¿Qué es un láser de fibra?

Definición: Un láser que utiliza una fibra dopada como medio de ganancia, o un láser cuyo resonador láser está compuesto principalmente de fibra.

Los láseres de fibra generalmente se refieren a láseres que usan fibra como medio de ganancia, aunque algunos láseres que usan medios de ganancia semiconductores (amplificadores ópticos semiconductores) y resonadores de fibra también pueden denominarse láseres de fibra (o láseres ópticos semiconductores). Además, algunos otros tipos de láseres (por ejemplo, diodos semiconductores acoplados a fibra) y amplificadores de fibra también se denominan láseres de fibra (o sistemas de láser de fibra).

En la mayoría de los casos, el medio de ganancia es una fibra dopada con iones de tierras raras, como erbio (Er3+), iterbio (Yb3+), torio (Tm3+) o praseodimio (Pr3+), y se requieren uno o más diodos láser acoplados a fibras. para bombeo. Aunque el medio de ganancia de los láseres de fibra es similar al de los láseres masivos de estado sólido, el efecto de guía de onda y el área de modo efectiva pequeña dan como resultado láseres con propiedades diferentes. Por ejemplo, suelen tener una elevada ganancia de láser y elevadas pérdidas en la cavidad del resonador. Ver las entradas láser de fibra y láser a granel.

Figura 1

Resonador láser de fibra

Para obtener un resonador láser utilizando una fibra óptica, se pueden usar varios reflectores para formar un resonador lineal o para crear un láser de anillo de fibra. Se pueden utilizar diferentes tipos de reflectores en un resonador láser óptico lineal:

Figura 2

1. En instalaciones de laboratorio, se pueden usar espejos dicroicos ordinarios en los extremos de fibras escindidas perpendicularmente, como se muestra en la Figura 1. Sin embargo, esta solución no se puede usar en producción a gran escala y no es duradera.

2. La reflexión de Fresnel al final de una fibra desnuda es suficiente para servir como acoplador de salida para un láser de fibra. La figura 2 muestra un ejemplo.

3. Los recubrimientos dieléctricos también se pueden depositar directamente sobre los extremos de las fibras, generalmente por evaporación. Dichos recubrimientos pueden lograr una alta reflectividad en un amplio rango.

4. En los productos comerciales se suelen utilizar rejillas de Bragg de fibra, que pueden prepararse directamente a partir de fibras dopadas o empalmando fibras no dopadas con fibras activas. La Figura 3 muestra un láser reflector de Bragg distribuido (láser DBR), que contiene dos rejillas de fibra. También hay un láser de retroalimentación distribuida con una rejilla en la fibra dopada y un cambio de fase en el medio.

5. Si la luz emitida por la fibra es colimada por una lente y reflejada por un espejo dicroico, se puede lograr un mejor manejo de la potencia. La luz recibida por el espejo tendrá una intensidad muy reducida debido a la mayor área del haz. Sin embargo, ligeras desalineaciones pueden causar pérdidas significativas por reflexión y reflexiones de Fresnel adicionales en las facetas del extremo de la fibra pueden producir efectos de filtro. Esto último se puede suprimir utilizando extremos de fibra cortados en ángulo, pero esto introduce pérdidas dependientes de la longitud de onda.

6. También es posible formar un reflector de bucle óptico utilizando un acoplador de fibra y fibras pasivas.

La mayoría de los láseres ópticos son bombeados por uno o más láseres semiconductores acoplados a fibras. La luz de la bomba se acopla directamente al núcleo de fibra o a alta potencia al revestimiento de la bomba (ver fibras de doble revestimiento), que se analizará en detalle a continuación.

Existen muchos tipos de láseres de fibra, algunos de los cuales se describen a continuación.

Existen muchos tipos de láseres de fibra, algunos de los cuales se describen a continuación.

Láseres de fibra de alta potencia

Al principio, los láseres de fibra sólo podían alcanzar potencias de unos pocos milivatios. Hoy en día, los láseres de fibra de alta potencia pueden alcanzar potencias de salida de varios cientos de vatios y, a veces, incluso de varios kilovatios con fibras monomodo. Esto se logra aumentando la relación de aspecto y los efectos de guía de onda, que evitan los efectos termoópticos.

Consulte la entrada Láseres y amplificadores de fibra de alta potencia para obtener más detalles.

