Z laserji z enomodnimi vlakni, ki dosegajo 10 kW, in laserji z večmodnimi vlakni, ki dosegajo 50 KW, se laserji z vlakni prebijajo iz industrijskega področja in vstopajo v vojaške aplikacije ter postajajo kandidati za visokoenergijsko lasersko orožje, ki se uporablja na bojišču.
V zgodnjih dneh laserske tehnologije je bil najboljši način za pridobitev visokozmogljivega laserskega izhoda pridobivanje energije iz velikih količin laserskega materiala. Še vedno obstajajo nekatere aplikacije, ki uporabljajo ta pristop, kot je National Ignition Facility (NIF) v nacionalnem laboratoriju Lake Trent, ki uporablja velike steklene ojačevalnike za ojačanje impulzov na 1,8 M. Toda za številne industrijske aplikacije so vlakna, dopirana z iterbijem, postala idealna izbira za laserske medije visoke moči.
Fiber laserji so daleč napredovali v smislu moči, odkar je Elilas Snitzer leta 1963 izumil prvi fiber laser. Junija 2009 je IPG Photonics na Münchenski laserski sejmu izdal neprekinjeno valovni enomodni fiber laser z izhodno močjo 10 KW in konferenca o polprevodniških laserjih in polprevodniških laserjih, ki jo gosti Društvo strokovnjakov za usmerjeno energijo (DEPS). Bi Shiner, podpredsednik za industrijske trge pri IPG Photonics, je dejal, da je IPG proizvedel večmodne optične laserje z izhodno močjo do 50 kW, Raytheon pa je preizkusil njihove potencialne aplikacije kot lasersko orožje. Vendar je glavna dejavnost IPG še vedno uporaba industrijskih materialov, od rezanja silicijevih rezin za sončne celice do robotskega varjenja kovinskih plošč.
Zakaj izbrati vlakna?
Podobno kot drugi laserji z diodnim črpanjem tudi laserji z vlakni pretvorijo nizkokakovostne laserje s črpalko v visokokakovostne laserske izhode, ki se lahko uporabljajo na številnih področjih, kot so zdravljenje, obdelava materialov in lasersko orožje. Z vidika doseganja visoke izhodne moči imajo vlakneni laserji dve pomembni prednosti: ena je proces od črpalne svetlobe do visokokakovostne izhodne svetlobe, ki ima visoko učinkovitost pretvorbe; druga je dobra sposobnost odvajanja toplote.
Razlog, zakaj lahko vlakneni laserji dosežejo visoko učinkovitost, je predvsem diodno črpanje, skrbna izbira medijev za dopiranje ojačanja in optimizirana zasnova vlaken. Optično vlakno, ki se uporablja v visokozmogljivih laserjih z vlakni, vsebuje notranje jedro, dopirano z ojačitvenim medijem, in zunanje jedro, ki omejuje svetlobo črpalke. Lučka črpalke lahko vstopi v zunanje jedro skozi čelno ploskev vlakna ali pa se poveže z zunanjim jedrom ob strani vlakna v smeri, ki je skoraj vzporedna z osjo vlakna (glejte sliko 1). Slednja metoda se imenuje "stransko črpanje", vendar to ne pomeni, da svetloba črpalke vstopi v lasersko votlino bočno kot masovni laser. Ko je svetloba črpalke vnešena v zunanje jedro, bo večkrat prešla skozi notranje jedro vzdolž vlakna, da se doseže učinkovito črpanje. Nato se stimulirano sevanje vodi vzdolž notranjega jedra in nenehno kopiči energijo za oddajanje laserske svetlobe visoke intenzivnosti.
Večina laserjev z vlakni ima dopante, kar je zato, ker lahko selektivno zrcalo doseže majhno kvantno izgubo (razlika v energiji med fotonom črpalke in izhodnim fotonom). Pri uporabi 975 nm črpalne svetlobe za proizvodnjo 1035 nm izhodne svetlobe je vrednost kvantne izgube le 6 %. Za primerjavo, kvantna izguba laserja, dopiranega z neodimom, ki črpa pri 808 nm in oddaja pri 1064 nm, znaša kar 20 %. Manjše kvantne izgube omogočajo, da optično-optična črpalna učinkovitost laserjev z vlakni preseže 60 %, kar skupaj s 50-odstotno elektro-optično pretvorno učinkovitostjo črpalne diode pomeni, da lahko celotna pretvorbena učinkovitost vlaknenega laserja doseže 30 %. %.
Struktura vlaken ima veliko površino na enoto prostornine, kar pomaga optičnemu laserju pri odvajanju toplote, a tudi pri vodnem hlajenju bo odvajanje toplote omejilo njegovo delovanje. Pred petimi leti so raziskovalci upali, da bodo dosegli višje moči s povečanjem stopnje dopinga in velikosti notranjega jedra, vendar je Johan Nilsson z Univerze v Southamptonu dejal, da pri visokih povprečnih močeh, ker je preostalo toploto težko odstraniti iz vlakna, " omejitev toplotnega učinka je nazaj."
