Módulos de láser de diodo Los módulos de láser de diodo de la serie DLM se fabrican con una potencia de salida de hasta 100 W. Estos láseres se distinguen por su diseño compacto, alta fiabilidad y economía. Operan a una longitud de onda de aproximadamente 970 nm, tienen una eficiencia de conexión del 40-45 %, están diseñados para enfriamiento por aire conductivo o forzado y no requieren el reemplazo de ningún elemento durante toda la vida útil. La salida de radiación se realiza a través de una fibra óptica flexible con un diámetro de 0,1 ... 0,3 mm, protegida por una carcasa metálica. Para facilitar la operación de los módulos, la radiación de baja potencia del láser piloto en las bandas roja o verde se puede agregar a la radiación de trabajo invisible.

El circuito de control del módulo láser proporciona las funciones de encender/apagar la radiación de salida, controlar la potencia de salida, monitorear los parámetros del módulo y controlar el láser piloto. Frecuencias de modulación permisibles de la radiación de salida: hasta 50 kHz. Los módulos se alimentan de fuentes de corriente continua de bajo voltaje.

Ventajas principales
- Diseño compacto
- Suministro de fibra de radiación.
- Eficiencia hasta 45%
- Conductivo o enfriado por aire
- Modulación de radiación con frecuencias de hasta 50 kHz
- Alta fiabilidad y larga vida útil.
- Libre de mantenimiento

áreas de uso
- soldadura
- Soldadura de plásticos
- Tratamiento térmico
- Limpieza de superficies
- Dispositivos médicos
- Bombeo láser
- Investigación científica

Opciones
- Láser piloto verde/rojo

Especificación típica

Láseres de iterbio CW

La serie ILM de láseres de iterbio cw está diseñada para integrarse en el equipo final del usuario para diversas aplicaciones y está diseñada para condiciones de funcionamiento exigentes, con altos niveles de vibración y contaminación, humedad de hasta el 90 % y una gran diferencia de temperatura. Los láseres de fibra de iterbio bombeados por diodos compactos y libres de mantenimiento generan radiación en el rango espectral de 1030-1080 nm, que se envía directamente al área afectada utilizando una fibra monomodo en una funda protectora de metal. Al final de la fibra se puede instalar una lente colimadora o un conector óptico a pedido del cliente.

El bajo consumo de energía (eficiencia "desde el enchufe" más del 25-30 %), el diseño compacto, la falta de elementos ajustables, la refrigeración por aire, la alta fiabilidad y la larga vida útil en condiciones de funcionamiento limitantes proporcionan ventajas fundamentales de los láseres de fibra de iterbio en comparación con otros tipos de láseres para esta región espectral. La potencia de radiación de salida se puede modular en amplitud con una frecuencia de hasta 5 kHz. Los láseres de la serie ILM se alimentan de una red de 24 V CC.

Ventajas principales
- Potencia de salida hasta 120W
- Calidad del haz M2

Opciones
- Polarización lineal
- Longitud de fibra hasta 20 m

áreas de uso
- soldadura
- Microsoldadura
- Tratamiento térmico
- Grabado
- Dispositivos médicos
- Instrumentación Científica

Especificación típica

Láseres de erbio CW

Los láseres de fibra de erbio de la serie ELM son instrumentos únicos que tienen todas las ventajas de los láseres de fibra y funcionan en el rango espectral seguro para los ojos (1530-1620 nm). Estos láseres, debido a su amplio rango de potencia de salida, alta eficiencia, alta confiabilidad y una amplia gama de opciones, son la mejor solución para una variedad de aplicaciones en procesamiento de materiales, telecomunicaciones, medicina e instrumentación científica. Los dispositivos se controlan a través de una interfaz, lo que permite utilizar el ELM como parte de una instalación tecnológica, complejos médicos o científicos.