Láseres de fibra de conversión ascendente

Los láseres de fibra son particularmente adecuados para realizar láseres de conversión ascendente, que normalmente funcionan con transiciones láser relativamente poco frecuentes y requieren intensidades de bombeo muy altas. En los láseres de fibra, se pueden mantener altas intensidades de bombeo a lo largo de largas distancias, de modo que la eficiencia de ganancia obtenida se logra fácilmente para transiciones con ganancia muy baja.

En la mayoría de los casos, las fibras de sílice no son adecuadas para los láseres de fibra de conversión ascendente, porque el mecanismo de conversión ascendente requiere una larga vida útil en el estado intermedio en el nivel de energía electrónica, que suele ser muy pequeña en las fibras de sílice debido a la alta energía de los fonones (ver transiciones multifotónicas). Por lo tanto, se suelen utilizar algunas fibras de fluoruro de metales pesados, como ZBLAN (un fluorocirconato) con baja energía de fonones.

Los láseres de fibra de conversión ascendente más utilizados son fibras dopadas con torio para luz azul, láseres dopados con praseodimio (a veces con iterbio) para luz roja, naranja, verde o azul y láseres dopados con erbio para triodo.

Láseres de fibra de ancho de línea estrecho

Los láseres de fibra pueden funcionar en un solo modo longitudinal (ver láser de frecuencia única, operación en modo único) con un ancho de línea muy estrecho de unos pocos kilohercios o incluso menos de 1 kHz. Para un funcionamiento estable de frecuencia única a largo plazo, y sin requisitos adicionales después de considerar la estabilidad de la temperatura, la cavidad del láser debe ser corta (por ejemplo, 5 cm), aunque cuanto más larga sea la cavidad, en principio, menor será el ruido de fase y más estrecha será la ancho de línea. El extremo de la fibra contiene una rejilla de Bragg de fibra de banda estrecha (ver láser reflector de Bragg distribuido, láser de fibra DBR) para seleccionar un modo de cavidad. La potencia de salida suele oscilar entre unos pocos milivatios y decenas de milivatios, y también están disponibles láseres de fibra de frecuencia única con potencias de salida de hasta 1 W.

Una forma extrema es el láser de retroalimentación distribuida (láser DFB), en el que toda la cavidad del láser está contenida dentro de una rejilla de Bragg de fibra con un cambio de fase en el medio. Aquí la cavidad es relativamente corta, lo que sacrifica potencia de salida y ancho de línea, pero el funcionamiento en frecuencia única es muy estable.

Los amplificadores de fibra también se pueden utilizar para amplificar aún más a potencias más altas.

Láseres de fibra con conmutación Q

Los láseres de fibra pueden generar pulsos con longitudes que van desde decenas a cientos de nanosegundos, utilizando varios interruptores Q activos o pasivos. Se pueden lograr energías de pulso de unos pocos milijulios con fibras de área modal grande y, en casos extremos, pueden alcanzar decenas de milijulios, limitadas por la energía de saturación (incluso con fibras de área modal grande) y el umbral de daño (más pronunciado para pulsos más cortos). Todos los dispositivos de fibra (excepto la óptica de espacio libre) tienen una energía de pulso limitada porque generalmente no pueden implementar fibras de área modal grande y una conmutación Q efectiva.

Debido a la alta ganancia del láser, la conmutación Q en los láseres de fibra es de naturaleza muy diferente a la de los láseres masivos y es más compleja. Por lo general, hay múltiples picos en el dominio del tiempo y también es posible producir pulsos de conmutación Q con una longitud menor que el tiempo de ida y vuelta del resonador.

Los láseres de fibra de modo bloqueado utilizan resonadores más complejos (láseres de fibra ultracorta) para producir pulsos de picosegundos o femtosegundos. En este caso, el resonador láser contiene un modulador activo o algunos absorbentes saturados. Los absorbentes saturados se pueden realizar mediante efectos de rotación de polarización no lineal o mediante el uso de un espejo de bucle de fibra no lineal. Se pueden utilizar espejos de bucle no lineales, por ejemplo, en el "láser en forma de ocho" de la Figura 8, donde el lado izquierdo contiene un resonador principal y un anillo de fibra no lineal para amplificar, dar forma y estabilizar los pulsos ultracortos de ida y vuelta. Especialmente en el bloqueo del modo armónico, se requieren dispositivos adicionales, como subcavidades utilizadas como filtros ópticos.