Cos'è un laser a fibra?

Definizione: un laser che utilizza una fibra drogata come mezzo di guadagno o un laser il cui risonatore laser è composto principalmente da fibra.

I laser a fibra di solito si riferiscono a laser che utilizzano la fibra come mezzo di guadagno, sebbene alcuni laser che utilizzano mezzi di guadagno a semiconduttore (amplificatori ottici a semiconduttore) e risonatori a fibra possano anche essere chiamati laser a fibra (o laser ottici a semiconduttore). Inoltre, alcuni altri tipi di laser (ad esempio, diodi semiconduttori accoppiati a fibra) e amplificatori a fibra sono anche chiamati laser a fibra (o sistemi laser a fibra).

Nella maggior parte dei casi, il mezzo di guadagno è una fibra drogata con ioni di terre rare, come erbio (Er3+), itterbio (Yb3+), torio (Tm3+) o praseodimio (Pr3+), e sono necessari uno o più diodi laser accoppiati a fibra per il pompaggio. Sebbene il mezzo di guadagno dei laser a fibra sia simile a quello dei laser bulk a stato solido, l'effetto guida d'onda e la piccola area del modo efficace danno origine a laser con proprietà diverse. Ad esempio, di solito hanno un guadagno laser elevato e perdite elevate nella cavità del risonatore. Vedi le voci laser a fibra e laser bulk.

Figura 1

Risonatore laser a fibra

Per ottenere un risonatore laser utilizzando una fibra ottica, è possibile utilizzare più riflettori per formare un risonatore lineare, oppure per creare un laser ad anello in fibra. Diversi tipi di riflettori possono essere utilizzati in un risonatore laser ottico lineare:

figura 2

1. Nelle installazioni di laboratorio, è possibile utilizzare normali specchi dicroici alle estremità delle fibre tagliate perpendicolarmente, come mostrato nella Figura 1. Tuttavia, questa soluzione non può essere utilizzata nella produzione su larga scala e non è durevole.

2. La riflessione di Fresnel all'estremità di una fibra nuda è sufficiente per fungere da accoppiatore di uscita per un laser a fibra. La Figura 2 mostra un esempio.

3. I rivestimenti dielettrici possono anche essere depositati direttamente sulle estremità delle fibre, solitamente mediante evaporazione. Tali rivestimenti possono raggiungere un'elevata riflettività in un ampio intervallo.

4. Nei prodotti commerciali vengono solitamente utilizzati reticoli in fibra di Bragg, che possono essere preparati direttamente da fibre drogate o giuntando fibre non drogate a fibre attive. La Figura 3 mostra un laser con riflettore di Bragg distribuito (laser DBR), che contiene due reticoli di fibre. C'è anche un laser a feedback distribuito con un reticolo nella fibra drogata e uno sfasamento intermedio.

5. Se la luce emessa dalla fibra viene collimata da una lente e riflessa da uno specchio dicroico, è possibile ottenere una migliore gestione della potenza. La luce ricevuta dallo specchio avrà un'intensità notevolmente ridotta a causa dell'area del fascio più ampia. Tuttavia, lievi disallineamenti possono causare perdite di riflessione significative e ulteriori riflessioni di Fresnel sulle sfaccettature terminali della fibra possono produrre effetti di filtro. Quest'ultimo può essere soppresso utilizzando estremità di fibra tagliate angolate, ma ciò introduce perdite dipendenti dalla lunghezza d'onda.

6. È anche possibile formare un riflettore ad anello ottico utilizzando un accoppiatore in fibra e fibre passive.

La maggior parte dei laser ottici sono pompati da uno o più laser a semiconduttore accoppiati a fibra. La luce della pompa è accoppiata direttamente nel nucleo della fibra o ad alta potenza nel rivestimento della pompa (vedi fibre a doppio rivestimento), che verrà discusso in dettaglio di seguito.

Esistono molti tipi di laser a fibra, alcuni dei quali sono descritti di seguito.

Esistono molti tipi di laser a fibra, alcuni dei quali sono descritti di seguito.

Laser a fibra ad alta potenza

Inizialmente i laser a fibra potevano raggiungere solo potenze di uscita di pochi milliwatt. Oggi, i laser a fibra ad alta potenza possono raggiungere potenze di uscita di diverse centinaia di watt e talvolta anche diversi kilowatt da fibre monomodali. Ciò si ottiene aumentando le proporzioni e gli effetti della guida d'onda, che evitano effetti termo-ottici.

Vedi la voce Laser e amplificatori in fibra ad alta potenza per maggiori dettagli.

