Ya sea en tecnología médica, telecomunicaciones o aeroespacial: en muchas industrias, la demanda de láseres de alta potencia está en aumento. Los usuarios valoran la rentabilidad y la estabilidad de los sistemas. El Instituto Fraunhofer de Tecnología de Láser ILT ha logrado avances significativos en el desarrollo de diodos láser de alta potencia eficientes y estables. En principio, ha transferido la escritura de rejillas de Bragg de fibra del mundo de los láseres de fibra a los láseres de diodo. La Dra. Sarah Klein desarrolló el procedimiento como parte de su doctorado y recientemente obtuvo el tercer lugar en el prestigioso Premio Hugo-Geiger.
Con la ayuda de rejillas de Bragg de fibra (FBG), se puede reducir enormemente la complejidad de los sistemas láser de fibra. Si las rejillas ópticas se escriben directamente en la fibra, pueden reemplazar los espejos de resonador externos. Esto elimina la complicada alineación de espejos. Mientras que la complejidad del sistema, la susceptibilidad a fallos y los costos disminuyen gracias a la integración directa de la fibra, la brillantez de la radiación láser emitida aumenta.
Concepto para la integración de fibra
El procedimiento establecido para fibras monomodo para introducir FBG en el interior de fibras ópticas con un diámetro de núcleo de seis micrómetros fue desarrollado con la participación significativa del Fraunhofer ILT en 2019 en el proyecto de financiación EKOLAS del BMBF. Coordinado por Laserline, el consorcio logró escribir las rejillas de Bragg de fibra utilizando láseres UKP también en fibras de cuarzo con un diámetro de núcleo de 100 micrómetros: el material se derrite brevemente bajo la influencia de los pulsos láser ultracortos, se enfría muy rápidamente y cambia sus propiedades ópticas en los volúmenes así tratados. La estructura introducida se basa en un patrón de interferencia diseñado para este propósito de superposición de ondas de luz.
Un solo FBG de 100 micrómetros de diámetro es suficiente para trasladar los espejos de resonador externos a la fibra y optimizar los láseres de fibra multimodo de múltiples maneras. Este procedimiento, desarrollado por la Dra. Sarah Klein, también se ha transferido a diodos láser acoplados a fibra como parte de su trabajo de doctorado y fue galardonado el 19 de febrero de 2025 con el tercer lugar del prestigioso Premio Hugo-Geiger, que se otorga anualmente por el estado libre de Baviera y la Sociedad Fraunhofer.
Mismo concepto - nuevo objetivo
En su trabajo, Klein se ocupó, además de los láseres de fibra multimodo, de la optimización de diodos láser que se necesitan para bombear láseres de estado sólido. Esto cambia el objetivo. A diferencia de los láseres de fibra, los FBG en esta aplicación sirven para mejorar las propiedades espectrales de la radiación del diodo láser. Contexto: para elevar el nivel de energía del medio activo láser durante el bombeo óptico, este se estimula con una longitud de onda específica. Solo entonces el medio puede absorber esta radiación de manera óptima.
Sin embargo, los diodos láser emiten en un amplio espectro. Por lo tanto, la investigadora desarrolló un concepto para reducir intencionadamente el ancho de banda y estabilizar la longitud de onda de la radiación láser. Central para este enfoque es nuevamente una rejilla de Bragg de fibra inscrita directamente. Esto asegura que los diodos láser de alta potencia utilizados emitan solo la longitud de onda deseada. Este aumento de la brillantez hace que la entrada de energía en el láser de estado sólido sea mucho más eficiente y, por lo tanto, más económica. ¡Una ventaja enorme para aplicaciones industriales donde la rentabilidad y la eficiencia energética juegan un papel cada vez más importante!
Integración compleja
El desarrollo del procedimiento fue impulsado por Klein como parte de un proyecto propio de la Sociedad Fraunhofer. Aquí también, al igual que en el proyecto EKOLAS, se trataba de inscribir rejillas ópticas en fibras multimodo que se utilizan como guías de onda para diodos láser. 'Normalmente, en la tecnología láser se trata de miniaturización. En mi trabajo de investigación fue exactamente lo contrario', explica. De seis micrómetros de diámetro de núcleo, tuvo que transferir el proceso UKP a hasta 100 micrómetros. La dificultad estaba en el detalle: la alineación continua y precisa de los segmentos de FBG fue extremadamente complicada de implementar. También la gestión de energía fue un gran desafío. Para inscribir las muchas rejillas en las fibras multimodo mucho más grandes en un solo paso, teóricamente habría tenido que multiplicar la entrada de energía. Pero esta variante fue descartada desde el principio.
Klein superó el desafío al alinear más de una docena de FBG de solo seis micrómetros en varios procesos de exposición. Era crucial trabajar sin costuras. 'El procedimiento de escritura habría sido mucho más fácil con una geometría de núcleo cuadrada', informa. La inscripción de los FBG hasta los bordes exteriores fue extremadamente complicada en la precisión requerida. Pero en términos de máxima reflectividad de la rejilla para una construcción de resonador eficiente del láser de fibra, esta precisión continua era innegociable.
Al transferir este concepto para la estabilización de frecuencia de los diodos láser, el enfoque principal fue diseñar las propiedades de los FBG de tal manera que el diodo láser emita solo una longitud de onda deseada. En este proceso, Klein ya no persiguió el objetivo de maximizar la reflectividad de los FBG. Más bien, ajustó intencionadamente las propiedades de los FBG para optimizar las propiedades espectrales de la radiación del diodo láser, por ejemplo, para aplicaciones de bombeo.
Premio Hugo-Geiger
Para láseres multimodo, el diseño óptico de FBG y su inscripción directa en el proceso de láser UKP apenas se habían investigado hasta ahora. La recién galardonada con el Premio Hugo-Geiger ha cambiado esto con su disertación 'Rejillas de Bragg de fibra para la estabilización de frecuencia de diodos láser de alta potencia multimodo y láseres de fibra' de una vez por todas. '¡Estoy muy contenta con este importante reconocimiento! Me muestra que tenía razón con mi idea de transferir el concepto establecido para láseres de fibra monomodo a otras fuentes de láser', explica Klein.
Además de esta confirmación por parte del prestigioso premio, también recibe pleno reconocimiento en su instituto por sus investigaciones. 'Felicitamos a la Dra. Sarah Klein por este premio, que subraya la alta calidad científica de su trabajo. Sobre la base de los conocimientos adquiridos, en el futuro se podrán eliminar elementos ópticos externos en diodos láser multimodo, lo que reducirá la complejidad del sistema, los esfuerzos de montaje, la susceptibilidad a fallos y los costos. Al mismo tiempo, la nueva posibilidad de estabilización espectral de estas fuentes de radiación amplía su potencial de aplicación, ya sea como fuentes de bombeo altamente eficientes o como fuentes de radiación para tecnología de comunicación, sensores y procesamiento de materiales láser directo en la producción industrial', dice el Dr. Jochen Stollenwerk, director interino del Fraunhofer ILT.
CONGRESO MUNDIAL DE FOTÓNICA 2025 en Múnich
Los interesados pueden conocer más sobre los últimos desarrollos de láseres de diodo de alta potencia en el CONGRESO MUNDIAL DE FOTÓNICA del 22 al 27 de junio de 2025 en Múnich. Allí, el Dr. Klein moderará el Panel de Aplicaciones 'Láseres de Diodo de Alta Potencia - nuevos hitos en potencia, espectro y eficiencia' el 26 de junio a partir de las 15:00 horas.
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