Med single-mode fiberlasrar som når 10KW och multimode fiberlasrar som når 50KW, bryter fiberlasrar ut från industriområdet och går in i militära tillämpningar och blir en kandidat för högenergilaservapen utplacerade på slagfältet.
I laserteknikens tidiga dagar var det bästa sättet att få högeffekts laserutdata att utvinna energi från stora volymer lasermaterial. Det finns fortfarande några applikationer som använder detta tillvägagångssätt, till exempel National Ignition Facility (NIF) vid Lake Trent National Laboratory, som använder stora glasförstärkare för att förstärka pulser till 1,8 M. Men för många industriella applikationer har ytterbiumdopad fiber blivit idealiskt val för lasermedia med hög effekt.
Fiberlasrar har kommit långt när det gäller kraft sedan Elilas Snitzer uppfann den första fiberlasern 1963. I juni 2009 släppte IPG Photonics en kontinuerlig våg enmods fiberlaser med en uteffekt på 10KW på Laser Show i München och Solid-State Laser and Semiconductor Laser Conference som arrangeras av Directed Energy Professionals Society (DEPS). Bi Shiner, vice VD för industriella marknader på IPG Photonics, sa att IPG har producerat multimode fiberlasrar med uteffekter upp till 50kW, och Raytheon har testat deras potentiella tillämpningar som laservapen. IPG:s huvudsakliga verksamhet är dock fortfarande för industriella materialbearbetningsapplikationer, från skärning av kiselwafers för solceller till robotsvetsning av metallplåtar.
Varför välja fiber?
I likhet med andra diodpumpade lasrar omvandlar fiberlasrar i huvudsak lågkvalitativa pumplasrar till laserutgångar av högre kvalitet, som kan användas inom många områden som medicinsk behandling, materialbearbetning och laservapen. När det gäller att uppnå hög effekt har fiberlasrar två viktiga fördelar: den ena är processen från pumpljus till högkvalitativt utgående ljus, som har hög omvandlingseffektivitet; den andra är god värmeavledningsförmåga.
Anledningen till att fiberlasrar kan uppnå hög effektivitet beror främst på diodpumpning, noggrant val av förstärkningsdopningsmedia och optimerad fiberdesign. Den optiska fibern som används i högeffektfiberlasrar innehåller en inre kärna dopad med förstärkningsmedium och en yttre kärna som begränsar pumpljuset. Pumpljuset kan komma in i den yttre kärnan genom fiberns ändyta, eller kopplas in i den yttre kärnan längs sidan av fibern i en riktning nästan parallell med fiberaxeln (se figur 1). Den senare metoden kallas "sidpumpning", men det betyder inte att pumpljuset kommer in i laserhåligheten i sidled som en bulklaser. När pumpljuset väl har införts i den yttre kärnan, kommer det upprepade gånger att passera genom den inre kärnan längs fibern för att uppnå effektiv pumpning. Därefter leds den stimulerade strålningen längs den inre kärnan och ackumulerar kontinuerligt energi för att mata ut högintensivt laserljus.
De flesta fiberlasrar har dopämnen, vilket beror på att den selektiva spegeln kan få en liten kvantförlust (energiskillnaden mellan pumpfotonen och utgående fotonen). När du använder 975nm pumpljus för att producera 1035nm utgående ljus, är kvantförlustvärdet endast 6%. Som jämförelse är kvantförlusten för en neodymdopad laser som pumpas vid 808 nm och matar ut vid 1064 nm så hög som 20 %. Mindre kvantförluster gör att den optisk-optiska pumpningseffektiviteten för fiberdopade lasrar kan överstiga 60 %, vilket i kombination med pumpdiodens elektrooptiska omvandlingseffektivitet på 50 % innebär att fiberlaserns totala omvandlingseffektivitet kan nå 30 %.
Fiberstrukturen har en stor yta per volymenhet, vilket hjälper fiberlasern att avleda värme, men även med vattenkylning kommer värmeavledning att begränsa dess prestanda. För fem år sedan hoppades forskare kunna producera högre krafter genom att öka dopningsnivån och storleken på den inre kärnan, men Johan Nilsson vid University of Southampton sa att vid höga medeleffekter, eftersom restvärme är svår att ta bort från fibern, " den termiska effektbegränsningen är tillbaka."