Laser a fibra di upconversion

I laser a fibra sono particolarmente adatti per realizzare laser di upconversion, che di solito operano su transizioni laser relativamente poco frequenti e richiedono intensità di pompa molto elevate. Nei laser a fibra, è possibile mantenere elevate intensità di pompa su lunghe distanze, in modo che l'efficienza di guadagno ottenuta sia facilmente raggiunta per transizioni con guadagno molto basso.

Nella maggior parte dei casi, le fibre di silice non sono adatte per i laser a fibra di upconversion, perché il meccanismo di upconversion richiede una lunga durata dello stato intermedio nel livello di energia elettronica, che di solito è molto piccola nelle fibre di silice a causa dell'elevata energia fononica (vedi transizioni multifotoniche). Pertanto, vengono solitamente utilizzate alcune fibre di fluoruro di metalli pesanti, come ZBLAN (un fluorozirconato) con bassa energia fononica.

I laser a fibra di upconversion più comunemente usati sono le fibre drogate al torio per la luce blu, i laser drogati al praseodimio (a volte con itterbio) per la luce rossa, arancione, verde o blu e i laser drogati all'erbio per il triodo.

Laser a fibra a larghezza di linea stretta

I laser a fibra possono funzionare solo in una singola modalità longitudinale (vedere laser a frequenza singola, funzionamento monomodale) con una larghezza di linea molto stretta di pochi kilohertz o anche inferiore a 1 kHz. Per un funzionamento a frequenza singola stabile a lungo termine e senza requisiti aggiuntivi dopo aver considerato la stabilità della temperatura, la cavità del laser dovrebbe essere corta (ad esempio 5 cm), anche se più lunga è la cavità, in linea di principio, minore è il rumore di fase e più stretta è la cavità. larghezza della linea. L'estremità della fibra contiene un reticolo di Bragg in fibra a banda stretta (vedere laser a riflettore di Bragg distribuito, laser a fibra DBR) per selezionare una modalità di cavità. La potenza di uscita varia tipicamente da pochi milliwatt a decine di milliwatt e sono disponibili anche laser a fibra a frequenza singola con potenze di uscita fino a 1 W.

Una forma estrema è il laser a feedback distribuito (laser DFB), in cui l'intera cavità laser è contenuta all'interno di un reticolo di fibra di Bragg con uno sfasamento intermedio. Qui la cavità è relativamente corta, il che sacrifica la potenza di uscita e la larghezza di linea, ma il funzionamento a frequenza singola è molto stabile.

Gli amplificatori in fibra possono essere utilizzati anche per amplificare ulteriormente a potenze più elevate.

Laser a fibra Q-switched

I laser a fibra possono generare impulsi con lunghezze che vanno da decine a centinaia di nanosecondi, utilizzando vari interruttori Q attivi o passivi. Energie di impulso di pochi millijoule possono essere raggiunte con fibre ad ampia area modale e in casi estremi possono raggiungere decine di millijoule, limitate dall'energia di saturazione (anche con fibre ad ampia area modale) e dalla soglia di danno (più pronunciata per impulsi più brevi). Tutti i dispositivi in ​​fibra (ad eccezione dell'ottica per spazio libero) sono limitati nell'energia dell'impulso, poiché di solito non possono implementare fibre con area modale di grandi dimensioni e un'efficace commutazione Q.

A causa dell'elevato guadagno del laser, la commutazione Q nei laser a fibra è di natura molto diversa da quella dei laser bulk ed è più complessa. Di solito ci sono più picchi nel dominio del tempo ed è anche possibile produrre impulsi Q-switched con una lunghezza inferiore al tempo di andata e ritorno del risonatore.

I laser a fibra con modalità bloccata utilizzano risonatori più complessi (laser a fibra ultracorta) per produrre impulsi di picosecondi o femtosecondi. Qui, il risonatore laser contiene un modulatore attivo o alcuni assorbitori saturi. Gli assorbitori saturi possono essere realizzati mediante effetti di rotazione di polarizzazione non lineare o utilizzando uno specchio ad anello in fibra non lineare. Gli specchi ad anello non lineari possono essere utilizzati, ad esempio, nel "laser a figura di otto" nella Figura 8, dove il lato sinistro contiene un risonatore principale e un anello in fibra non lineare per amplificare, modellare e stabilizzare gli impulsi ultracorti di andata e ritorno. Soprattutto nel bloccaggio in modalità armonica sono necessari dispositivi aggiuntivi, come le sottocavità utilizzate come filtri ottici.