Ventajas principales
- Longitud de onda de la radiación de 1530 a 1620 nm
- Eficiencia desde el zócalo más del 10%
- Excelente calidad de haz
- Refrigeración por aire o agua

Opciones
- Modulación de potencia
- Polarización lineal
- Longitud de fibra de salida hasta 20 m

áreas de uso
- Manejo de materiales
- Telecomunicaciones
- Dispositivos médicos

- Monitoreo ambiental
- Instrumentación Científica

Especificación típica

Láseres de tulio CW

Los láseres de fibra de tulio de la serie TLM funcionan en modo continuo en el modo transversal más bajo (M2

Ventajas principales
- Funcionamiento monomodo (M2

Opciones
- Polarización lineal
- Longitud de fibra de salida hasta 20 m

áreas de uso
- Manejo de materiales
- Dispositivos médicos
- Bombeo de láseres de infrarrojo medio de estado sólido y generadores paramétricos ópticos
- Monitoreo ambiental
- Instrumentación Científica

Especificación típica

Láseres de iterbio pulsado

Los láseres pulsados ​​de la serie OR se caracterizan por el bajo consumo de una red de 24 V CC y están refrigerados por aire con ventiladores incorporados.

El principal campo de aplicación de los láseres de la serie OR es el marcado y grabado láser. También se utilizan para corte de precisión, micromaquinado, fresado láser.

Ventajas principales:
- Potencia de salida hasta 50W
- Calidad del haz M2

Áreas de uso:
- Grabado
- Marcaje
- Micromecanizado
- Corte de precisión
- Instrumentación Científica

Especificación típica

Estos láseres se pueden distinguir muy condicionalmente en un tipo separado, ya que utilizan aproximadamente el mismo mecanismo para la excitación del medio activo (bombeo) que en los láseres de gas o de estado sólido.

Los diodos láser también se utilizan como bombeo. Estas fuentes se han desarrollado para sistemas de telecomunicaciones de fibra donde se utilizan como amplificadores de señal. Imagine que el cristal en el que se genera la radiación láser útil está, por así decirlo, estirado varias decenas de metros y es un núcleo de fibra con un diámetro de varias micras, que se encuentra dentro de una fibra de cuarzo. La radiación de los diodos se dirige hacia la fibra de cuarzo y el núcleo se bombea ópticamente en toda su longitud.

El uso de vidrio láser como elemento activo en láseres de estado sólido se conoce desde hace mucho tiempo. A diferencia de los cristales, las gafas láser tienen una estructura interna desordenada. Junto con los componentes de formación de vidrio SiO 2, B 2 O 3, P 2 O 5, BeF 2, contienen Na 2 O, K 2 O, Li 2 O, MgO, CaO, BaO, Al 2 O 3, Sb 2 O 3 . Los iones de neodimio Nd 3+ suelen servir como impurezas activas; También se utilizan gadolinio Gd 3+, erbio Er 3+, holmio Ho 3+, iterbio Yb 3+. La concentración de iones de neodimio Nd 3+ en los vidrios alcanza el 6% (en masa).

En las gafas láser se consigue una alta concentración de partículas activas. Otra ventaja de estos vidrios es la posibilidad de fabricar elementos activos de gran tamaño, de prácticamente cualquier forma y con una uniformidad óptica muy alta. Los vidrios se obtienen en crisoles de platino o cerámica. Las desventajas de usar vidrios como materiales láser incluyen una banda de generación relativamente amplia (310 nm) y una baja conductividad térmica, lo que impide una rápida eliminación del calor durante el bombeo óptico de alta potencia.

Los láseres de fibra tienen una eficiencia muy alta (hasta un 80 %) para convertir la radiación del diodo láser en radiación útil. La refrigeración por aire es suficiente para garantizar su funcionamiento. Estas fuentes láser son muy prometedoras para los sistemas de registro de placas digitales.

En la fig. 3.22 muestra un diagrama del funcionamiento de un láser de fibra bombeado por semiconductores y, en vista general todo el camino óptico hasta el material procesado. La característica principal de este láser es que aquí la radiación se produce en una fibra fina (núcleo; por ejemplo, el iterbio puede ser un medio activo) de tan solo 68 micras de diámetro, que se encuentra en el interior de una fibra de cuarzo con un diámetro de 400600 micras La radiación de los diodos láser de bombeo se introduce en una fibra de cuarzo y se propaga a lo largo de toda la fibra compuesta compleja, que tiene varias decenas de metros de largo.

