Stato attuale e applicazioni dello sviluppo del laser a fibra ad alta potenza

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Definizione, struttura e classificazione dei laser ad alta potenza, con un confronto con i laser tradizionali: una sintesi dei vantaggi e degli svantaggi dei laser a fibra

Questo articolo fornisce una panoramica esperta dei laser ad alta potenza, a partire dalla loro definizione, struttura e classificazione. Mette a confronto i laser ad alta potenza con i laser tradizionali, evidenziando i meriti e le carenze dei laser a fibra.

Sviluppo di laser a fibra ad alta potenza: una prospettiva globale

L'articolo prosegue discutendo lo sviluppo dei laser a fibra ad alta potenza sia a livello nazionale che internazionale, offrendo spunti sui progressi compiuti in questo campo.

Tecnologie chiave dei laser a fibra ad alta potenza: uno studio approfondito

Una parte significativa dell'articolo è dedicata allo studio delle tecnologie critiche dei laser a fibra ad alta potenza. Particolare enfasi è posta sul mezzo di guadagno e sulla tecnologia di accoppiamento di pompaggio dei laser a fibra. Il mezzo di guadagno include fibre drogate a doppio rivestimento e fibre a cristalli fotonici. Le tecnologie di accoppiamento di pompaggio comprendono tecniche di pompaggio finale e laterale.

Parole chiave

Alta potenza, laser a fibra, fibra di guadagno, accoppiamento pompa

1. Introduzione.

I laser a fibra sono una categoria di laser che utilizzano fibre ottiche come materiale ospite, drogate con vari ioni di terre rare come itterbio (Yb), neodimio (Nd), ecc.[1]. Similmente ad altri tipi di laser, i laser a fibra sono costituiti da una sorgente di pompaggio, un sistema ottico di accoppiamento, un mezzo di guadagno (fibra di guadagno), una cavità risonante e un sistema ottico di collimazione, come illustrato nella Figura 1. La fibra di guadagno in un laser a fibra funge da mezzo per la generazione di fotoni, dove la sorgente di pompaggio funziona come una fonte di energia esterna per ottenere l'inversione di popolazione nel mezzo di guadagno. La cavità ottica risonante, composta da due specchi, è progettata per fornire un feedback per i fotoni e per amplificarli all'interno del mezzo di lavoro. All'ingresso nella fibra di guadagno, la sorgente di pompaggio viene assorbita, portando a un'inversione di popolazione dei livelli di energia all'interno del mezzo di guadagno. Quando il guadagno all'interno della cavità risonante supera le perdite, viene stabilita un'oscillazione laser tra i due specchi, con conseguente generazione di un'uscita laser.

La struttura della fibra, la struttura della cavità risonante, il livello di potenza, il mezzo di guadagno e le caratteristiche del laser di uscita, come illustrato nella Figura 2.

Dal punto di vista della struttura della fibra, i laser a fibra possono essere classificati in laser a fibra a singolo rivestimento, laser a fibra a cristalli fotonici, laser a fibra a doppio rivestimento e laser a fibra speciale. In termini di struttura della cavità risonante, possono essere classificati in cavità Fabry-Perot (FP), cavità ad anello, cavità a forma di otto, laser a fibra a feedback distribuito (DFB) e laser a fibra a riflettore Bragg distribuito (DBR).

In base ai livelli di potenza, i laser a fibra sono suddivisi in laser a fibra ad alta potenza, media potenza e bassa potenza. Per quanto riguarda il mezzo di guadagno, la classificazione include laser a fibra di plastica, laser a fibra drogati con terre rare, laser a fibra ottica non lineare e laser a fibra di cristallo. Infine, in base alle caratteristiche del laser di uscita, i laser a fibra possono essere classificati in laser a fibra a onda continua e laser a fibra pulsata.

Il confronto dei laser a fibra con i laser tradizionali in termini di caratteristiche è presentato nella Tabella 1. Come indicato nella Tabella 1, i laser a fibra presentano vantaggi unici sotto molti aspetti. Sono caratterizzati da elevata qualità del fascio, lunga durata, elevata efficienza di conversione elettro-ottica, elevata potenza di uscita, dimensioni compatte e peso leggero [2] [3] [4]. Tuttavia, i laser a fibra ad alta potenza presentano anche alcuni svantaggi: uno è la suscettibilità agli effetti non lineari e l'altro è la fragilità della fibra, che funge da mezzo di guadagno ed è soggetta a rotture.

