Medir la generación de calor del láser de fibra y utilizarla para la optimización a fin de producir una mayor potencia

Historia de aplicación del Center for Attosecond Laser Science, Escuela Superior de Ciencias, Universidad de Tokio

La rentabilidad de la introducción de cámaras termográficas es elevada cuando se tienen en cuenta los riesgos de daños en el equipo.

Esta historia se atribuye a Reza Amani, profesora asociada del proyecto del Center for Attosecond Laser Science, Escuela Superior de Ciencias de la Universidad de Tokio.

La Dra. Reza Amani utiliza cámaras termográficas para medir el calor generado en la fibra de ganancia de un láser de fibra, para evitar así daños en el equipo o lesiones a los operadores debido a una rotura que puede ocurrir cuando se exceden los límites de temperatura. Estas cámaras pueden ayudar a dar instrucciones a los estudiantes durante los experimentos, mejorar la seguridad de los operadores en las aplicaciones sobre el terreno, mejorar el rendimiento del equipo, etc.

Reza Amani
Profesora asociada del proyecto

Center for Attosecond Laser Science, Escuela Superior de Ciencias, Universidad de Tokio

Control de aumentos de temperatura para evitar daños en las fibras

La Dra. Reza Amani participa en investigaciones que no solo contribuyen a los campos de la química física a través del desarrollo de láseres de alta potencia, sino que también tienen como objetivo una mayor cooperación con la industria. El procesamiento láser se introduce en el sector de los semiconductores, así como en otros muchos sectores. Permite procesar una amplia gama de materiales y permite un procesamiento ultrafino de alta precisión. En particular, los láseres de fibra en los que trabaja la Dra. Amani tienen una alta eficiencia de conversión de energía y destacan en términos de estabilidad y fiabilidad. Además, dado que la luz está confinada en las fibras, no requiere una sala limpia y atrae la atención debido a sus ventajas, como el control eléctrico y la facilidad de manejo.

“El núcleo de la fibra óptica, que se denomina ‘fibra de ganancia’, se dopa (agrega) con Er (erbio) e Yb (iterbio). Se puede adquirir una salida láser de 22 W o más en un solo modo, pero la fibra se calienta rápidamente después de la excitación. Cuando la fibra alcanza una temperatura determinada, primero se hincha y luego estalla. Si esto ocurre, el equipo se vuelve inútil y hay riesgos de lesiones.”

Para evitar dichos riesgos, es necesario medir el calor que se genera en la fibra de ganancia del láser de fibra y el experimento debe detenerse antes de alcanzar el límite de temperatura y de destruir el plástico externo del revestimiento (recubrimiento de acrilato). Sin embargo, cuando se crea la fibra de ganancia, se desconoce cuándo supera el límite de temperatura. Como medio para supervisar el aumento de temperatura, se introdujo la cámara termográfica Teledyne FLIR.

Fibra de ganancia dopada con iones Er e Yb. Esta fibra de ganancia se acopla con un láser de excitación multimodo de 976 nm para crear un resonador. A continuación, puede oscilar con la longitud de onda central de 1560 nm para generar un láser monomodo de 22 W o más. Tal dispositivo láser puede aplicarse al procesamiento láser, excitación de un láser infrarrojo medio, el campo de comunicación óptica, etc.

Cuando la fibra de ganancia se dopa de iones Er-Yb, se genera una luz fluorescente verde. Cuanto más fuerte sea la luz fluorescente, mayor será la absorción del láser de excitación y mayor será la cantidad de generación de calor.

Seleccione Teledyne FLIR con alta resolución y para un análisis sencillo

La Dra. Amani afirma que intentaron tomar mediciones con una cámara termográfica que tenían en el laboratorio, pero que tenía un recuento de píxeles bajo y, debido a la resolución limitada de la imagen, los valores medidos fueron más bajos que los reales, lo que la hizo efectivamente inútil.

“En mi trabajo anterior, estudié láseres de disco delgado y utilicé una cámara termográfica de FLIR con un elevado recuento de píxeles. Por lo tanto, sé mucho sobre las ventajas de las cámaras FLIR. La fibra es extremadamente fina, de 250 μm, incluida la parte de plástico externa, que se denomina revestimiento de acrilato. Sin un cierto grado de resolución, no podemos medir con precisión las temperaturas. Sin embargo, me incorporé a mi puesto actual hace un año y acabo de poner en marcha mi laboratorio. Debido al presupuesto limitado, elegí la FLIR E54. Tiene una resolución justa y se puede comprar a un precio académico.”

Otra razón para elegir Teledyne FLIR fue que los datos tomados se pueden analizar en un ordenador. “Importamos los datos de imagen tomados en un ordenador y realizamos una amplia variedad de análisis. Es difícil juzgar con precisión dónde se produce la generación de calor simplemente mirando los datos en el acto, pero importándolos a un ordenador, podemos analizarlos con más detalle. Por supuesto, esto es una ventaja.”

Cámara termográfica portátil

FLIR E54

La FLIR E54 es la primera cámara termográfica portátil de FLIR, puede ver la distribución de temperatura de objetos con diferencias de temperatura en una resolución de infrarrojos de 320 × 240 píxeles. La corrección de imágenes con MSX® produce las imágenes más nítidas de su categoría. El teleobjetivo intercambiable y los objetivos de gran angular son útiles para realizar investigaciones en diversos contextos. Además, al conectarse al software del ordenador, es posible analizar y grabar los cambios de temperatura de la serie temporal como vídeo.

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Identificar los límites de calor y los procedimientos para la optimización

“También utilizamos un termopar y otros termómetros de contacto, pero gracias a la cámara termográfica, ahora podemos encontrar qué piezas tienden a tener altas temperaturas, en función de las distribuciones de temperatura.”

La temperatura de resistencia superior de la fibra de ganancia se especifica como 80°C. Dado que la cámara puede medir con precisión las distribuciones de temperatura, la fibra se puede utilizar hasta 110°C eliminando adecuadamente el calor con un enfriador. Ahora es posible identificar los límites de calor y los procedimientos para la optimización, y eliminar así riesgos como daños en el equipo y lesiones al operador.

“En Japón, creo que los presupuestos de investigación son limitados en comparación con otros países desarrollados. En otros países, las cámaras termográficas son una herramienta común que se utiliza en todas partes. Creo que deberían utilizarse más para I+D en Japón. Si la fibra utilizada en esta investigación se destruye al superar un límite de calor, tendremos que volver a comprar el equipo, que cuesta unos 300 000 JPY. Teniendo esto en cuenta, la rentabilidad de la introducción de cámaras termográficas no es tan mala.”

La industria tiene diversos requisitos, incluido el procesamiento de diferentes materiales con un solo láser. El procesamiento de múltiples materiales requiere un aumento de la potencia de salida que puede conducir al problema de la generación de calor. Las cámaras de infrarrojos como la serie Exx de FLIR son útiles en estas situaciones para la medición térmica y pueden proporcionar datos útiles para futuras investigaciones con láser.