Download S1-OP11

CARACTERIZACIÓN BÁSICA DE UN LÁSER DE
FIBRA ÓPTICA CON IMPUREZAS DE YTERBIO
Susana Reyes-Martín
Universidad de Guadalajara, Centro Universitario de los Lagos,
Enrique Díaz de León s/n, Col. Los Paseos de la Montaña, Lagos de Moreno, Jalisco.
e-mail: [email protected]
R Selvas-Aguilar
Departamento de Fibras Ópticas, Centro de Investigaciones en Óptica A. C.
Loma Del Bosque No. 115, Col. Lomas Del Campestre, C. P. 37510, León, Gto.
e-mail: [email protected]
RESUMEN
Mediante una breve explicación de los acontecimientos ocurridos en el desarrollo de fibras ópticas hasta
llegar al desarrollo de láseres de fibra óptica se pretende mostrar los avances y el estado de arte ocurrido.
Adicionalmente, en este trabajo se mostrara todo el proceso de caracterización que se dio lugar en una fibra
óptica especial con impurezas de yterbio, desde sus propiedades ópticas, incluyendo sus características físicas,
el conocimiento de sus características de absorción y fluorescencia del mismo. Para finalizar, el proceso de
construcción de un láser de fibra óptica nos mostrará cual es el proceso más simplificado y más directo de
construir un dispositivo eficiente de esta naturaleza.
1. INTRODUCCIÓN
Hoy en día todos conocemos los usos más comunes de la fibra óptica, por citar algunos, en los medios de
comunicación como es el internet, la telefonía, y en muchas aplicaciones más. Actualmente las fibras ópticas
y el láser otro descubrimiento del siglo XX, el cual se ha revolucionado a la par que la fibras ópticas, se unen
para formar una nueva generación de fibras, esta nueva generación se conoce como fibra láser, y promete a la
industria de la transformación bajar los costos y reducir el tamaño de los láseres ya existentes. La fibra láser
es una fibra especial diseñada con impurezas de los materiales mejor conocidas como tierras raras, en este
trabajo hablamos de la fibra óptica con impurezas de yterbio, es una fibra la cual es contaminada con esta
tierra en su proceso de fabricación. Como objetivo principal de este proyecto es el armado de un láser y la
medición de sus parámetros para el diseño de nuestro sistema láser.
1.1 LA FIBRA ÓPTICA
La estructura básica de la fibra óptica esta compuesta por filamentos de vidrio (sílice) de alta pureza muy
compactos fabricados a altas temperaturas con base en sílice, su proceso de elaboración es controlado por
programas por computadora y por medios electrónicos, para permitir que el índice de refracción de su núcleo,
que es la guía de la onda luminosa, sea uniforme y evite las deformaciones. [1] La fibra óptica físicamente
consiste en tres partes: la interior, denominada núcleo, la exterior, llamada revestimiento y un recubrimiento
de protección alrededor del revestimiento. Tanto el núcleo como el revestimiento son de vidrio, cada uno con
un índice de refracción (na y nb para el núcleo y revestimiento, respectivamente). Para que la luz quede
confinada en la fibra es indispensable que se presenten dos condiciones básicas.
a).- El índice de refracción del núcleo debe ser mayor al índice de refracción del revestimiento (na > nb).
b).- El haz de luz incidente debe hacerlo en un ángulo menor que el ángulo critico de la entrada.
nb
nb
na LUZ
na
nb
Sección Longitudinal
Sección Transversal
Figura 1: Estructura de una fibra óptica.
El índice de refracción se puede calcular con la siguiente formula [2]:
n = c = λo / f = λo

λ/f
λ
(1)
Donde
c = es la velocidad de la luz en el vacío (3 x 108 m/s).
 = es la velocidad de la luz en el medio.
λo = es la longitud de onda en el vacío
La abertura numérica, es un indicador del ángulo máximo con que un haz de luz puede ingresar a la fibra
para que se produzca la reflexión total interna. Se puede calcular con esta formula: NA = (n a2 – nb2)½ (2); Y
cuando es el medio externo el aire o el vació se calcula: NA = Sen 


CONO
DE
ACEPTANCIA.
El haz de luz cuando no entra dentro del cono de aceptancia,
No puede reflejarse internamente.
Figura 2: Diagrama del cono de aceptación de una fibra óptica.
