S jednomódovými vláknovými lasermi dosahujúcimi 10 kW a multimódovými vláknovými lasermi dosahujúcimi 50 kW sa vláknové lasery vytrácajú z priemyselnej oblasti a vstupujú do vojenských aplikácií a stávajú sa kandidátmi na vysokoenergetické laserové zbrane nasadené na bojisku.
V počiatkoch laserovej technológie bolo najlepším spôsobom, ako získať výkon lasera s vysokým výkonom, extrahovať energiu z veľkých objemov laserového materiálu. Stále existujú niektoré aplikácie, ktoré využívajú tento prístup, ako napríklad National Ignition Facility (NIF) v Lake Trent National Laboratory, ktoré používa veľké sklenené zosilňovače na zosilnenie impulzov na 1,8 M. Ale pre mnohé priemyselné aplikácie sa vlákno dopované ytterbiom stalo ideálna voľba pre vysokovýkonné laserové médiá.
Vláknové lasery prešli dlhú cestu, pokiaľ ide o výkon, odkedy Elilas Snitzer vynašiel prvý vláknový laser v roku 1963. V júni 2009 spoločnosť IPG Photonics uviedla na mníchovskej laserovej výstave jednovidový vláknový laser s kontinuálnou vlnou a výstupným výkonom 10 kW. Konferencia polovodičových laserov a polovodičových laserov organizovaná spoločnosťou Directed Energy Professionals Society (DEPS). Bi Shiner, viceprezident pre priemyselné trhy v IPG Photonics, povedal, že IPG vyrobila multimódové vláknové lasery s výstupným výkonom až 50 kW a Raytheon testoval ich potenciálne aplikácie ako laserové zbrane. Hlavnou činnosťou IPG je však stále aplikácie na spracovanie priemyselných materiálov, od rezania kremíkových plátkov pre solárne články až po robotické zváranie kovových dosiek.
Prečo si vybrať vlákninu?
Podobne ako pri iných laseroch čerpaných diódami, vláknové lasery v podstate premieňajú nekvalitné čerpacie lasery na kvalitnejšie laserové výstupy, ktoré je možné použiť v mnohých oblastiach, ako je lekárske ošetrenie, spracovanie materiálov a laserové zbrane. Pokiaľ ide o dosiahnutie vysokého výkonu, vláknové lasery majú dve dôležité výhody: jednou z nich je proces od svetla čerpadla po vysokokvalitné výstupné svetlo, ktoré má vysokú účinnosť konverzie; druhá je dobrá schopnosť odvádzať teplo.
Dôvodom, prečo môžu vláknové lasery dosahovať vysokú účinnosť, je hlavne pumpovanie diód, starostlivý výber dopingových médií a optimalizovaný dizajn vlákna. Optické vlákno používané vo vysokovýkonných vláknových laseroch obsahuje vnútorné jadro dopované médiom zosilnenia a vonkajšie jadro, ktoré obmedzuje svetlo pumpy. Svetlo pumpy môže vstúpiť do vonkajšieho jadra cez koncovú plochu vlákna alebo môže byť spojené s vonkajším jadrom pozdĺž strany vlákna v smere takmer rovnobežnom s osou vlákna (pozri obrázok 1). Posledná uvedená metóda sa nazýva "bočné čerpanie", ale to neznamená, že svetlo čerpadla vstupuje do dutiny lasera laterálne ako objemový laser. Akonáhle je svetlo pumpy zavedené do vonkajšieho jadra, bude opakovane prechádzať vnútorným jadrom pozdĺž vlákna, aby sa dosiahlo efektívne čerpanie. Následne je stimulované žiarenie vedené pozdĺž vnútorného jadra a nepretržite akumuluje energiu na výstup laserového svetla vysokej intenzity.
Väčšina vláknových laserov má dopanty, pretože selektívne zrkadlo môže dosiahnuť malú kvantovú stratu (rozdiel energie medzi fotónom pumpy a výstupným fotónom). Pri použití 975nm svetla pumpy na produkciu 1035nm výstupného svetla je hodnota kvantovej straty iba 6%. Na porovnanie, kvantová strata lasera dopovaného neodýmom čerpaného pri 808 nm a výstupného pri 1064 nm je až 20 %. Menšie kvantové straty umožňujú, aby opticko-optická čerpacia účinnosť vláknom dopovaných laserov presiahla 60 %, čo v kombinácii s 50 % elektrooptickou konverznou účinnosťou čerpacej diódy znamená, že celková účinnosť premeny vláknového lasera môže dosiahnuť 30 %. %.
Štruktúra vlákna má veľký povrch na jednotku objemu, čo pomáha vláknovému laseru odvádzať teplo, ale aj pri chladení vodou bude odvod tepla obmedzovať jeho výkon. Pred piatimi rokmi výskumníci dúfali, že dosiahnu vyšší výkon zvýšením úrovne dopingu a veľkosti vnútorného jadra, ale Johan Nilsson z University of Southampton povedal, že pri vysokých priemerných výkonoch, pretože zvyškové teplo je ťažké odstrániť z vlákna, " Obmedzenie tepelného efektu je späť."
