La historia del desarrollo de los láseres de fibra
Las direcciones de investigación y los puntos calientes de los láseres de fibra en el país y en el extranjero se centran principalmente en láseres de fibra de alta potencia, láseres de fibra de cristal fotónico de alta potencia, láseres de fibra sintonizables de ancho de línea estrecho, láseres de fibra de longitudes de onda múltiples y no lineales. Láseres de fibra de efecto y láser de fibra de pulso ultracorto.
Han pasado más de 50 años desde la llegada del primer láser semiconductor de GaAs del mundo en 1962. Los láseres semiconductores se han utilizado ampliamente en comunicaciones láser, almacenamiento en discos ópticos, detección láser y otros campos.
A medida que la potencia de salida continua de los láseres semiconductores continúa aumentando, su alcance de aplicación también se está expandiendo. Entre ellos, los láseres de estado sólido de alta potencia bombeados por láseres semiconductores son una de sus áreas de aplicación más importantes. Esta tecnología combina las ventajas de los láseres semiconductores y los láseres de estado sólido, no solo convirtiendo la longitud de onda del láser semiconductor en la longitud de onda del láser de estado sólido, sino también mejorando la calidad del haz, comprimiendo el ancho de línea espectral y logrando una salida de pulso. Los láseres semiconductores son de tamaño pequeño y livianos, y tienen una alta eficiencia cuántica en la inyección directa de electrones. Se pueden combinar diferentes longitudes de onda con la longitud de onda de absorción del material láser sólido ajustando la composición y controlando la temperatura, pero la calidad del haz es pobre, asimétrica en dos direcciones y las características del modo transversal no son ideales. El haz de salida del láser sólido tiene alta calidad, alta coherencia espaciotemporal, ancho de línea espectral y ángulo de divergencia del haz varios órdenes de magnitud más pequeños que los de los láseres semiconductores. Para DPSSL, los fotones de alta energía con longitudes de onda más cortas se absorben y se convierten en fotones de baja energía con longitudes de onda más largas, de modo que parte de la energía siempre se convierte en calor en una transición no radiativa. Cómo disipar y eliminar esta parte de la energía térmica del medio láser a granel se ha convertido en una tecnología clave para los láseres sólidos bombeados por semiconductores. Por lo tanto, la gente comenzó a explorar formas de aumentar el área de disipación de calor.
Un método consiste en convertir el medio láser en una forma de fibra alargada.
El llamado láser de fibra es un láser que utiliza fibra óptica como medio láser. En 1964, el láser de vidrio de primera generación del mundo fue un láser de fibra. Debido a que el núcleo de fibra de la fibra óptica es muy delgado, es difícil que las fuentes de bombeo generales (como las lámparas de descarga de gas) se enfoquen en el núcleo de fibra. Por tanto, los láseres de fibra no se desarrollaron muy bien durante las siguientes dos décadas. Con el desarrollo de la tecnología de bombeo láser de semiconductores y las crecientes necesidades de las comunicaciones por fibra óptica, los experimentos realizados en 1987 por la Universidad de Southampton en el Reino Unido y los Laboratorios Bell demostraron la viabilidad del amplificador de fibra dopada con erbio (EDFA). Utiliza un láser semiconductor para bombear fibra monomodo dopada con erbio para amplificar señales ópticas. Este EDFA se ha convertido en un componente importante e indispensable en las comunicaciones de fibra óptica. Dado que el láser semiconductor se bombea al núcleo de una fibra monomodo (generalmente de menos de 10 um de diámetro), el láser semiconductor también debe ser monomodo, lo que dificulta que el EDFA monomodo alcance una alta potencia. La potencia máxima es de sólo unos pocos cientos de mililitros.
Para aumentar la potencia se recomienda que la bomba óptica entre desde el revestimiento cerca de 1988. El diseño original era un revestimiento interior circular, pero debido a la perfecta simetría del revestimiento interior circular, la eficiencia de absorción de la bomba no era alta. No fue hasta la llegada del revestimiento interior rectangular a principios de la década de 1990 que la eficiencia de conversión del láser aumentó al 50% y la potencia de salida alcanzó los 5 vatios. En 1999, se bombearon cuatro láseres semiconductores de 45 W desde ambos extremos y se obtuvo una salida de láser continuo monomodo de 110 W. En los últimos dos años, con el desarrollo de la tecnología de bombeo de láser semiconductor de alta potencia y la tecnología de fabricación de fibra de doble revestimiento, la potencia de salida de los láseres de fibra ha aumentado gradualmente y se ha logrado una salida de láser de 1000 vatios utilizando una sola fibra.
Con la aplicación y el desarrollo generalizados de los sistemas de comunicación por fibra óptica, la investigación en los campos de la optoelectrónica ultrarrápida, la óptica no lineal, la detección óptica y otros campos ha atraído cada vez más atención. Entre ellos, los láseres de fibra basados en fibra han logrado avances significativos en la reducción de umbrales, rango de longitud de onda de oscilación y sintonizabilidad de longitud de onda, y son una nueva tecnología en el campo de las comunicaciones ópticas. Se puede utilizar en sistemas de comunicación existentes para admitir velocidades de transmisión más altas y es la base para futuros sistemas de multiplexación por división de longitud de onda densa de alta velocidad y futuras comunicaciones ópticas coherentes. La tecnología del láser de fibra es uno de los puntos calientes de la investigación.
Con su calidad de haz absolutamente ideal, eficiencia de conversión ultra alta, total ausencia de mantenimiento, alta estabilidad, tamaño pequeño y otras ventajas, los láseres de fibra han tenido un impacto enorme y positivo en la industria láser tradicional. Las últimas investigaciones de mercado muestran que los proveedores de láseres de fibra competirán por la cuota de mercado de láseres de estado sólido y otros láseres en varias áreas de aplicación clave, y estas cuotas de mercado aumentarán de manera constante en los próximos años. En 2010, los láseres de fibra representarán al menos una cuarta parte del mercado de láseres industriales, valorado en 2.800 millones de dólares. Las ventas de láseres de fibra crecerán a una tasa anual de más del 35%, de 654,38+0,4 mil millones de dólares en 2005 a 680 millones de dólares en 2065,438+0. Durante el mismo período, la tasa de crecimiento anual del mercado del láser industrial fue sólo del 9%, alcanzando los 2.800 millones de dólares en 2010.