Un fenómeno físico importante es la absorción de la luz, la cual opera así, una parte de la potencia es
absorbida durante la propagación del haz lumínico por el dióxido de silicio, y este se produce en una zona del
espectro que es llamado banda de absorción, las cuales están situadas en el ultravioleta y en el infrarrojo. La
luz que entra en la fibra óptica se propaga a través del núcleo en forma de modos, que representan a los
diferentes caminos posibles de las ondas luminosas. El Parámetro estructural o frecuencia normalizada (v) es
un parámetro adimensional que se emplea como un paso intermedio para el cálculo del número de modos que
es posible propagarse por el núcleo de la fibra óptica. Las fibras se conocen como monomodales cuando solo
existe un modo de propagación y cuando son mas de uno se llaman multimodales.La formula de la frecuencia
normaliza se calcula como [2]:
V = 2π a/ λ NA (3)
Donde,
a = es el radio del núcleo
V = frecuencia normalizada o parámetro estructural.
NA = Apertura Numérica
Por otro lado un sistema láser se compone de cuatro etapas:
a). Medio Activo: constituyen los distintos medios activos de los diversos láseres existentes puede estar en
cualquier estado de la materia, los cuales pueden estimularse hasta provocar una inversión de población y se
puede obtener una radiación electromagnética mediante una emisión estimulada. El Medio activo determina
[3]: la longitud de onda del láser, el método de bombeo más adecuado, orden de magnitud de la salida del
láser, y el rendimiento del sistema láser.
b). Bombeo energético; es la fuente de energía que produce la excitación de los átomos para entonces producir
la inversión de población. Existen distintos tipos de bombeo óptico, eléctrico, y etc. Y esto va a depender del
tipo de medio activo que se este excitando.
c). Retroalimentación óptica; Esta etapa retroalimenta una parte de la radiación coherente láser que se crea
dentro del medio activo, obliga a pasar un fotón varias veces a través del medio activo, para que se produzca
la amplificación suficiente. La retroalimentación se consigue colocando espejos en ambos extremos del medio
activo los cuales están alineados de forma que la radiación se mueve yendo y volviendo entre ellos, creando
una cavidad óptica o cavidad láser que es el espacio entre los espejos del láser donde se produce la acción
láser, normalmente uno de los espejos tiene una reflexión del 100% y el otro extremo se encuentra un espejo
semitransparente, la parte que no es reflejada es la salida del láser. El tamaño de esta Abertura, es el factor
limitante de la cavidad óptica sobre el diámetro del haz.
d).- El acoplador de salida, es la forma de transmitir la radiación electromagnética hacia afuera del láser. El
acoplador de salida estándar utiliza un espejo de reflectividad parcial.
Los Láseres de fibra óptica como un ejemplo real; donde es posible producir acción láser dentro de una
misma fibra óptica. El medio activo es una fibra óptica de contaminadas de impurezas en el núcleo de la fibra
en el proceso de fabricación incluyen un elemento que formara el medio activo, y estos pueden ser cualquiera
de las tierras raras (Er, Nd, Yb y etc.). [3]
2
EXPERIMENTACIÓN: CARACTERIZACIÓN Y MEDICIÓN DE PARÁMETROS EN FIBRAS
CON IMPUREZAS DE YTERBIO
Características físicas de la fibra especial con impurezas de yterbio (dimensiones). Este experimento consistió
en la obtención mediante un método de aproximación los valores cercanos a las dimensiones físicas de la fibra
óptica, es decir conocer los tamaños de los diámetros del revestimiento y si fuera posible también el del
núcleo. Se midieron tres fibras ópticas, la primera fue una fibra estándar usada en telecomunicaciones y que
se conoce como SMF-28 (Fibra fabricada en Corning Inc.), una fibra de cristal fotónico experimental, y de
nuestra fibra óptica especial con impurezas de yterbio. La parte transversal de la fibra fue vista con detalle, en
un microscopio el cual fue conectado por una interfaz a una computadora donde se tomaron varias fotografías
por medio del programa Motic Images.