Tabella 1. Confronto tra laser a fibra e altri laser

2. La storia dello sviluppo dei laser a fibra ad alta potenza

  2.1. Stato di sviluppo all'estero

La tecnologia laser ha avuto origine negli anni '50 e rappresenta una pietra miliare significativa nella storia delle invenzioni scientifiche umane. La nascita del primo laser a rubino al mondo nel 1960 [5] ha acceso l'entusiasmo per la ricerca di numerosi scienziati. Nel 1961, Snitzer e colleghi negli Stati Uniti hanno osservato l'emissione stimolata in fibre di vetro drogate con Nd3± [6], segnando l'inizio della ricerca sulla tecnologia laser a fibra.

Verso la fine degli anni '80, è stato proposto il concetto di una struttura in fibra di guadagno a doppio rivestimento [7] [8] [9]. Questa struttura innovativa ha migliorato l'efficienza di accoppiamento della luce di pompaggio, aumentando così l'intensità dell'uscita laser e migliorando significativamente la potenza di uscita del laser, che è stata determinante nello sviluppo di laser a fibra ad alta potenza. Nel 1993, è stato segnalato un laser a fibra a doppio rivestimento drogato con Nd3± ad alta potenza, con una potenza di uscita monomodale di 5 W [10]. Nel 1994, HM Pask e altri hanno segnalato il primo laser a fibra a doppio rivestimento drogato con Yb3±, che ha prodotto un'uscita di 0,5 W a una lunghezza d'onda di 1040 nm [11].

Entrando nel 21° secolo, i laser a fibra ad alta potenza hanno inaugurato una nuova era. Nel 2000, IPG Photonics è stata la prima a realizzare un laser a fibra a onda continua completamente fibrato con una potenza di uscita di centinaia di watt. Nel 2002, J. Limpert e colleghi hanno riferito di un laser a fibra a doppio rivestimento in grado di produrre centinaia di watt di potenza laser [12]. Y. Jeong ha ottenuto una potenza laser di uscita a livello di kilowatt da un laser a fibra nel 2004 [13]. Nel 2005, V. Gapontsev ha sviluppato un laser a fibra a doppio rivestimento a grande area modale drogato con Yb3±, che ha ottenuto una potenza monomodale di 2000 W [14].

Nel 2006, IPG Photonics ha raggiunto un output continuo monomodale e a fibra singola di 3 kW. Poi, nel 2009, ha realizzato il primo output laser a fibra monomodale al mondo da 10 kilowatt. IPG Photonics è diventata leader nel settore globale dei laser a fibra ad alta potenza, superando altre aziende produttrici di laser. Successivamente, nel 2012 e nel 2013, sono stati riportati risultati sperimentali con potenza monomodale e a fibra singola che ha raggiunto rispettivamente 20 kW e potenza di output multimodale che ha raggiunto 100 kW. Entro il 2019, il livello di output più elevato per i laser a fibra prodotti da IPG Photonics era di 500 kW per multimodale e 20 kW per monomodale. L'azienda ha sviluppato una varietà di laser a fibra e occupa una quota significativa del mercato dei laser a fibra ad alta potenza. La potenza di output dei primi laser a fibra non è aumentata rapidamente, ma dopo il 2002, la potenza di output dei laser a fibra ha visto una crescita significativa [15].

Diversi istituti di ricerca all'estero hanno contribuito allo sviluppo di laser a fibra ad alta potenza, tra cui l'Università di Southampton e SPI nel Regno Unito, l'IPG Photonics in Germania e i Bell Labs negli Stati Uniti, tra gli altri.

2.2. Stato di sviluppo interno

La ricerca sui laser a fibra ad alta potenza in Cina è iniziata alla fine degli anni '80 su larga scala. Ad oggi, diverse istituzioni sono state coinvolte nella ricerca sui laser a fibra, tra cui lo Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, la Tsinghua University, tra gli altri. Nel settore aziendale, aziende come Wuhan Raycus, FiberHome e AviOpto sono state impegnate nella ricerca e nello sviluppo di laser a fibra.

3. Tecnologie chiave dei laser a fibra ad alta potenza 3.1. Fibre a doppio rivestimento Nel 1989, la Tsinghua University ha segnalato un laser a fibra drogata Nd3± sintonizzabile con un intervallo di sintonizzazione da 1077 a 1138,6 nm e un'efficienza di pendenza del 9,2% [16]. Nel 1990, CY Chen e colleghi a Taiwan hanno segnalato un laser a fibra drogata Er3± sintonizzabile con un intervallo di sintonizzazione da 1522 a 1567 nm [17].