Figura 3.22 - Sistema óptico con láser de fibra:

1 - núcleo dopado con iterbio, diámetro 6–8 µm; 2 - fibra de cuarzo, diámetro 400-600 micras; 3 – carcasa de polímero; 4 - revestimiento protector externo; 5 – diodos láser de bombeo óptico; 6 – sistema de bombeo óptico; 7 - fibra (hasta 40 m); 8 - colimador; 9 - modulador de luz; 10 - sistema óptico de enfoque

La radiación bombea ópticamente el núcleo, y es aquí, en los átomos de iterbio, donde se producen las transformaciones físicas que conducen a la aparición de la radiación láser. Cerca de los extremos de la fibra, se hacen dos llamados espejos de difracción en el núcleo en forma de un conjunto de muescas en la superficie cilíndrica del núcleo (rejillas de difracción): así es como se crea un resonador láser de fibra. La longitud total de la fibra y la cantidad de diodos láser se seleccionan en función de la potencia y la eficiencia requeridas. La salida es un rayo láser monomodo ideal con una distribución de potencia muy uniforme, que permite enfocar la radiación en un punto pequeño y obtener una mayor profundidad de campo que en el caso de Nd:YAG de estado sólido de alta potencia. láseres

También se debe tener en cuenta que varias de estas propiedades de la radiación láser de fibra, como la naturaleza de la polarización del haz, hacen que sea conveniente y confiable controlar esta radiación utilizando dispositivos acústico-ópticos y hacen posible implementar esquemas de grabación de imágenes multihaz.

Dado que el bombeo óptico se produce a lo largo de toda la longitud de la fibra, no existen efectos inherentes a los láseres de estado sólido convencionales como una lente térmica en un cristal, distorsión del frente de onda debido a defectos en el propio cristal, inestabilidad del haz en el tiempo, etc. lo que siempre impidió alcanzar las máximas capacidades de los sistemas de estado sólido. Sin embargo, los propios principios de la estructura y funcionamiento de un láser de fibra garantizan un alto rendimiento y hacen que estos dispositivos sean perfectos convertidores de radiación luminosa en radiación láser.

El "núcleo" del láser, de solo unos pocos micrómetros de espesor, consiste en iterbio y funciona como un resonador. La mejor calidad se puede lograr a una longitud de onda de radiación de 1110 nm, mientras que la longitud del cable de fibra óptica puede alcanzar los 40 m. Los láseres con una potencia de 1 a 100 W están disponibles comercialmente, con una eficiencia de alrededor del 50%. Los láseres de fibra no suelen requerir refrigeración especial. El tamaño de punto mínimo para los láseres de fibra óptica modernos es de unos 20 µm y, cuando se utilizan mecanismos de corrección, se puede reducir a 5 µm. La profundidad de enfoque es de 300 µm, lo que permite trabajar con éxito con materiales de placa de varios grosores sin un mecanismo de enfoque automático.

Un láser de fibra es un láser con una implementación total o parcial de fibra óptica, donde el medio amplificador y, en algunos casos, el resonador están hechos de fibra óptica.

Un láser de fibra es un láser con una implementación total o parcial de fibra óptica, de donde fibra óptica A se fabrican un medio amplificador y, en algunos casos, un resonador. Según el grado de implantación de la fibra, el láser puede ser todo fibra (medio activo y resonador) o fibra discreta (solo fibra resonador u otros elementos).

Los láseres de fibra pueden operar en pulsos continuos, así como de nanosegundos y femtosegundos.

Diseño láser depende de la naturaleza de su trabajo. El resonador puede ser un sistema Fabry-Perot o un resonador de anillo. En la mayoría de los diseños, se utiliza como medio activo una fibra óptica dopada con iones de elementos de tierras raras (tulio, erbio, neodimio, iterbio, praseodimio). El láser es bombeado por uno o más diodos láser directamente al núcleo de la fibra o, en sistemas de alta potencia, al revestimiento interior.

