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Última actualización: 5 de marzo de 2021

Esta nueva serie de artículos de FOC se centrará en la producción de fibra dopada con tierras raras. El primer artículo de esta serie, Fibras dopadas de tierras raras, discutió la evolución de los principales procesos para la fabricación de preformas de fibra dopada. Este artículo analiza los factores en el manejo de dopantes de tierras raras durante la fabricación de preformas MCVD, utilizando el tulio como ejemplo. Las concentraciones más altas de tulio son de interés para varias aplicaciones. El proceso MCVD es muy adecuado para el dopaje con tulio, pero existen desafíos asociados con el uso de productos químicos de haluro de tierras raras, minimizando el contenido de agua y optimizando la “receta” para el tulio y los codopantes. Los artículos posteriores de esta serie examinarán con mayor detalle otros tipos de fibras y factores de producción de preformas.

Procesos de fabricación y diseños de fibra mejorados

Después de 60 años de I + D, los fabricantes de fibra dopada han mejorado los diseños de fibra y los procesos de fabricación para abordar factores como la estabilidad de los medios de ganancia, la vida útil, los materiales de vidrio huésped óptimos, el control de las concentraciones de dopantes, el uso de codopantes, el diámetro del núcleo, la apertura numérica del núcleo. , perfiles de índice y geometrías de revestimiento para un acoplamiento óptimo de la potencia de la bomba. Con décadas de progreso, las fibras dopadas ahora admiten una amplia gama de láseres comerciales y amplificadores ópticos.

La I + D sobre fibras dopadas con tulio (TDF) se remonta a la década de 1980. El tulio, al igual que otros dopantes de tierras raras, tiene múltiples líneas de transición. Esto significa que los dopantes tienen bandas de absorción y emisión en varias longitudes de onda. Los laboratorios y las empresas que desarrollan fibras dopadas a menudo tienen razones para investigar las transiciones o longitudes de onda que ofrecen la mayor ganancia en términos de potencia de salida por cantidad de dopante, por volumen de fibra dopada o por unidad de potencia de bombeo (entrada). El trabajo sobre el tulio se ha centrado en las características de ganancia de las transiciones que caen en una región de longitud de onda de 1.47 a 2.10 µm.

Otro I + D inicial sobre dopantes de tierras raras se centró en la región de ganancia de erbio de 1.51 a 1.62 µm, la región de ganancia de neodimio de 0.92 a 1.10 µm, la región de ganancia de iterbio de 0.98 a 1.14 µm y la región de ganancia de holmio de 2.04 a 2.17 µm. Por tanto, el tulio ha atraído un interés considerable porque ofrece una amplia región de longitudes de onda para investigar. Además, las longitudes de onda superiores a 1.8 µm son especialmente interesantes porque tienen características de penetración y absorción de potencia que son útiles en diversas aplicaciones de procesamiento de materiales. A lo largo de los años, los grupos de I + D también han trabajado en muchas fibras con múltiples dopantes o codopantes de tierras raras para optimizar el bombeo específico y ganar longitudes de onda medias.

Otra característica interesante del tulio es que un fotón de bomba de 790 nm puede producir dos iones en estado excitado. En otras palabras, un fotón de bomba puede generar dos fotones en un láser TDF o amplificador. Este fenómeno de "dos por uno" es el resultado de las transiciones del nivel de energía que promueven un ion a un estado excitado y que transfieren energía entre los iones del tulio. Este fenómeno hace que el tulio sea atractivo para desarrollar láseres con mayor eficiencia, mayor potencia y paquetes más compactos.

Los láseres TDF se pueden diseñar para longitudes de onda específicas en la región de 1.47 a 2.10 µm adaptando el material de vidrio anfitrión, la longitud de onda de la bomba, la concentración de dopantes, el uso de otros dopantes y el uso de elementos de diseño láser, como rejillas de Bragg, extremo -recubrimientos faciales y otros componentes ópticos. Las longitudes de onda en esta banda son adecuadas para procedimientos de diagnóstico y terapéuticos médicos, lidar, detección química y de otro tipo, espectroscopia, contramedidas militares y aplicaciones de procesamiento de materiales.

En un huésped de sílice, por ejemplo, la banda de longitud de onda más larga del tulio es atractiva para procedimientos quirúrgicos. Un láser TDF se puede ajustar a 1.97 µm, que es un pico de absorción de agua. TDF también tiene ventajas sobre otros láseres de fibra en términos de seguridad ocular y la capacidad de ser bombeado con módulos de diodos de alta potencia de 790 nm ampliamente disponibles. TDF también se ha investigado para aplicaciones en amplificadores ópticos, además de láseres.

Fibras dopadas con tulio

Trabajando hacia poderes superiores

Actualmente, las empresas o grupos que trabajan en tecnología láser de fibra dopada pueden acoplar de forma rutinaria de 6 a 10 kW de potencia de bombeo en una fibra de doble revestimiento y obtener salidas de láser en el rango de 3 a 4 kW. Dos factores clave para lograr tales niveles de potencia son 1.) acoplar eficientemente la potencia de la bomba en la región de ganancia, y 2.) optimizar la concentración de dopante del medio de ganancia.

Las configuraciones de doble revestimiento son fundamentales en el primer factor: acoplar la potencia de la bomba al núcleo dopado. Con las preformas fabricadas mediante el proceso MCVD, los materiales del núcleo se depositan dentro de un tubo de sustrato de sílice. Esto es cierto tanto en los sistemas de quelatos como de haluros. A continuación, el tubo se colapsa en una varilla, por lo que los materiales depositados se convierten en el núcleo y el material del tubo de sílice pasa a formar parte del revestimiento.

