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Tecnología de fibra óptica de gran núcleo para la transmisión de láser de alta energía

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Tecnología de fibra óptica de gran núcleo para la transmisión de láser de alta energía

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Fibra de transmisión de energía: Una herramienta clave para la producción de láser de alta energía

Tras la energía atómica, los ordenadores y los semiconductores, los láseres son otro de los grandes logros del siglo XX. Gracias a su excelente directividad, monocromaticidad, coherencia y alto brillo, los láseres se utilizan ampliamente en sectores como la fabricación, la agricultura, las comunicaciones, el ocio, la sanidad, la investigación y la defensa. La tecnología láser se ha convertido en parte integrante de la cadena industrial de alta tecnología en la era de la información.

Desde su invención, los láseres han estado estrechamente vinculados a la tecnología militar. Las aplicaciones de procesamiento láser, como el corte por láser, la soldadura y el tratamiento térmico de superficies, han impulsado constantemente los láseres hacia niveles de potencia más elevados. En la actualidad, la investigación sobre láseres de alta potencia ha logrado avances significativos. Para transmitir láseres de alta energía de forma segura, eficiente y flexible a largas distancias, son esenciales las fibras de transmisión de energía basadas en sílice, lo que convierte a la tecnología de fibras en un área de estudio crítica.

Fibra de transmisión de energía

La fibra de transmisión de energía, utilizada para transmitir energía láser, tiene excelentes características, como alta transmisión de potencia, baja pérdida, buena flexibilidad y alto umbral de daño. Cuando se combinan con componentes de transmisión de energía, estas fibras pueden dirigir con precisión la energía luminosa a las zonas objetivo, desempeñando un papel vital en las aplicaciones láser. Las fibras de transmisión de energía láser habituales en el mercado son principalmente fibras de núcleo grande hechas de vidrio de cuarzo, incluidos los siguientes tipos: fibra de núcleo grande convencional, fibra de núcleo grande con extremo geométrico especial y fibra de núcleo hueco.

Fibra de transmisión de energía láser

¿Por qué elegir el vidrio de cuarzo como material?

Las fibras de transmisión láser, al igual que las fibras de comunicación tradicionales, utilizan vidrio de cuarzo como material principal. El vidrio de cuarzo es ideal por varias razones: es abundante y barato, ya que se obtiene del sílice, el principal componente de la arena. Con un solo kilogramo de vidrio de cuarzo de gran pureza se pueden producir decenas de miles de kilómetros de fibra, lo que supone importantes ventajas económicas y estratégicas. Además, el vidrio de cuarzo tiene una alta transmisión de luz, resistencia mecánica y estabilidad química, lo que lo convierte en un excelente medio de transmisión. El cuarzo también puede doparse con diversos elementos para conseguir diferentes propiedades ópticas, lo que sienta las bases para futuros desarrollos.

Tipos y diseños estructurales de la fibra de transmisión de núcleo grande

Fibra convencional de núcleo grande La fibra de núcleo grande, similar en estructura a la fibra de comunicación monomodo, consta de un núcleo y un revestimiento, con un diámetro de núcleo normalmente superior a 50 μm (en comparación con los 9-10 μm de la fibra monomodo). Este gran núcleo permite una alta eficiencia de acoplamiento y transmisión de energía. El material de revestimiento puede ser plástico o cuarzo dopado con flúor, según la aplicación. El revestimiento de plástico ofrece una gran resistencia a la tracción y a la radiación, por lo que es adecuado para la transmisión de energía, la comunicación a corta distancia, los láseres médicos y la iluminación por fibra óptica. El revestimiento de cuarzo fluorado, con su gran ancho de banda y bajas pérdidas, se utiliza en sensores de fibra, conectores de equipos ópticos, comunicación a larga distancia y transmisión de televisión por cable.

Fibra de núcleo grande con revestimiento geométrico especial Las fibras de núcleo grande con revestimiento geométrico especial tienen núcleos no circulares (por ejemplo, cuadrados, poligonales, anulares o elípticos) para satisfacer necesidades de aplicación específicas. Por ejemplo, la fibra de núcleo cuadrado, con su núcleo cuadrado o rectangular, mejora la eficacia de acoplamiento con los diodos láser. Las fibras de núcleo cuadrado también pueden transformar los haces láser gaussianos en haces de punta plana, lo que resulta beneficioso en la limpieza, corte o marcado por láser al reducir los daños superficiales.

Las fibras anulares de núcleo grande, con un núcleo anular que rodea al núcleo central, ofrecen soluciones a los problemas de salpicaduras en la soldadura láser de perfiles como el acero inoxidable o el aluminio. Este punto anular en forma de "diana" controla la zona afectada por el calor, reduciendo las salpicaduras y mejorando la calidad de la soldadura.

Fibra de núcleo hueco A diferencia de las fibras de núcleo sólido, las fibras de cristal fotónico de núcleo hueco (HC-PCF) ofrecen ventajas únicas para la transmisión de energía láser. Con un núcleo relleno de aire, las HC-PCF evitan las pérdidas por absorción y reflexión durante el acoplamiento láser. La gran uniformidad del aire como medio de transmisión minimiza las pérdidas por dispersión, garantiza una salida del haz de alta calidad y tiene un umbral de daño energético elevado con una buena disipación del calor. Aunque las fibras de núcleo hueco presentan algunos inconvenientes, como una resistencia a la flexión limitada y una apertura numérica pequeña, sus ventajas las convierten en un tipo prometedor de fibra de transmisión de energía.

Basándose en los principios de conducción de la luz, las fibras de núcleo hueco pueden clasificarse en fibras de banda prohibida de núcleo hueco (HC-PBGF) y fibras antirresonantes de núcleo hueco (HC-ARF).

Fibra de banda prohibida de núcleo hueco (HC-PBGF): Estas fibras guían la luz utilizando el principio del bandgap fotónico, con un revestimiento formado por agujeros de aire periódicos dispuestos en una estructura de bandgap fotónico. La luz dentro del intervalo de bandgap queda confinada en el núcleo de aire.

Fibra antirresonante de núcleo hueco (HC-ARF): Estas fibras utilizan el principio de guía de ondas de reflexión antirresonante, con cuarzo de alto índice de refracción en el revestimiento y aire de bajo índice de refracción. Al rodear el núcleo de aire con varios capilares de cuarzo, las HC-ARF confinan la luz dentro del núcleo de aire reflejando la luz no resonante. La longitud de onda resonante viene determinada por el grosor del capilar de cuarzo y el orden resonante.