Los láseres de fibra se utilizan ampliamente debido a una amplia variedad de parámetros, la capacidad de sintonizar el pulso en una amplia gama de duración, frecuencia y potencia.

La potencia de los láseres de fibra es de 1 W a 30 kW. La longitud de la fibra óptica es de hasta 20 m.

Aplicaciones de los láseres de fibra:

– corte metales y polímeros en producción industrial,

– corte de precisión,

– micromecanizado rieles y polímeros

– tratamiento de superficies,

– soldadura,

– tratamiento térmico,

– etiquetado de productos,

– telecomunicaciones (líneas de comunicación de fibra óptica),

– fabricación de productos electrónicos,

– producción de dispositivos médicos,

– instrumentación científica.

Ventajas de los láseres de fibra:

– los láseres de fibra son una herramienta única que abre una nueva era en el procesamiento de materiales,

– la portabilidad y la elección de la longitud de onda de los láseres de fibra permiten nuevas aplicaciones eficientes que no están disponibles para otros tipos de láseres existentes actualmente,

– son superiores a otros tipos de láseres en casi todos los parámetros esenciales que son importantes desde el punto de vista de su uso industrial,

– la posibilidad de configurar el pulso en un amplio rango de duración, frecuencias y potencias,

– la capacidad de establecer una secuencia de pulsos cortos con la frecuencia requerida y alta potencia de pico, lo cual es necesario, por ejemplo, para grabado láser,

– una amplia gama de opciones.

Comparación de diferentes tipos de láseres:

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láseres de fibra de estado sólido
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Tasa de demanda 902

THOMAS SCRIBER, ANDREAS TÜNNERMANN y ANDREAS THOMS

Mediante la identificación de los problemas de los láseres de fibra de alta potencia y la optimización de la fibra óptica, se ha logrado una potencia monomodo de 4,3 kW con posible escalabilidad futura y nuevas aplicaciones de láser ultrarrápido en desarrollo.

Si hay una tendencia obvia en la tecnología láser, es el crecimiento de los láseres de fibra. Los láseres de fibra se han apoderado de la cuota de mercado de los láseres de CO2 de alta potencia, así como de los láseres de estado sólido a granel para corte y soldadura de alta potencia. Los principales fabricantes de láser de fibra ahora están recurriendo a una serie de nuevas aplicaciones para capturar aún más mercados.

Entre los láseres de alta potencia, los sistemas monomodo ofrecen las características que los hacen deseables: tienen el brillo más alto y pueden enfocarse hasta unas pocas micras y las intensidades más altas. También muestran la mayor profundidad de enfoque, lo que los convierte en los más adecuados para el procesamiento remoto.

Sin embargo, son difíciles de fabricar y solo el líder del mercado PHG Photonics (Oxford, MA) ofrece un sistema monomodo de 10kW (2009).

Desafortunadamente, no hay datos sobre estas características del haz, en particular sobre cualquier posible componente multimodo que pueda encajar en un haz monomodo.

Un equipo de investigadores en Alemania demostró una potencia monomodo de 4,3 kW de un láser de fibra en el que la salida estaba limitada solo por la potencia de la bomba de entrada.

Financiado por el gobierno alemán y en colaboración con TRUMPF (Ditzingen, Alemania), Active Fiber Systems, Jenoptik y el Instituto Leibniz de Tecnología Fotónica, un equipo de científicos de la Universidad Friedrich Schiller y el Instituto Fraunhofer de Óptica Aplicada e Ingeniería de Precisión (todos en Jena, Alemania) analizó los problemas para escalar tales láseres y luego desarrolló nuevas fibras para superar las limitaciones. El equipo completó con éxito una serie de pruebas que mostraron una salida monomodo de 4,3 kW, en la que la salida del láser de fibra estaba limitada solo por la potencia de la bomba de entrada.

