Nei laser a fibra ad alta potenza, fondamentali nelle applicazioni mediche, industriali e scientifiche, la progettazione della fibra nucleo E rivestimento Le dimensioni sono determinanti. Questi parametri strutturali regolano la gestione della potenza, la qualità del fascio, l'efficienza e le prestazioni termiche. Ecco come.

Diametro del nucleo: gestione della potenza vs. qualità del fascio

Soglia di potenza aumentata ed effetti non lineari ridotti
L'ingrandimento del nucleo della fibra riduce l'intensità ottica, aumentando la soglia di danno e sopprimendo effetti non lineari come la diffusione stimolata di Brillouin e Raman, cruciali per la scalabilità della potenza. I laser moderni sfruttano nuclei più grandi per raggiungere regimi di kilowatt.

Compromesso: propagazione multimodale
Tuttavia, i core più grandi spesso supportano più modalità, riducendo la qualità del fascio. Al contrario, fibre monomodali con diametri del nucleo intorno a 8–10 µm e rivestimento di ~125 µm mantengono profili del fascio puliti, anche se con capacità di potenza limitate.

Progettazione del rivestimento: efficienza della pompa e gestione termica

Fibre a doppio rivestimento per un pompaggio efficiente
I laser ad alta potenza utilizzano fibre a doppio rivestimento , dove un rivestimento interno guida la luce di pompaggio (da sorgenti a bassa luminosità) attorno a un nucleo drogato. Questa architettura consente un pompaggio efficiente del rivestimento, consentendo elevate potenze di uscita mantenendo la qualità del fascio.

La forma del rivestimento è importante
Le forme non circolari del rivestimento interno (ad esempio, sfalsate o rettangolari) migliorano l'assorbimento della pompa dirigendo la luce in modo più efficace attraverso il nucleo. I rivestimenti circolari tendono a sprecare la luce della pompa, consentendo a molti raggi di bypassare il nucleo.

Compromessi nelle dimensioni del rivestimento
Un rivestimento più grande consente l'accoppiamento di una maggiore potenza di pompaggio, ma l'efficienza di assorbimento diminuisce con il quadrato del diametro del rivestimento, richiedendo fibre più lunghe, il che può dare origine a effetti non lineari. I progettisti devono trovare un compromesso.

Progettazione avanzata delle fibre: LMA e strutture rastremate

Fibre a grande area modale (LMA)
Le fibre LMA aumentano il diametro del nucleo mantenendo il funzionamento monomodale, riducendo l'apertura numerica o impiegando tecniche di soppressione dei modi (come l'ingegneria dell'indice di rifrazione o l'avvolgimento). Questa progettazione consente un'elevata potenza in uscita con una qualità del fascio limitata dalla diffrazione.

Fibre coniche a doppio rivestimento (T-DCF)
Le strutture T-DCF passano fluidamente lungo la fibra da un nucleo stretto a un'estremità multimodale larga. La luce che entra in modalità monomodale all'estremità stretta rimane nella modalità fondamentale anche all'estremità larga, combinando un fascio di alta qualità con una maggiore capacità di potenza.

Esempi da record
Alcune fibre rastremate presentano diametri del nucleo fino a 200 µm con apertura numerica di ~0,11, consentendo un'amplificazione senza distorsioni di impulsi da 60 ps con elevata energia di picco.

Riepilogo a colpo d'occhio

Conclusione finale

La delicata interazione tra le dimensioni del nucleo e del rivestimento, combinata con un'intelligente progettazione geometrica e dell'indice di rifrazione, guida l'evoluzione dei laser a fibra. Design come le fibre LMA e T-DCF consentono ai laser di raggiungere potenze senza precedenti mantenendo la purezza del fascio, aprendo la strada a dispositivi medici avanzati, strumentazione di precisione e molto altro.