Met single-mode fiberlasers die 10 kW bereiken en multimode fiberlasers die 50 kW bereiken, breken fiberlasers uit het industriële veld en betreden ze militaire toepassingen, waardoor ze een kandidaat worden voor hoogenergetische laserwapens die op het slagveld worden ingezet.
In de begindagen van de lasertechnologie was de beste manier om laseroutput met hoog vermogen te verkrijgen het onttrekken van energie aan grote hoeveelheden lasermateriaal. Er zijn nog steeds enkele toepassingen die deze aanpak gebruiken, zoals de National Ignition Facility (NIF) van het Lake Trent National Laboratory, dat grote glasversterkers gebruikt om pulsen te versterken tot 1,8 M. Maar voor veel industriële toepassingen is met ytterbium gedoteerde glasvezel de meest geschikte oplossing geworden. ideale keuze voor lasermedia met hoog vermogen.
Fiberlasers hebben een lange weg afgelegd op het gebied van vermogen sinds Elilas Snitzer in 1963 de eerste fiberlaser uitvond. In juni 2009 bracht IPG Photonics op de München Laser Show een single-mode fiberlaser met continue golf uit met een uitgangsvermogen van 10 kW. de Solid-State Laser and Semiconductor Laser Conference georganiseerd door de Directed Energy Professionals Society (DEPS). Bi Shiner, vice-president industriële markten bij IPG Photonics, zei dat IPG multimode fiberlasers heeft geproduceerd met een uitgangsvermogen tot 50 kW, en dat Raytheon hun potentiële toepassingen als laserwapens heeft getest. De hoofdactiviteit van IPG ligt echter nog steeds in industriële materiaalverwerkingstoepassingen, van het snijden van siliciumwafels voor zonnecellen tot het robotlassen van metalen platen.
Waarom kiezen voor vezels?
Net als andere diodegepompte lasers, zetten fiberlasers in wezen pomplasers van lage kwaliteit om in laseroutputs van hogere kwaliteit, die op veel gebieden kunnen worden gebruikt, zoals medische behandelingen, materiaalverwerking en laserwapens. In termen van het bereiken van een hoog uitgangsvermogen hebben fiberlasers twee belangrijke voordelen: het ene is het proces van pomplicht naar hoogwaardig uitgangslicht, dat een hoge conversie-efficiëntie heeft; de andere is een goede warmteafvoercapaciteit.
De reden waarom fiberlasers een hoge efficiëntie kunnen bereiken, is voornamelijk te danken aan het pompen van diodes, de zorgvuldige selectie van doteringsmedia en een geoptimaliseerd vezelontwerp. De optische vezel die wordt gebruikt in vezellasers met hoog vermogen bevat een binnenkern die is gedoteerd met versterkingsmedium en een buitenkern die het pomplicht opsluit. Het pomplicht kan de buitenkern binnendringen via het eindvlak van de vezel, of langs de zijkant van de vezel in de buitenkern worden gekoppeld in een richting die vrijwel parallel loopt aan de vezelas (zie figuur 1). Deze laatste methode wordt "zijwaarts pompen" genoemd, maar betekent niet dat het pomplicht lateraal de laserholte binnendringt zoals bij een bulklaser. Zodra het pomplicht in de buitenste kern is geïntroduceerd, zal het herhaaldelijk door de binnenste kern langs de vezel gaan om efficiënt pompen te bereiken. Vervolgens wordt de gestimuleerde straling langs de binnenkern geleid en accumuleert voortdurend energie om laserlicht met hoge intensiteit uit te voeren.
De meeste fiberlasers hebben doteermiddelen, wat komt doordat de selectieve spiegel een klein kwantumverlies kan veroorzaken (het energieverschil tussen het pompfoton en het uitgangsfoton). Bij gebruik van 975 nm pomplicht om 1035 nm uitgangslicht te produceren, bedraagt de kwantumverlieswaarde slechts 6%. Ter vergelijking: het kwantumverlies van een met neodymium gedoteerde laser die is gepompt op 808 nm en een output levert op 1064 nm is maar liefst 20%. Kleinere kwantumverliezen zorgen ervoor dat de optisch-optische pompefficiëntie van vezelgedoteerde lasers de 60% kan overschrijden, wat, gecombineerd met de elektro-optische conversie-efficiëntie van 50% van de pompdiode, betekent dat de totale conversie-efficiëntie van de fiberlaser 30% kan bereiken. %.
De vezelstructuur heeft een groot oppervlak per volume-eenheid, waardoor de vezellaser warmte kan afvoeren, maar zelfs bij waterkoeling zal de warmteafvoer de prestaties ervan beperken. Vijf jaar geleden hoopten onderzoekers hogere vermogens te kunnen produceren door het dopingniveau en de omvang van de binnenkern te verhogen, maar Johan Nilsson van de Universiteit van Southampton zei dat bij hoge gemiddelde vermogens, omdat restwarmte moeilijk uit de vezel te verwijderen is, " de beperking van het thermische effect is terug."