Efectos de contención para el escalado láser de fibra monomodo

¿Cuáles son los desafíos para un láser de fibra monomodo de alta potencia? Éstos se pueden agrupar en tres campos: a) mejora del bombeo, b) desarrollo de fibra activa de bajas pérdidas operando en monomodo únicamente, yc) medición correcta de la radiación resultante.

En este artículo, supondremos que a) se resuelve con diodos láser de alto brillo y técnicas de desacoplamiento adecuadas, y nos centraremos en las otras dos áreas.

Como parte del desarrollo de una fibra activa para monomodo de alta potencia, se utilizan dos conjuntos generales de parámetros para la optimización: dopaje y geometría. Todos los parámetros deben definirse para pérdida mínima, modo único y, finalmente, alta ganancia. Un amplificador de fibra ideal proporcionará alta velocidad más del 90% de conversión, excelente calidad de haz y potencia de salida limitada solo por la potencia de la bomba disponible.

Sin embargo, ampliar un sistema monomodo a potencias más altas puede generar una mayor densidad de potencia dentro del núcleo, una mayor carga térmica y una serie de efectos ópticos no lineales, como la dispersión Raman estimulada (SRS) y la dispersión Brillouin estimulada (SBS). .

Dependiendo del tamaño del núcleo activo, se pueden excitar y amplificar varios modos transversales. Para un paso de índice dado entre el núcleo y la cubierta, cuanto menor sea la sección transversal de la celda activa, menor será el número de dichos modos. Sin embargo, el diámetro más pequeño también significa una mayor densidad de potencia. Algunos trucos, como doblar la fibra, agregan pérdidas para los modos más altos.

Sin embargo, para diámetros de núcleo grandes y bajo estrés térmico, pueden ocurrir otros modos. Estos modos están sujetos a interacción durante la amplificación; sin condiciones óptimas de propagación, el perfil de salida puede volverse espacial o temporalmente inestable.

Inestabilidades de modo transversal

Las fibras dopadas con iterbio (Yb) son un medio de trabajo típico para los láseres de fibra monomodo de alta potencia. Pero más allá de cierto umbral, muestran un efecto completamente nuevo: las llamadas inestabilidades de modo transversal (TMI).

A un cierto nivel de potencia, aparecen repentinamente modos más altos o incluso modos de revestimiento, la energía se transfiere dinámicamente entre estos modos y la calidad del haz disminuye.

El haz comienza a oscilar en la salida.

Desde que se descubrió TMI, se ha observado en una variedad de diseños de fibra, desde fibras de índice de tono hasta fibras de cristal fotónico. Solo su valor umbral depende de la geometría y el dopaje, pero una estimación aproximada sugiere que este efecto supera la potencia de salida de 1 kW.

Mientras tanto, se ha encontrado que el efecto está relacionado con los efectos térmicos dentro de la fibra con una fuerte relación con los efectos de fotooscurecimiento. Además, la susceptibilidad de los láseres de fibra a TMI parece depender de la composición del núcleo.

La geometría del índice escalonado conduce a una serie de parámetros para la optimización. El diámetro del núcleo, el tamaño del revestimiento de la bomba y el índice de diferencia de refracción entre el núcleo de la bomba y la carcasa de la bomba se pueden personalizar. Este ajuste depende de la concentración de dopante, es decir, la concentración de iones Yb se puede utilizar para controlar la longitud de absorción de la radiación de la bomba en la fibra activa. Se pueden agregar otros aditivos para reducir los efectos térmicos y controlar el paso del índice de refracción.

Pero hay algunas afirmaciones contradictorias. Para reducir los efectos no lineales, la fibra debe ser más corta. Sin embargo, para reducir la carga térmica, la fibra debe ser más larga. El oscurecimiento fotográfico aumenta con el cuadrado de la concentración del dopante, por lo que las fibras más largas con menos dopaje también serán mejores.

Aplicaciones en ciencia ultrarrápida

Después de aproximadamente una década de estancamiento en el campo del escalado de láseres de fibra monomodo de alta potencia, ahora parece que vale la pena desarrollar una nueva generación de láseres de fibra de clase kilovatio con una excelente calidad de haz.

