Os lasers de fibra de alta potência estão por toda parte hoje em dia — desde corte e soldagem em fábricas até cirurgias médicas e laboratórios científicos. Eles são compactos, eficientes e oferecem excelente qualidade de feixe. Mas há um porém: se você quiser enviar esse poderoso feixe de laser por uma longa distância (por exemplo, para separar a fonte de laser da peça de trabalho para layouts de fábrica flexíveis), as fibras convencionais de núcleo sólido encontram um obstáculo.

Vejamos um exemplo real: o laser de fibra dopada com itérbio da Fujikura consegue transmitir 5 kW a uma distância de apenas 20 metros. Ao aumentar a potência para 8 kW, essa distância diminui para apenas 3 metros. O problema? Os limites de dano ao material e efeitos não lineares indesejáveis, como a automodulação de fase ou a dispersão estimulada.

É aí que entram as fibras de núcleo oco (HCFs).

Em vez de viajar através do vidro, a luz atravessa um núcleo preenchido com ar ou vácuo. Experimentos iniciais já mostraram que guiar a luz no ar reduz drasticamente a não linearidade e aumenta os limites de dano. Na última década, o desempenho das fibras ocas de alta frequência (HCF) disparou: as perdas caíram de >100 dB/km para <1 dB/km nos melhores projetos antirressonantes — aproximando-se das fibras de sílica comuns.

Então, como eles conseguem aprisionar a luz dentro de um orifício de ar? As fibras de núcleo sólido usam a reflexão interna total, mas o ar tem um índice de refração menor que o do vidro, então é preciso um truque. Na verdade, dois truques principais:

1. Bandgap fotônico (PBG) – Uma microestrutura periódica no revestimento cria um "bandgap" que impede a passagem da luz. A primeira fibra de núcleo oco (HC-PBG-PCF) prática surgiu em Southampton no final da década de 1990. No entanto, as fibras PBG ainda apresentam perdas relativamente altas (na escala de dB/km) e são complexas de fabricar.
2. Guiamento antirressonante – Esta é a tecnologia em voga atualmente. Tubos de vidro de paredes finas (frequentemente aninhados) atuam como um étalon de Fabry-Pérot, refletindo a luz de volta para o núcleo. As fibras ocas antirressonantes (AR-HCFs) oferecem janelas de transmissão mais amplas, menor perda e fabricação mais simples. As variantes incluem Kagome, Revolver, fibras sem nós e fibras antirressonantes sem nós aninhadas (NANFs) – estas últimas detêm o recorde de perda atualmente.

Por que essas fibras são tão importantes para lasers de alta potência e ultrarrápidos? Quatro vantagens principais se destacam:

• Não linearidade extremamente baixa – O efeito Kerr no ar é cerca de 1000 vezes mais fraco do que no vidro. Isso significa praticamente nenhuma automodulação de fase, SBS ou SRS para interferir no seu feixe. Mesmo lasers de frequência única podem ser transmitidos sem SBS parasita.
• Alto limiar de dano – A luz mal atinge as paredes de vidro, portanto a intensidade da superfície permanece baixa. É possível aplicar mais de 2 kW sem danificar a microestrutura do revestimento. Alguns experimentos foram realizados durante semanas com potência superior a 100 mW, sem qualquer degradação.
• Ampla janela espectral – Comprimentos de onda impossíveis para fibras de sílica (como infravermelho médio de 2 a 10 μm ou ultravioleta profundo) funcionam perfeitamente em fibras de núcleo oco. Os lasers Skylark transmitiram mais de 100 mW de ultravioleta, novamente por semanas.
• Baixa latência – A luz no ar viaja cerca de 31% mais rápido do que no vidro (índice de refração ~1 vs. ~1,45). Isso é crucial para telecomunicações, mas também para a temporização precisa em sistemas de laser ultrarrápidos.

Os resultados no mundo real já são impressionantes.

Em 2025, Shi et al. (Nature Communications) demonstraram a transmissão de um laser de onda contínua de 2 kW por 2,45 km usando uma fibra oca de alta resolução (AR-HCF) com uma perda recorde de 0,168 dB/km a 1080 nm. O produto potência-distância foi 500 vezes melhor do que os sistemas de fibra óptica anteriores. Eles observaram até mesmo o espalhamento Raman dentro dos tubos de sílica aninhados – e conseguiram suprimi-lo, abrindo caminho para aplicações industriais como descomissionamento nuclear e perfuração a laser.

Outro estudo demonstrou a transmissão flexível de pulsos ultrarrápidos no infravermelho médio (2,8 μm, 100 fs, energia em nível de watt) através de uma fibra de cristal fotônico (PCF) de núcleo oco evacuada de 5 m. Os pulsos mantiveram sua fidelidade espacial, espectral e temporal – perfeitos para espectroscopia, cirurgia ou sensoriamento remoto.

É claro que ainda existem desafios.

• Perda residual – Embora as simulações atinjam 0,025 dB/km a 1550 nm e os experimentos alcancem 0,168 dB/km a 1080 nm, o valor de referência de 0,14 dB/km da sílica ainda não é consistentemente superado em todos os comprimentos de onda.
• Danos na face final – Sob alta potência contínua, o revestimento de polímero e o vidro da jaqueta (não a microestrutura) podem se degradar. A ionização do ar dentro do núcleo também pode limitar o aumento da potência.
• Pureza do modo – As fibras de núcleo oco são inerentemente multimodo. Projetos recentes com estruturas duplas truncadas quádruplas alcançam perda do modo fundamental de 0,1 dB/km e perda do modo de alta ordem de 430 dB/km (taxa de extinção de 5×10⁻⁴) – mas manter a operação em modo único em longas distâncias ainda é complicado.
• Repetibilidade de fabricação – O processo de empilhamento e trefilação exige precisão submicrométrica. Qualquer variação nas condições de trefilação, pressão ou pureza do vidro afeta o desempenho.
• Acoplamento a fibras de núcleo sólido – A maioria das fontes de laser de alta potência são de núcleo sólido, portanto, um acoplamento eficiente exige uma correspondência precisa do campo modal. Os sistemas atuais geralmente usam óptica de espaço livre, o que limita a estabilidade a longo prazo.

Olhando para o futuro, ele se mostra promissor.

As fibras antirressonantes triplamente aninhadas (TNANFs) já atingiram uma perda de 0,25 dB/km com diâmetros menores. A transmissão totalmente em fibra (sem acoplamento em espaço livre) está no horizonte, com o objetivo de alcançar 10 kW e além. As fibras ocas de alta frequência (HCFs) preenchidas com gás continuarão a gerar supercontínuos que abrangem uma oitava, pulsos de femtosegundos no ultravioleta extremo (VUV) e até mesmo raios X de attossegundos em bancada. A integração industrial com fibras flexíveis montadas em robôs está a caminho. E o mercado está crescendo: de US$ 92 milhões em 2025 para US$ 158 milhões em 2032 (CAGR de 8,1%).