Tipo de fibra
SMF-28
FF (Fotónica)
JACKETED
Tabla 1: Valores de los parámetros físicos de las tres diferentes fibras usadas en esta sección
Diámetro del núcleo / diámetro del
Diámetro del revestimiento
Tamaño de la agujeros (si es
revestimiento de agujeros (si es el
el caso)
caso)
9 μm / 125 μm
10 μm / 50 μm
125 μm
7.42 μm
9 μm / 20.0 μm
125 μm
8 μm
Medición de absorción, para medir el nivel de absorción en una fibra especial con impurezas de yterbio se
realizo el siguiente experimento. El arreglo consiste en conectar uno de los extremos de la fibra a examinar a
una fuente de luz blanca y el otro extremo de la fibra óptica a un analizador de espectros ópticos, al cual se
programa en el rango de 800 nm a 1550 nm. El espectro que se observa el cual representa la transmisión que
se tuvo con la luz blanca en su recorrido dentro de la fibra especial. Obviamente, se observan valles y crestas,
que pueden explicarse como las regiones espectrales donde hay y no hay absorción. Los datos se procesaron y
asi conocer la absorción en dB.
7
6
5
dB
4
3
2
1
0
-1
900
1000
1100
1200
1300
1400
LONGITUD DE ONDA nm
Figura 3: Espectro de absorción obtenida
con 1.3 m de fibra de largo
Figura 4: En esta gráfica se muestra la absorción (Línea punteada)
cruce de sección de Yb y vidrio de germano silicato. [4]
Por datos ya reportados para este material se sabe que (sección transversal de bombeo) a = 750 x 10-27 m2 [4].
Al realizar el despeje de  se obtiene: = dB / a = 0.83511 m-1 / 750 x 10-27 m2 = 1.11348 X 1024
iones/m3.Con este valor se conoce aproximadamente el valor de las moléculas de yterbio que existen en un
metro cúbico. Y a esto se le conoce como la concentración de iones en el material. Las Propiedades
espectroscópicas, aunque estas propiedades no fueron posibles encontrarse con el equipo con que se cuenta,
estas son muy importantes para el diseño real de láseres de fibra óptica. El cuadro de niveles del ión de Yb 3+
es simple comparada a otros iones de tierras raras. Para todas las múltiples longitudes de onda ópticas
solamente existen dos niveles y estas se conocen como nivel no excitado 2F7/2 (ground –state) y el nivel de
excitación 2F5/2 (excited state manifold), estos consisten a su vez de cuatro a tres sub-niveles de energía,
respectivamente Para empalmar fibras, se uso un procedimiento de optimización de uno de los programas de
la empalmadora y en general consistió en modificar algunos parámetros tales como el tiempo de duración del
arco, la potencia del arco eléctrico y la separación de la fibra uno con respecto a otra. El resultado entre una
fibra comercial-y una fibra fotónica fue “empalme correcto pero frágil”.Experimento para medir la abertura
numérica de las fibras especial con impurezas de yterbio consistió de una cámara digital de marca Olympus,
que capturo fotografías en la salida óptica de la fibra. La cámara pudo darnos imágenes del tipo TIF (Tagged
Image File Format) o en un formato de computadora para que después uno pudiera analizar los perfiles de los
haces y determinar el parámetro importante, del cual se incluye también el tamaño del haz. Con el
conocimiento de la distancia de la terminación de la fibra a la cámara, el ángulo de divergencia y de manera
directa la NA podría ser determinada. Se uso un software que discretizaba la imagen y las descomponía en
niveles de grises, y en valores de píxeles, de ahí, el diámetro a una altura del modo de hasta el 90% de su
amplitud se media un valor estimado del diámetro de la mancha y también esto se podía en forma
tridimensional, y conociendo la separación que se tenia la fibra con respecto a la cámara, se podrá conocer el
cono de aceptancia y por consiguiente la abertura numérica en forma automática. El programa usado fue
escrito en MATLAB y en forma manual se introduce los valores de distancia de separación y el mismo
programa calculaba el valor del diámetro de la mancha y hacia interactuar esos valores hasta arrojarnos el
valor de la NA.
3
SISTEMA DE LÁSER DE FIBRA CON IMPUREZAS DE YTERBIO
El objetivo final de este trabajo fue el desarrollar o armar físicamente un láser con impurezas de una tierra
rara, y a continuación describimos el proceso de ensamblado del láser, así como la medición de las
características de funcionamiento de nuestro sistema.
ACOPLADOR
EMPALME
MEDIOR
DE
POTENCIAS
ÓPTICAS
LASER
DE
BOMBEO
Detector de Silicio
Fibra contaminada de Yb o FCF
FUENTE DE
CORRIENTE
Figura 5 Láser desarrollado con una fibra dopada con impurezas de Yterbio.
