Transmisión de energía Conexión y aplicación de fibra óptica

Transmisión de energía Conexión y aplicación de fibra óptica

La aplicación de la fibra óptica de transmisión de energía en láseres se mide principalmente por su eficacia de acoplamiento con el láser, o la eficacia de transmisión láser de la fibra (que también puede representarse por pérdida de inserción o pérdida de conexión). Esto incluye la conexión entre el láser y la fibra de transmisión de energía, así como las conexiones entre las propias fibras de transmisión de energía o entre las fibras de transmisión de energía y las fibras monomodo ordinarias.

A lo largo de varias décadas de comercialización, la conexión de fibras convencionales de gran núcleo se ha vuelto tan sencilla como la de las fibras monomodo ordinarias, gracias a las máquinas de empalme de gran núcleo disponibles en el mercado. Sin embargo, en el caso de las fibras geométricas especiales de núcleo grande, que tienen diámetros de núcleo y estructuras diferentes de las fibras monomodo ordinarias y pueden tener requisitos variables en función de la aplicación, los métodos de conexión suelen ser más complejos.

Por ejemplo, en aplicaciones que implican componentes de haces de fibras láser, se utiliza una fibra de núcleo cuadrado para combinar las salidas de múltiples módulos láser semiconductores en una única fibra cuadrada, con el fin de lograr una mayor salida de energía láser. Las fibras huecas de núcleo grande, debido a su especial estructura capilar de revestimiento, son propensas a colapsarse y deformarse durante el empalme. Además, el diámetro del campo de modo de las fibras de núcleo hueco a menudo difiere del de las fibras monomodo ordinarias, lo que provoca grandes pérdidas en el empalme o incluso fallos cuando se empalman directamente. Por lo tanto, garantizar que la fibra con núcleo hueco tenga una estructura intacta, bajas pérdidas y una característica de transmisión consistente después del empalme es un reto clave para su uso práctico.

En 2016, J.R. Hayes y sus colegas del Centro de Investigación de Optoelectrónica de la Universidad de Southampton introdujeron una fibra de transición con adaptación de campo de modo entre fibra monomodo y fibra de cristal fotónico antirresonante de núcleo hueco. Esto logró una pérdida de empalme total de 2,1 dB entre la fibra monomodo, la fibra de cristal fotónico antirresonante de núcleo hueco y de vuelta a la fibra monomodo[5]. En 2018, el equipo del profesor Wang Yingying, de la Universidad Tecnológica de Pekín, mejoró este método, reduciendo la pérdida de empalme entre fibras de cristal fotónico de banda prohibida de núcleo hueco y fibras monomodo a 0,844 dB[6]. En 2021, el equipo del profesor Xiao Limin, de la Universidad de Fudan, redujo aún más la pérdida total por empalme entre fibra monomodo, fibra antirresonante de núcleo hueco y fibra monomodo a 0,88 dB.

En cuanto a la conexión de acoplamiento entre la fuente láser y la fibra de transmisión de energía, existen principalmente dos métodos:

1.Acoplamiento directo: El extremo de la fibra se instala cerca de la fuente láser, permitiendo que el láser generado se acople directamente a la fibra. Para mejorar la eficacia del acoplamiento, el extremo de la fibra se procesa a menudo en formas microestructuradas como esférica, cónica o parabólica.

2.Acoplamiento indirecto: El láser se acopla a la fibra a través de una lente. La lente puede ser una única lente o un sistema de lentes múltiples, con varios tipos como lentes cilíndricas, lentes esféricas o lentes semiesféricas, cada una de las cuales ofrece diferentes combinaciones y usos.

En aplicaciones prácticas, la fibra de transmisión de energía suele aparecer en forma de cables de transmisión de energía, y a menudo se utiliza junto con cabezales de salida de alta potencia, conectores agrupados y otros componentes de transmisión de energía. La principal interfaz de cabezal de salida del mercado actual es el tipo QBH (Quartz Block Head), propuesto por la empresa sueca Optoskand AB. Incluye un módulo de refrigeración por agua y puede transmitir láseres de alta potencia (>5 kW de potencia media). Gracias a los avances en la fabricación, los cables comerciales de transmisión de energía de alta potencia que utilizan interfaces QD o Q+ ya son capaces de transmitir potencias láser de decenas de kilovatios.

Resumen

La función principal de las fibras de transmisión de energía de gran núcleo es servir de medio para la transmisión láser. Con el rápido desarrollo de la industria láser, especialmente de la tecnología láser de fibra que representa la tercera generación de láseres -actualmente, los láseres de fibra de calidad industrial en China pueden producir de forma estable hasta 100 kW[10]-, ha comenzado una nueva era de aplicaciones láser. Mientras tanto, el desarrollo de la fibra de transmisión de energía se ha visto impulsado por las exigencias de la red de comunicaciones totalmente óptica.

De cara al futuro, la dirección principal para el desarrollo de la fibra de transmisión de energía seguirá centrándose en dos aspectos: mayor eficiencia de transmisión y mayor potencia de transmisión. La mayor eficiencia de transmisión implicará principalmente avances en la tecnología de acoplamiento y conexión de las fibras de transmisión de energía. La mayor potencia de transmisión puede lograrse optimizando las fibras de transmisión de energía existentes o diseñando estructuras de fibra totalmente nuevas. Además, la investigación de nuevos materiales, especialmente los que pueden manejar mejor la transmisión de energía láser de longitud de onda infrarroja (ya que los materiales actuales de vidrio de sílice son ineficaces para esto), será esencial para seguir avanzando.