Nel 2003, lo Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics dell'Accademia cinese delle scienze ha segnalato un'installazione laser che utilizzava fibre a doppio rivestimento drogate con Yb3±, ottenendo un'uscita laser continua di 107 W. Nel 2005, in collaborazione con FiberHome a Wuhan, hanno sviluppato un laser a fibra a doppio rivestimento drogato con Yb3± che ha ottenuto un'uscita laser continua di 440 W da una singola fibra [18].

Nel 2006, la Tsinghua University ha utilizzato fibre a doppio rivestimento drogate con specchio prodotte a livello nazionale per ottenere una potenza di uscita continua di 714 W da un laser a fibra. Nello stesso anno, ad agosto, l'11th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation ha sviluppato con successo un laser a fibra ad alta potenza con una potenza di uscita media che raggiungeva i 1207 W [20].

Nel 2010, lo Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics ha segnalato un laser a fibra drogata con Yb3± pompato a rivestimento con una potenza di uscita di 1750 W [21]. Nel 2012, Wuhan Raycus, in collaborazione con HuaGong Laser, ha sviluppato un laser interamente in fibra con una potenza di uscita di 4 KW. Nel 2015, la China Academy of Engineering Physics ha ottenuto un'uscita laser continua di 5 kW da una singola fibra utilizzando tecnologia importata. Nel 2017, Liu Zejin e colleghi della National University of Defense Technology hanno ottenuto un'uscita laser combinata di 5,02 kW [22]. Nel 2018, la China Academy of Engineering Physics ha ottenuto un'uscita laser interamente in fibra a livello di kilowatt [23] [24]. Nel 2020, Yang Baolai e colleghi della National University of Defense Technology hanno ottenuto una potenza di uscita di 6 KW da un oscillatore laser interamente in fibra [25].

3. Tecnologie chiave dei laser a fibra ad alta potenza

La fibra di guadagno, che funge da mezzo di guadagno nei laser a fibra, svolge un ruolo cruciale nel ridurre l'elevata apertura numerica della luce di pompaggio, che influisce in modo significativo sulla qualità del fascio di uscita del laser. Con l'avanzamento della tecnologia delle fibre, le fibre di guadagno si sono evolute dalle prime strutture a singolo rivestimento alle attuali configurazioni a doppio rivestimento e il diametro del nucleo della fibra è passato da nuclei più piccoli a nuclei più grandi. Questa sezione discute principalmente di fibre a doppio rivestimento e fibre a cristalli fotonici.

3.1 Fibra a doppio rivestimento

Alla fine degli anni '80, Snitzer e colleghi hanno introdotto il concetto di una struttura in fibra di guadagno a doppio rivestimento per laser a fibra ad alta potenza [26]. La struttura delle fibre a doppio rivestimento differisce da quella delle fibre convenzionali [27] [28], comprendendo quattro componenti principali: il nucleo, lo strato protettivo, il rivestimento interno e il rivestimento esterno, come illustrato nella Figura 3.

Ricerche successive hanno rivelato che la forma del rivestimento interno influisce sull'efficienza della pompa. Di conseguenza, sono stati sviluppati rivestimenti interni con varie forme [29] [30].

3.2 Fibra di cristallo fotonico

Nel 1987, E. Yablonovitch introdusse il concetto di cristalli fotonici [33] e poco dopo, le fibre di cristalli fotonici (PCF) emersero nel regno della tecnologia delle fibre ottiche [34] [35] [36]. Queste fibre sono caratterizzate dalla disposizione periodica di fori d'aria sulla scala della lunghezza d'onda all'interno di una matrice di fibre di silice.

Le fibre a cristalli fotonici possono essere classificate in due tipi in base ai loro meccanismi di guida: guida a indice e guida a bandgap fotonico [37]. Mentre le PCF possono apparire simili alle fibre monomodali tradizionali nel loro aspetto esterno, differiscono in modo significativo a livello microscopico. Questa unicità conferisce alle PCF proprietà che non sono presenti nelle fibre monomodali convenzionali, come la trasmissione monomodale infinita, effetti non lineari eccezionali e birifrangenza superiore [38]. Di conseguenza, le PCF svolgono un ruolo fondamentale nello sviluppo di laser a fibra ad alta potenza.

3.3 Tecniche di accoppiamento della pompa

La tecnologia di accoppiamento pompa in fibra è una delle tecnologie chiave nei laser in fibra, che consente l'iniezione di luce di pompaggio nella fibra di guadagno, migliorando così la potenza di uscita dei laser in fibra. La sezione seguente introduce principalmente due tecniche: accoppiamento pompa finale e accoppiamento pompa laterale.

