EL FUTURO DE LOS LÁSERES DE FIBRA ÓPTICA

Fecha: 30 de Junio de 2022

Edición: Junio 2022 No. 31

Gilberto Anzueto · | Hacemos ciencia para ti | Visto 2081 veces

GILBERTO ANZUETO

Los láseres de fibra óptica son un tipo de láseres que han tenido un alto crecimiento en el mercado por sus aplicaciones en manufactura, tratamientos médicos, sin olvidar la contribución de los amplificadores de Erbio en comunicaciones ópticas. En el CIO se han estudiado y demostrado, teórica y experimentalmente, láseres de fibra óptica dopados con tierras raras (Erbio, Iterbio. Tulio, Holmio) y usando efectos no lineales ópticos como el efecto Raman estimulado, en el visible e infrarrojo (IR) cercano, en onda continua como pulsados, con operación eficiente primordialmente en las longitudes de onda de 1 µm, 1.55. µm y recientemente en 2 µm; uno de ellos ofreciendo mediana potencia (~200 W).

El objetivo de desarrollar estos láseres ha sido principalmente estudiar su dinámica y física, generación de pulsos (cortos, solitones, de ruido), efectos no lineales, conversión fotónica, sintonización y manipulación espectral empleando filtros ópticos todo-fibra hechos en casa y sensores.

De acuerdo con el interesante documento: “Fiber Lasers Global Market Report 2022” [1] (se puede solicitar una copia en internet) se espera que el mercado de láseres de fibras ópticas crezca de 2970 millones en 2021 a 3350 millones de dólares en 2022. El crecimiento en las industrias automovilística y electrónica, da como resultado un crecimiento importante del mercado de los láseres de fibra, ya que son instrumentos indispensables para sostener este crecimiento. Los láseres de fibra se utilizan para etiquetar, cortar y soldar piezas en automóviles, facilita los cortes pequeños y complejos en piezas de automóviles y para dispositivos electrónicos.

Empresas como Laserline, Trumpf y Coherent están desarrollando láseres de fibra especialmente enfocados a la industria automotriz. El reporte también indica que nuevas tecnologías como el láser de fibra óptica de alta potencia, diodos láser y láseres azules, se han introducido en el mercado dirigido a la soldadura. El láser azul tiene mayor potencia y brillo en comparación con el láser ordinario de 800 nm, y cuenta con la ventaja de no generar exceso de calor. Estas nuevas tecnologías aportan una mayor precisión al soldar y cortar materiales.


En cuanto a investigación, los esfuerzos se concentrarán, entre otros temas, en explorar nuevas regiones en longitud de onda hacia el mediano IR, para ello la necesidad de nuevos materiales ópticos como dopantes, configuraciones de cavidades láser, diferentes geometrías de fibra óptica y transiciones energéticas de tierras raras ahora en el mediano IR, para explorarlos en aplicaciones como medicina, espectroscopía de alta precisión, sensado de gases, entre otras. El material extensivamente utilizado para construir fibras ópticas es el vidrio de óxido de silicio (SiO 2 ), por sus propiedades intrínsecas, y se cuenta con una tecnología madura. En nuestro conocimiento, el láser más reciente, construido con este material y con la longitud de onda más larga es de alrededor de 4.5 µm [2], con una potencia máxima de salida de 500 mW logrado con una fibra de núcleo hueco rellena con gas Bromuro de Hidrógeno (HBr) (Gas fiber laser). Este láser fue bombeado con un arreglo de diodos láser y un amplificador de fibra óptica dopada con Tulio y gracias a las transiciones energéticas del gas se alcanzó esta longitud de onda. El uso de otros materiales huésped para las tierras raras tales como los vidrios fluorados, entre ellos el ZBLAN, vidrios calcogenuros y vidrios teluritos, ha permitido progresivamente extender el desarrollo de láseres hacia parte del medio IR[3]; sin embargo, comparado con el vidrio sílice, estas fibras tienen el umbral de daño óptico más bajo, por consiguiente, el escalamiento en potencia por ahora es limitado; además que la tecnología para el manejo de estas fibras: llámese empalmes, fabricación de dispositivos necesarios para construir cavidades láser, acopladores, combinadores de haz, moduladores, sintonizadores, interruptores y hasta espejos, es aún una limitación por la poca disponibilidad comercial y representa un área de oportunidad tecnológica.

Finalmente, con el uso de técnicas de aprendizaje profundo, aprendizaje de máquina, control adaptivo y algoritmos genéricos se abre la posibilidad de nuevos diseños de láseres operados con control robusto; y además realizar tareas útiles, por ejemplo: optimizar un láser de amarre de modos, caracterizar y analizar la gran cantidad de datos que ofrece sus complejos regímenes de operación [ 4].

El CIO, dada su larga tradición en investigación en láseres de fibra óptica, se enfrentará con esmero a los nuevos retos científicos y tecnológicos, demandas actuales y por venir.

Referencias:


[1] https://www.thebusinessresearchcompany.com/press-release/fiber-la-sers-market-2022
[2] Zhou, Z., Wang, Z., Huang, W., Cui, Y., Li, H., Wang, M., ... & Wang, Y. (2022). Towards high-power mid-IR light source tunable from 3.8 to 4.5 µm by HBr-fi-lled hollow-core silica fibers. Light: Science & Applications, 11(1), 1-13.
[3] Jackson, S. D., & Jain, R. K. (2020). Fiber-based sources of coherent MIR radiation: key advances and future prospects. Optics Express, 28(21), 30964-31019.
[4] Kuprikov, E., Kokhanovskiy, A., Serebrennikov, K., & Turitsyn, S. (2022). Deep reinforcement learning for self-tuning laser source of dissipative solitons. Scientific Reports, 12(1), 1-9.