Medir a geração de calor do laser de fibra e utilizá-lo para otimização para produzir maior potência

Histórico de aplicação do Centro de Ciências do Laser Attosecond, Escola de Pós-Graduação em Ciências, Universidade de Tóquio

O custo-benefício da introdução de câmeras termográficas é alto ao considerar os riscos de dano ao equipamento.

Esta história foi creditada a Reza Amani, professor adjunto de projetos do Centro de Ciências do Laser Attosecond, Faculdade de Pós-Graduação em Ciências da Universidade de Tóquio.

O Dr. Reza Amani utiliza câmeras termográficas para medir o calor gerado na fibra de ganho de um laser de fibra, evitando assim danos ao equipamento ou lesões aos operadores devido a uma ruptura que pode ocorrer quando os limites de temperatura são excedidos. Essas câmeras podem ajudar a dar instruções aos alunos durante os experimentos, melhorar a segurança dos operadores em aplicações no local e melhorar o desempenho do equipamento etc.

Reza Amani
Professor Adjunto de Projeto

Centro de Ciências do Laser Attosecond, Escola de Pós-Graduação em Ciências, Universidade de Tóquio

O monitoramento da temperatura aumenta para evitar danos às fibras

O Dr. Reza Amani está envolvido em pesquisas que não apenas contribuem para os campos da química física ao desenvolver lasers de alta potência, mas também que visam uma maior cooperação com o setor. O processamento a laser é introduzido no setor de semicondutores, assim como em muitos outros setores. Ele permite que uma grande diversidade de materiais seja processada e permite o processamento ultrafino de alta precisão. Em particular, os lasers de fibra nos quais o Dr. Amani está trabalhando têm alta eficiência de conversão de energia e se destacam em termos de estabilidade e confiabilidade. Além disso, uma vez que a luz está confinada nas fibras, ela não requer uma sala limpa e isso chama a atenção por causa de suas vantagens, como controle elétrico e facilidade de manuseio.

“O núcleo da fibra óptica, que é chamado de ‘fibra de ganho’, é dopado (adicionado) com Er (érbio) e Yb (itérbio). Uma saída de laser de 22 W ou mais pode ser adquirida em um único modo, mas a fibra é prontamente aquecida após a excitação. Quando a fibra atinge certa temperatura, ela primeiro incha e depois se rompe. Caso isso ocorra, o equipamento é inutilizado e há riscos de lesões.”

Para evitar tais riscos, é necessário medir o calor gerado na fibra de ganho do laser e o experimento deve ser interrompido antes que o limite de temperatura seja atingido e o plástico externo do revestimento (revestimento de acrilato) seja destruído. No entanto, quando o ganho de fibra é criado, não se sabe quando ele excede o limite de temperatura. A câmera termográfica Teledyne FLIR foi introduzida como meio de monitorar o aumento da temperatura.

Fibra de ganho acrescida de íons de Er e Yb. Essa fibra de ganho é acoplada a um laser de excitação multimodo de 976 nm para fazer um ressonador. Ela pode então oscilar com o comprimento de onda central de 1.560 nm para produzir um laser monomodo de 22 W ou mais. Tal dispositivo de laser pode ser aplicado ao processamento a laser, excitação de um laser de infravermelho médio e o campo da comunicação óptica etc.

Quando a fibra de ganho acrescida de íons de Er-Yb, uma luz verde fluorescente é gerada. Quanto mais forte for a luz fluorescente, maior será a absorção do laser de excitação, e a quantidade de geração de calor se tornará maior.

Selecione a Teledyne FLIR com alta resolução e para facilitar a análise

Dr. Amani diz que tentou fazer medições com uma câmera termográfica que tinha no laboratório, mas tinha uma baixa contagem de pixels e, devido à resolução limitada da imagem, os valores medidos eram menores do que os reais, tornando-a efetivamente inútil.

“No meu trabalho anterior, estudei lasers de disco fino e usei uma câmera termográfica de alta contagem de pixels da FLIR. Portanto, sei muito sobre as vantagens das câmeras FLIR. A fibra bem fina, chegando a 250 μm, incluindo a parte plástica externa, que é chamada de revestimento de acrilato. Sem uma certa extensão de resolução, não podemos medir temperaturas com precisão. No entanto, assumi minha posição atual há um ano e comecei a montar meu laboratório. Devido ao orçamento limitado, escolhi a FLIR E54. Ela tem uma resolução justa e pode ser comprada a um preço acadêmico.”

Outro motivo para escolher a Teledyne FLIR foi que os dados coletados podem ser analisados em um computador. “Importamos os dados de imagem levados para um computador e realizamos uma ampla variedade de análises. É difícil julgar com precisão onde ocorre a geração de calor apenas olhando os dados no local, mas ao importar dados para um computador, podemos analisar em mais detalhes. É claro que isso é uma vantagem.”

Câmera termográfica portátil

FLIR E54

A FLIR E54 é a primeira câmera termográfica portátil da FLIR, capaz de ver a distribuição de temperatura de objetos com diferenças de temperatura na resolução infravermelha de 320 × 240 pixels. A correção de imagens com a tecnologia MSX® produz as imagens mais nítidas da categoria. As lentes telefoto e grande angular intercambiáveis são úteis para investigações em várias cenas. Além disso, ao conectar-se ao software do computador, é possível analisar e gravar as alterações de temperatura da série temporal como vídeo.

Saiba Mais

Identificar os limites de calor e procedimentos para otimização

“Também usamos um termopar e outros termômetros do tipo contato, mas graças à câmera termográfica, agora podemos descobrir quais peças tendem a ter altas temperaturas, com base nas distribuições de temperatura.”

A temperatura de resistência superior da fibra de ganho é especificada em 80 °C. Como a câmera pode medir com precisão as distribuições de temperatura, a fibra pode ser usada em até 110 °C, removendo adequadamente o calor com um resfriador. Agora é possível identificar os limites de calor e procedimentos para otimização, eliminando assim riscos como danos ao equipamento e lesões ao operador.

“No Japão, sinto que os orçamentos de pesquisa são limitados em comparação com outros países avançados. Em outros países, as câmeras termográficas são uma ferramenta comum usada em todos os lugares. Acho que elas deveriam ser mais usadas para P&D no Japão. Se a fibra usada nesta pesquisa for destruída por exceder um limite de calor, precisaremos comprar um novo equipamento que custa cerca de 300.000 ienes. Levando isso em consideração, o custo-benefício da introdução de câmeras termográficas não é tão ruim assim.”

O setor tem diversos requisitos, incluindo o processamento de diferentes materiais com um único laser. O processamento de vários materiais requer um aumento na potência de saída, o que pode levar ao problema da geração de calor. Câmeras de infravermelho como a FLIR série Exx são úteis nessas situações para medição térmica e podem fornecer dados úteis para futuras pesquisas a laser.