O que é um laser de fibra?

Definição: Um laser que utiliza uma fibra dopada como meio de ganho, ou um laser cujo ressonador de laser é composto principalmente de fibra.

Os lasers de fibra geralmente se referem a lasers que usam fibra como meio de ganho, embora alguns lasers que usam meios de ganho semicondutores (amplificadores ópticos semicondutores) e ressonadores de fibra também possam ser chamados de lasers de fibra (ou lasers ópticos semicondutores). Além disso, alguns outros tipos de lasers (por exemplo, diodos semicondutores acoplados a fibra) e amplificadores de fibra também são chamados de lasers de fibra (ou sistemas de laser de fibra).

Na maioria dos casos, o meio de ganho é uma fibra dopada com íons de terras raras, como érbio (Er3+), itérbio (Yb3+), tório (Tm3+) ou praseodímio (Pr3+), e um ou mais diodos laser acoplados a fibra são necessários para bombeamento. Embora o meio de ganho dos lasers de fibra seja semelhante ao dos lasers de estado sólido, o efeito do guia de ondas e a pequena área de modo efetivo resultam em lasers com propriedades diferentes. Por exemplo, eles geralmente apresentam alto ganho de laser e altas perdas na cavidade do ressonador. Consulte as entradas laser de fibra e laser em massa.

figura 1

Ressonador laser de fibra

Para obter um ressonador laser usando uma fibra óptica, vários refletores podem ser usados ​​para formar um ressonador linear ou para criar um laser de anel de fibra. Diferentes tipos de refletores podem ser usados ​​em um ressonador laser óptico linear:

Figura 2

1. Em configurações de laboratório, espelhos dicróicos comuns podem ser usados ​​nas extremidades de fibras clivadas perpendicularmente, conforme mostrado na Figura 1. No entanto, esta solução não pode ser usada na produção em larga escala e não é durável.

2. A reflexão de Fresnel na extremidade de uma fibra nua é suficiente para servir como acoplador de saída para um laser de fibra. A Figura 2 mostra um exemplo.

3. Os revestimentos dielétricos também podem ser depositados diretamente nas extremidades das fibras, geralmente por evaporação. Tais revestimentos podem atingir alta refletividade em uma ampla faixa.

4. Em produtos comerciais, geralmente são utilizadas redes de Bragg de fibra, que podem ser preparadas diretamente a partir de fibras dopadas ou emendando fibras não dopadas em fibras ativas. A Figura 3 mostra um laser refletor de Bragg distribuído (laser DBR), que contém duas grades de fibra. Há também um laser de feedback distribuído com uma grade na fibra dopada e uma mudança de fase entre elas.

5. Se a luz emitida pela fibra for colimada por uma lente e refletida de volta por um espelho dicróico, pode-se obter melhor manuseio de energia. A luz recebida pelo espelho terá uma intensidade bastante reduzida devido à maior área do feixe. No entanto, pequenos desalinhamentos podem causar perdas de reflexão significativas, e reflexões de Fresnel adicionais nas facetas das extremidades da fibra podem produzir efeitos de filtro. Este último pode ser suprimido usando extremidades de fibra clivadas em ângulo, mas isso introduz perdas dependentes do comprimento de onda.

6. Também é possível formar um refletor de circuito óptico usando um acoplador de fibra e fibras passivas.

A maioria dos lasers ópticos são bombeados por um ou mais lasers semicondutores acoplados a fibra. A luz da bomba é acoplada diretamente ao núcleo da fibra ou em alta potência ao revestimento da bomba (ver fibras de revestimento duplo), que será discutido em detalhes abaixo.

Existem muitos tipos de lasers de fibra, alguns dos quais são descritos abaixo.

Existem muitos tipos de lasers de fibra, alguns dos quais são descritos abaixo.

Lasers de fibra de alta potência

Inicialmente, os lasers de fibra só conseguiam atingir potências de saída de alguns miliwatts. Hoje, os lasers de fibra de alta potência podem atingir potências de saída de várias centenas de watts e, às vezes, até vários quilowatts a partir de fibras monomodo. Isto é conseguido aumentando a relação de aspecto e os efeitos do guia de ondas, que evitam efeitos termo-ópticos.

Consulte a entrada Lasers e amplificadores de fibra de alta potência para obter mais detalhes.