El siguiente paso sería colocar un material de bajo índice en el exterior de la sílice. En algunas fibras, esto se logra con una capa de sílice fluorada. Sin embargo, el uso de flúor limita la apertura numérica (NA) a 0.22. Para las fibras dopadas, un NA alto es mejor para acoplar tanta potencia de bombeo a la fibra como sea posible.

Un enfoque alternativo es utilizar un revestimiento de acrilato de bajo índice como segundo revestimiento. Esto se aplica durante el proceso de estirado y da como resultado fibras con un NA de 0.48. Son posibles potencias de salida de 3 a 4 kW con un revestimiento de acrilato de bajo índice.

Con un paso posterior, se puede dar forma al primer revestimiento. Un revestimiento cilíndrico no logra el mejor acoplamiento de la potencia de la bomba en el núcleo. Con un revestimiento con forma, como un octágono, las superficies mezclarán los modos para permitir una mejor absorción en el núcleo. Usando tal conformación, un sistema de bombeo final en realidad se bombea lateralmente, porque gran parte de la potencia de la bomba ingresa al revestimiento, rebota e ingresa al núcleo lateralmente a través de la interfaz núcleo-revestimiento.

El segundo factor clave para lograr potencias de salida más altas, concentraciones de dopante más altas, depende del proceso de preforma, pero también requiere centrarse en los materiales de partida. La gente quiere concentraciones más altas de Tm, pero cómo lograrlo es un gran problema.

Los dos procesos en fase de vapor más comunes que utilizan sistemas MCVD para fabricar fibras dopadas con tierras raras son el proceso de haluros y el proceso de quelato. El proceso de quelato se puede utilizar a temperaturas más bajas, digamos 200 ° C, pero el proceso de haluro ofrece ventajas para minimizar la contaminación de OH en el núcleo, lo que puede hacer que el vidrio final tenga una gran pérdida en la longitud de onda de interés. Además, el proceso de haluro ofrece una alta eficiencia de conversión y el potencial de lograr concentraciones de dopante más altas. El proceso de haluro también se puede utilizar con dos o más dopantes, al igual que el proceso de quelato.

Como se señaló, el tulio ofrece un bombeo dos por uno, que es una de las razones por las que las concentraciones de dopantes más altas son de interés, especialmente para los grupos que desarrollan láseres TDF de alta potencia. Con otros dopantes de tierras raras, como el erbio, el neodimio y el iterbio, un fenómeno llamado "extinción" significa que concentraciones más altas no son ventajosas. En estos casos se utilizan concentraciones de dopante de aproximadamente 1% en peso del ión de tierras raras. Con el tulio, por otro lado, hay interés en concentraciones de 5% en peso o más. Utilizando el proceso de haluro, se ha fabricado una preforma que contiene más de 8.5% en peso de Tm con la fibra subsiguiente que demuestra una eficiencia récord de pendiente láser.

Alcanzar concentraciones tan altas de dopantes requiere familiarizarse con cómo se preparan y transportan los productos químicos y cómo reaccionan. La preparación y manipulación cuidadosas de los haluros de tierras raras, por ejemplo, es un factor crítico en la concentración de dopantes y la baja contaminación de OH.

Consultoría en fabricación de preformas

Rick Tumminelli, co-inventor del bombeo láser de fibra de doble revestimiento, en asociación con Larry Donalds, experto en fabricación de preformas, trabaja directamente con los fabricantes de preformas y fibras ópticas especiales para satisfacer las aplicaciones y los criterios de rendimiento específicos de los clientes.

Con el fin de avanzar en su misión de ser el recurso de consultoría de fabricación de preformas preferido de la industria, estos dos líderes respetados fortalecen la asociación de tres décadas que FOC ha tenido con SG Controls Ltd con un equipo completo tanto del extenso conocimiento de procesos con experiencia en ingeniería y software y el gama completa de equipos y herramientas líderes para la fabricación de Preformas y Fibra Óptica. SG Controls Ltd, combina este extenso conocimiento de procesos con experiencia en ingeniería y software para producir una gama completa de herramientas para la fabricación de preformas y fibra óptica.

Para obtener más información sobre los procedimientos clave utilizados en la fabricación de preformas de fibra dopadas con MCVD, comuníquese con FOC en FiberOpticCenter@focenter.com.

Autor

Richard Tumminelli, consultor de AFO para Fiber Optic Center, Inc. (FOC), comenzó su carrera en FOC en 2020 como experto en fibra óptica dopada con tierras raras, consultor de fabricación y desarrollo de procesos. Rick se jubiló recientemente del puesto de director de ingeniería en el sitio de fibra de Coherent en Salem, NH, y ha estado trabajando en el campo de la fibra óptica dopada con tierras raras durante 40 años. Antes de ocupar este puesto, dirigió el grupo de fibras especiales en JDS Uniphase, especializándose en fibras de doble revestimiento para láseres de fibra y fibra dopada con erbio. Richard también ocupó puestos en el grupo de óptica de Draper Laboratories y fue miembro del equipo de fibra óptica de Polaroid bajo la dirección del Dr. Elias Snitzer, que realizó gran parte del trabajo fundamental en fibras dopadas con tierras raras, láseres de fibra y amplificadores. Es co-inventor del bombeo láser de fibra de doble revestimiento, se le han otorgado 22 patentes y tiene 20 publicaciones en láseres de fibra y amplificadores.

Fibras dopadas con tulio
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