3.3.1. Giunto pompa a faccette

La tecnologia di accoppiamento della pompa a faccette [39] è caratterizzata dalla sua struttura e dal suo funzionamento semplici, rendendola il metodo di accoppiamento preferito per la maggior parte dei laser a fibra. Esistono principalmente due tipi di accoppiamento della pompa a faccette:

Pompaggio ad accoppiamento diretto della lente Il metodo di pompaggio più comune nei laboratori è la pompa ad accoppiamento diretto della lente [40], come illustrato nella Figura 5. Per ottenere una maggiore efficienza di accoppiamento, è necessario abbinare l'apertura numerica del gruppo di lenti e la dimensione del punto focalizzato con la fibra a doppio rivestimento. Questo metodo può produrre un'uscita laser ad alta potenza, ma tende a essere meno stabile. Di conseguenza, è raramente utilizzato nei laser a fibra commerciali.

2) Giunzione a fusione delle faccette delle fibre

Quando si utilizza un LD (sorgente di pompaggio a semiconduttore) con un'uscita accoppiata a fibra come sorgente di pompaggio per un laser a fibra, la fibra di uscita del LD può essere direttamente giuntata a fusione a un'estremità della fibra a doppio rivestimento. Questa configurazione, insieme a una griglia di Bragg in fibra, forma un laser interamente strutturato in fibra [41] [42]. Questo metodo si traduce in una struttura robusta in grado di fornire un'uscita laser ad alta potenza. Tuttavia, la matrice LD ad alta potenza utilizzata come sorgente di pompaggio richiede un raffreddamento a semiconduttore. La luce laser emessa deve essere sottoposta a sagomatura del fascio, collimazione e focalizzazione con specchi asferici in una fibra con un diametro di alcune centinaia di micrometri. Di conseguenza, il sistema complessivo tende ad avere un volume maggiore, una costruzione più complessa e un costo più elevato, come illustrato nella Figura 6.

3.3.2. Accoppiamento pompa laterale

La tecnologia di accoppiamento laterale prevede la rimozione del rivestimento esterno e dello strato protettivo di una fibra a doppio rivestimento, seguita dall'accoppiamento della luce della pompa nel rivestimento interno da un lato [43] [44] [45] [46]. Questa sezione introduce principalmente due metodi di accoppiamento: accoppiamento della pompa laterale con scanalatura a V e accoppiamento della pompa con specchio incorporato.

1. Giunto pompa laterale V-Groove La tecnica di accoppiamento della pompa laterale con scanalatura a V comporta la rimozione del rivestimento esterno da una fibra a doppio rivestimento e quindi la rettifica di una scanalatura a V sul rivestimento interno, come illustrato nella Figura 7. La più alta efficienza di accoppiamento segnalata utilizzando questo metodo raggiunge il 76%. Questo approccio di accoppiamento è semplice in linea di principio e può raggiungere un'elevata potenza di uscita. Tuttavia, presenta alcuni svantaggi. Ad esempio, è difficile realizzare una scanalatura a V sulla fibra a doppio rivestimento e una cattiva esecuzione può influire sulle prestazioni della fibra. Inoltre, la scanalatura a V può essere incisa solo alle due estremità. Di conseguenza, questa tecnologia è ancora in fase di sviluppo in Cina.

2）Accoppiamento pompa specchio incorporato

Questa tecnica rappresenta un progresso nella tecnologia di accoppiamento della pompa laterale con scanalatura a V. Comporta la rettifica di una scanalatura quadrata sulla superficie del rivestimento interno della fibra a doppio rivestimento (bisogna fare attenzione a garantire che la profondità della scanalatura non danneggi il nucleo della fibra), seguita dall'adesione di uno specchio riflettente alla scanalatura quadrata utilizzando cemento ottico. La struttura specifica è illustrata nella Figura 8. Questo metodo offre i vantaggi di un'elevata efficienza di accoppiamento e di un basso costo. Tuttavia, similmente alla tecnologia di accoppiamento della pompa laterale con scanalatura a V, i risultati dell'incisione della scanalatura all'interno del rivestimento interno possono influenzare le prestazioni e le caratteristiche di trasmissione della fibra.

4. Applicazioni dei laser a fibra ad alta potenza

Attualmente, grazie ai progressi nell'industria, nella scienza e nella tecnologia, i laser ad alta potenza stanno iniziando a essere ampiamente utilizzati in molti settori, in particolare i laser a fibra ad alta potenza. Insieme ai vantaggi sopra menzionati, i laser a fibra sono pronti per essere distribuiti su larga scala.