Lasers de fibra de conversão ascendente

Os lasers de fibra são particularmente adequados para realizar lasers de conversão ascendente, que geralmente operam em transições de laser relativamente pouco frequentes e requerem intensidades de bombeamento muito altas. Nos lasers de fibra, altas intensidades de bombeamento podem ser mantidas em longas distâncias, de modo que a eficiência de ganho obtida é facilmente alcançada para transições com ganho muito baixo.

Na maioria dos casos, as fibras de sílica não são adequadas para lasers de fibra de conversão ascendente, porque o mecanismo de conversão ascendente requer um longo tempo de vida no estado intermediário no nível de energia eletrônica, que geralmente é muito pequeno em fibras de sílica devido à alta energia do fônon (ver transições multifótons). Portanto, algumas fibras de fluoreto de metais pesados ​​são geralmente utilizadas, como o ZBLAN (um fluorozirconato) com baixa energia de fônons.

Os lasers de fibra de conversão ascendente mais comumente usados ​​são fibras dopadas com tório para luz azul, lasers dopados com praseodímio (às vezes com itérbio) para luz vermelha, laranja, verde ou azul e lasers dopados com érbio para triodo.

Lasers de fibra de largura de linha estreita

Os lasers de fibra podem operar em apenas um único modo longitudinal (ver laser de frequência única, operação de modo único) com uma largura de linha muito estreita de alguns quilohertz ou até menos de 1 kHz. Para operação de frequência única estável a longo prazo e sem requisitos adicionais após considerar a estabilidade da temperatura, a cavidade do laser deve ser curta (por exemplo, 5 cm), embora quanto mais longa a cavidade, em princípio, menor o ruído de fase e mais estreito o espessura da linha. A extremidade da fibra contém uma rede de Bragg de fibra de banda estreita (ver laser refletor de Bragg distribuído, laser de fibra DBR) para selecionar um modo de cavidade. A potência de saída normalmente varia de alguns miliwatts a dezenas de miliwatts, e lasers de fibra de frequência única com potências de saída de até 1 W também estão disponíveis.

Uma forma extrema é o laser de feedback distribuído (laser DFB), onde toda a cavidade do laser está contida dentro de uma rede de Bragg de fibra com uma mudança de fase entre elas. Aqui a cavidade é relativamente curta, o que sacrifica a potência de saída e a largura de linha, mas a operação em frequência única é muito estável.

Amplificadores de fibra também podem ser usados ​​para amplificar ainda mais para potências mais altas.

Lasers de fibra Q-switched

Os lasers de fibra podem gerar pulsos com comprimentos que variam de dezenas a centenas de nanossegundos, usando vários interruptores Q ativos ou passivos. Energias de pulso de alguns milijoules podem ser alcançadas com fibras de grande área modal e, em casos extremos, podem atingir dezenas de milijoules, limitadas pela energia de saturação (mesmo com fibras de grande área modal) e pelo limiar de dano (mais pronunciado para pulsos mais curtos). Todos os dispositivos de fibra (exceto óptica de espaço livre) são limitados em energia de pulso, porque geralmente não podem implementar fibras de grande área modal e comutação Q eficaz.

Devido ao alto ganho do laser, a comutação Q em lasers de fibra é de natureza muito diferente daquela em lasers em massa e é mais complexa. Geralmente há múltiplos picos no domínio do tempo, e também é possível produzir pulsos Q-switched com comprimento menor que o tempo de ida e volta do ressonador.

Os lasers de fibra com modo bloqueado usam ressonadores mais complexos (lasers de fibra ultracurta) para produzir pulsos de picossegundos ou femtossegundos. Aqui, o ressonador laser contém um modulador ativo ou alguns absorvedores saturados. Absorventes saturados podem ser realizados por efeitos de rotação de polarização não linear ou usando um espelho de loop de fibra não linear. Espelhos de loop não linear podem ser usados, por exemplo, no "laser em forma de oito" na Figura 8, onde o lado esquerdo contém um ressonador principal e um anel de fibra não linear para amplificar, moldar e estabilizar os pulsos ultracurtos de ida e volta. Especialmente no bloqueio em modo harmônico, são necessários dispositivos adicionais, como subcavidades usadas como filtros ópticos.