Sistema de bombeo óptico fue un diodo láser y su fuente de energía (fuente de corriente). Se utiliza una fuente
de corriente para el funcionamiento del diodo láser que emite en 915 nm y por la tendencia a sobrecalentarse
el diodo láser su utilizo un sistema de enfriamiento externo. Es factible excitar iones de yterbio con un
bombeo de 915nm y llevarlos al estado mas alto diferente al estado fundamental, y de ahí por características
del material, estas regresan a su estado fundamental, pero al mismo tiempo liberaran energía en forma de
fotones, y por el hecho de contar con un resonar que en este caso son las paredes perpendiculares en los
extremos de la fibra, gracias al 4% de reflexión de Fresnel, se observara que parte de la señal antes de salirse
se regresa al sistema y de ahí provoque una reacción en cadena con los otros fotones que se están liberando
por el proceso de absorción y así crear lo que es la señal láser, esta se genera en el rango espectral de los 1040
nm. Para conocer la eficiencia que tiene nuestro láser de fibra óptica con impureza de yterbio, se realizó una
serie de mediciones de la potencia de bombeo y de la potencia de laseo para conocer la eficiencia de nuestro
sistema láser. Un dato importante es el valor del umbral, que nos dice en donde esta el limite de la potencia de
bombeo, en el cual, la potencia que se sigue incrementando forma parte de la señal láser, es decir, si con el
bombeo no se logra esta potencia, entonces el sistema láser no existirá, y este para nuestro caso fue de 2 mW.
Es por demas incluir que en el CIO, hasta este momento, se ha medido aproximadamente 5 W de potencia en
una fibra óptica de impurezas de yterbio [5].
4
CONCLUSIONES
Nuestros resultados son prometedores, lamentablemente el empalme con la fibra fotónica no fue eficiente y el
bombeo se volvió a caracterizar al final del experimento, porque se pudo apreciar claramente que el bombeo
del diodo láser no era el que estaba recibiendo la fibra de yterbio, cuando se intentaba hacer las mediciones
con una fibra mas larga no era fácil la lectura en el medidor de potencia, por esta razón se hizo un corte del
tamaño original de la fibra de yterbio, dejando una longitud de la fibra donde la señal aun es fuerte para poder
tener una medición clara y conocer la eficiencia del láser, este fue un factor muy importante para la obtención
de la eficiencia de nuestro láser la cual fue aproximadamente del 45%, que consideramos son buenos
resultados por el momento, aunque es sabido que este tipo de fibras, pueden alcanzar eficiencias mayores al
porcentaje obtenido. El valor de umbral también fue determinado, así como observar que la potencia
presentaba un crecimiento lineal y no hubo por ningún momento un síntoma de convertirse en otra forma y
más aun no hubo señas de que se presentará saturación. Por lo que con un sistema mas optimizado, sobre todo
bien cuidado a la hora del empalme, podría darnos mejores resultados experimentales. Es de más considerar,
que típicamente una fuente láser que se emplea en telecomunicaciones por lo regular no sobrepasa a los 3 mW
para su operación elemental. Pero también notar, que ahora las aplicaciones industriales, requieren de
potencias de varios cientos de miliwatts de potencia. Por lo que estamos en espera de poder continuar con el
experimento y arreglar los detalles que se tienen y ver que pueda generarse un sistema con mayor desempeño.
5
BIBLIOGRAFÍA
1.
John Crisp, Libro: Introduction to fiber optics, Edit. Newnes, 1994.
2.
3.
4.
5.
Alejandra Mina Rosales, “Sensor de Presión de Fibra Óptica por Inducción de Birrefringencia Lineal
Y Circular.” Tesis defendido en la Facultad de Ingeniería, Mecánica, Eléctrica y Electrónica.
Salamanca, Gto. Junio 2004.
[WWW]: http://www.lasing.com, Madrid, España.
Rudiger Paschotta, Johan Nilsson, AC Tropper, and DC Hanna, “Ytterbium-doped fiber amplifier”,
IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 33 (7): July 1997.
A Martinez-Rios, R Selvas, I Torres-Gomez, F Mendoza-Santoyo, H Po, AN Starodumov, and Y
Wang, “Double clad Yb-doped fiber lasers with non-circular cladding geometry”, Optics
Communications (246): 385-392, Feb 2005.