4.1 Marcatura laser a fibra

La tecnologia di marcatura laser prevede l'uso di raggi laser per irradiare la superficie dell'oggetto da elaborare, incidendo così motivi, cifre o altri disegni con una certa profondità e colore sulla superficie, lasciando un segno permanente. L'applicazione della marcatura laser è ampia e comprende campi come accessori per computer, parti di automobili e altro ancora. Le macchine per marcatura laser a fibra offrono una qualità del raggio superiore e un'efficienza di conversione fotoelettrica più elevata rispetto alle tradizionali macchine per marcatura laser CO2 e YAG. Di conseguenza, le macchine per marcatura laser a fibra stanno gradualmente sostituendo le apparecchiature di marcatura convenzionali.

4.2. Taglio laser

Con il continuo approfondimento della ricerca sui laser ottici, sono stati sviluppati vari laser a fibra ad alta potenza, che hanno portato a una gamma sempre più ampia di applicazioni per le macchine da taglio laser a fibra. Sono ora comunemente utilizzati in settori quali l'automotive, la pubblicità, la lavorazione della lamiera e la produzione di armadi per server.

4.3. Applicazioni in campo medico

Attualmente, i laser prevalentemente utilizzati in ambito medico clinico sono i laser ad anidride carbonica e i laser YAG. Tuttavia, questi dispositivi presentano diversi inconvenienti, tra cui le grandi dimensioni, la bassa qualità del fascio in uscita, la necessità di un massiccio sistema di raffreddamento ad acqua e le difficoltà associate all'installazione. Con l'avanzamento della tecnologia delle fibre, l'emergere dei laser a fibra ha affrontato perfettamente questi problemi. Di conseguenza, i laser a fibra sono ampiamente utilizzati nelle applicazioni mediche. Ad esempio, sono utilizzati nelle procedure chirurgiche dei tessuti molli, nella chirurgia oculare laser per la correzione della miopia, nelle operazioni di resurfacing cutaneo e altro ancora. I laser a fibra sono più portatili e sono destinati a sostituire gradualmente una parte significativa delle sorgenti luminose esistenti nelle applicazioni mediche. Le piccole dimensioni dello spot dei laser a fibra consentono procedure chirurgiche più precise.

4.4. Applicazioni in campo militare

Grazie alle loro caratteristiche eccezionali, come elevata luminosità, area di irradiazione molto ridotta e facilità di utilizzo, i laser a fibra ad alta potenza sono da tempo al centro della ricerca per lo sviluppo di armi laser nel settore militare. L'applicazione di laser a fibra ad alta potenza ad armamenti offensivi ha il potenziale per distruggere completamente bersagli eccezionalmente robusti. Nel campo dello sviluppo di armi laser, gli Stati Uniti hanno mostrato una notevole importanza. Ad esempio, negli ultimi anni, lo staff di ricerca dell'aeronautica militare statunitense si è dedicato alla ricerca tecnologica innovativa sui sistemi laser a fibra. È evidente che nel futuro delle applicazioni militari, le armi laser dimostreranno una tendenza di sviluppo particolarmente significativa e forniranno una garanzia solida ed efficace per migliorare le capacità di combattimento militari.

5. Veduta

I laser a fibra, noti come la terza generazione di laser, vantano numerosi vantaggi, come elevata qualità del fascio, elevata efficienza di conversione elettro-ottica e bassi costi di manutenzione. Di conseguenza, i laser a fibra sono destinati a essere ampiamente applicati in settori come la produzione industriale, i trattamenti medici e le operazioni militari. Considerando lo stato attuale dei laser a fibra in termini di profitti e ricavi dalle vendite, è probabile che i laser a fibra ad alta potenza domineranno il mercato dei laser in futuro. Pertanto, i produttori di laser sia a livello nazionale che internazionale hanno mostrato grande interesse nello sviluppo di laser a fibra ad alta potenza.

Tuttavia, c'è ancora un divario tra la ricerca e la produzione cinese di laser a fibra ad alta potenza e quella delle aziende straniere. Si spera che i team di ricerca scientifica cinesi possano raggiungere importanti progressi nella tecnologia laser a fibra per ridurre questo divario con il resto del mondo. Lo sviluppo dei laser a fibra è stato rapido, evolvendosi dalle prime uscite a bassa potenza alle attuali uscite laser a livello di kilowatt.

Con il progresso dell'industria, della scienza e della tecnologia, i laser a fibra sono destinati a essere ampiamente applicati in molti settori, in particolare i laser a fibra ad alta potenza. Considerando i vantaggi intrinseci dei laser a fibra, si possono prevedere le seguenti tendenze nello sviluppo dei laser a fibra ad alta potenza nei prossimi anni: