópticas, donde la superficie de contacto tiene una pureza muy alta y baja atenuación.

 

 

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