با رسیدن لیزرهای فیبر تک حالته به 10 کیلووات و لیزرهای فیبر چند حالته به 50 کیلووات، لیزرهای فیبری از عرصه صنعتی خارج شده و وارد کاربردهای نظامی می شوند و به نامزدی برای سلاح های لیزری پرانرژی مستقر در میدان نبرد تبدیل می شوند.
در روزهای اولیه فناوری لیزر، بهترین راه برای به دست آوردن خروجی لیزر پرقدرت، استخراج انرژی از حجم زیادی از مواد لیزر بود. هنوز برنامههایی وجود دارند که از این رویکرد استفاده میکنند، مانند تأسیسات احتراق ملی (NIF) در آزمایشگاه ملی دریاچه ترنت، که از تقویتکنندههای شیشهای بزرگ برای تقویت پالسها تا 1.8 M استفاده میکند. اما برای بسیاری از کاربردهای صنعتی، فیبر دوپ شده با ایتربیوم به انتخاب ایده آل برای رسانه های لیزری با قدرت بالا.
لیزرهای فیبر از زمانی که الیلاس اسنیتزر اولین لیزر فیبر را در سال 1963 اختراع کرد، راه طولانی را از نظر قدرت پیموده اند. در ژوئن 2009، IPG Photonics یک لیزر فیبری تک حالته موج پیوسته با توان خروجی 10 کیلووات را در نمایشگاه لیزر مونیخ منتشر کرد. کنفرانس لیزر حالت جامد و لیزر نیمه هادی به میزبانی انجمن متخصصان انرژی هدایت شده (DEPS). Bi Shiner، معاون بازارهای صنعتی در IPG Photonics، گفت که IPG لیزرهای فیبر چند حالته با توان خروجی تا 50 کیلو وات تولید کرده است و Raytheon کاربردهای بالقوه آنها را به عنوان سلاح لیزری آزمایش کرده است. با این حال، تجارت اصلی IPG هنوز برای کاربردهای پردازش مواد صنعتی است، از برش ویفرهای سیلیکونی برای سلول های خورشیدی تا جوشکاری روباتیک صفحات فلزی.
چرا فیبر را انتخاب کنید؟
لیزرهای فیبری مانند سایر لیزرهای پمپ شده با دیود، اساساً لیزرهای پمپ با کیفیت پایین را به خروجی لیزر با کیفیت بالاتر تبدیل می کنند که می تواند در بسیاری از زمینه ها مانند درمان پزشکی، پردازش مواد و سلاح های لیزری استفاده شود. از نظر دستیابی به خروجی با توان بالا، لیزرهای فیبر دو مزیت مهم دارند: یکی فرآیند از نور پمپ به نور خروجی با کیفیت بالا که بازده تبدیل بالایی دارد. دیگری ظرفیت اتلاف گرما خوب است.
دلیل اینکه چرا لیزرهای فیبر می توانند کارایی بالایی داشته باشند عمدتاً به دلیل پمپاژ دیود، انتخاب دقیق رسانه های دوپینگ و طراحی بهینه فیبر است. فیبر نوری مورد استفاده در لیزرهای فیبر پرقدرت شامل یک هسته داخلی آغشته به محیط افزایش و یک هسته خارجی است که نور پمپ را محدود می کند. نور پمپ می تواند از طریق وجه انتهایی فیبر وارد هسته خارجی شود یا در جهتی تقریباً موازی با محور فیبر به هسته خارجی در امتداد کناره فیبر متصل شود (شکل 1 را ببینید). روش اخیر «پمپ جانبی» نامیده می شود، اما به این معنی نیست که نور پمپ مانند لیزر حجیم به صورت جانبی وارد حفره لیزر می شود. هنگامی که نور پمپ به هسته بیرونی وارد می شود، به طور مکرر از هسته داخلی در امتداد فیبر عبور می کند تا به پمپاژ کارآمد برسد. متعاقباً، تابش تحریک شده در امتداد هسته داخلی هدایت می شود و به طور مداوم انرژی را برای خروجی نور لیزر با شدت بالا جمع می کند.
بیشتر لیزرهای فیبر دارای مواد ناخالصی هستند، زیرا آینه انتخابی می تواند اتلاف کوانتومی کمی (تفاوت انرژی بین فوتون پمپ و فوتون خروجی) به دست آورد. هنگام استفاده از نور پمپ 975 نانومتری برای تولید نور خروجی 1035 نانومتر، مقدار تلفات کوانتومی تنها 6 درصد است. در مقایسه، تلفات کوانتومی لیزر دوپ شده با نئودیمیم که در 808 نانومتر پمپ می شود و خروجی آن در 1064 نانومتر به 20 درصد می رسد. تلفات کوانتومی کوچکتر باعث می شود که راندمان پمپاژ نوری-اپتیکی لیزرهای دوپ شده با فیبر از 60٪ بیشتر شود که همراه با راندمان تبدیل الکترواپتیکی 50٪ دیود پمپ، به این معنی است که راندمان تبدیل کل لیزر فیبر می تواند به 30 برسد. ٪.
ساختار فیبر دارای سطح زیادی در واحد حجم است که به لیزر فیبر در دفع گرما کمک می کند، اما حتی با خنک کردن آب، اتلاف گرما عملکرد آن را محدود می کند. پنج سال پیش، محققان امیدوار بودند که با افزایش سطح دوپینگ و اندازه هسته داخلی، توان های بالاتری تولید کنند، اما یوهان نیلسون از دانشگاه ساوت همپتون گفت که در توان های متوسط بالا، زیرا حذف گرمای باقیمانده از فیبر دشوار است. محدودیت اثر حرارتی بازگشته است."