Se muestran potencias de salida de 4,3 kW, limitadas únicamente por la potencia de la bomba.

Se han identificado las principales limitaciones para una mayor escala y se han identificado formas de superar estas limitaciones.

Cabe señalar que fue un estudio exhaustivo de todos los efectos conocidos y la posterior optimización de los parámetros lo que condujo a avances en el diseño de fibra y, finalmente, a nuevos récords en potencia de salida.

Parece factible una mayor escala y adaptación de la fibra para otras aplicaciones y se abordará más adelante.

Esto abre una serie de perspectivas interesantes.

Por un lado, la transferencia de resultados a productos industriales es deseable para los socios del proyecto, pero requerirá importantes esfuerzos de desarrollo adicionales.

Por otro lado, esta tecnología es muy importante para escalar otros sistemas láser de fibra como los amplificadores de fibra de femtosegundos.

REFERENCIAS

1. F. Beier et al., "Potencia de salida monomodo de 4,3 kW de un amplificador de fibra dopado con Yb directamente bombeado por diodos", que se publicará en Opt. expresar.
2. T. Eidam y col., opt. Lett., 35, 94–96 (2010).
3. M. Müller y col., opt. Lett., 41, 3439–3442 (2016).

Traducción de Sergey Rogalev

El término "láser de fibra óptica" generalmente se refiere a un láser con una fibra óptica como medio de ganancia, aunque algunos láseres con un medio de ganancia semiconductor y un resonador de fibra también se denominan láseres de fibra óptica. En la mayoría de los casos, el medio de ganancia de los láseres de fibra es fibra dopada con iones de tierras raras como erbio (Er 3+), neodimio (Nd 3+), iterbio (Yb 3+), tulio (Tm 3+) o praseodimio (Pr 3+). Se utilizan uno o más diodos láser para el bombeo.

resonador láser de fibra

Para crear un resonador lineal de un láser de fibra óptica, es necesario utilizar algún tipo de reflector (espejo), o crear un resonador de anillo (láser de fibra de anillo).

Los resonadores lineales de láser de fibra utilizan diferentes tipos de espejos:

· En configuraciones de laboratorio simples, los espejos dieléctricos convencionales se pueden unir a los extremos de fibra cortados perpendicularmente, como se muestra en la Figura 1. Sin embargo, este enfoque no es muy práctico para la producción en masa y tampoco es muy confiable.

· La reflexión de Fresnel desde el extremo de una fibra suele ser suficiente para usarse como espejo de salida de una cavidad de láser de fibra. en la fig. 2 es un ejemplo.

· También es posible aplicar recubrimientos dieléctricos directamente sobre los extremos de las fibras, generalmente por pulverización catódica. Dichos recubrimientos se pueden utilizar para la reflexión en un amplio rango.

· Muchos láseres de fibra utilizan rejillas de Bragg de fibra formadas directamente en la fibra dopada o en una fibra no dopada soldada a la capa activa. La Figura 3 muestra un láser reflector de Bragg distribuido (láser DBR) con dos rejillas de fibra, pero también hay láseres de Bragg distribuidos. comentario con una rejilla en fibras dopadas con un cambio de fase en el medio.

· mejores características se puede obtener poder utilizando un colimador a la salida de la luz de la fibra y reflejándola mediante un espejo dieléctrico (Fig. 4). La intensidad en el espejo se reduce significativamente debido a que el área del haz es mucho más grande. Sin embargo, una pequeña compensación puede provocar una pérdida de reflexión significativa, una pérdida dependiente de la polarización, etc.

· Otra opción es utilizar un espejo en forma de loop de fibra (Fig. 5), basado en un manguito de fibra (por ejemplo, con un split ratio de 50:50) y un trozo de fibra pasiva.

La mayoría de los láseres de fibra son bombeados por uno o más láseres de diodo con salidas de fibra (la radiación de un diodo láser se inyecta en la fibra). La luz se puede bombear directamente al núcleo o al revestimiento interior de la fibra en láseres de alta potencia.