Kun yksimuotoiset kuitulaserit saavuttavat 10 kW:n ja monimuotokuitulaserit saavuttavat 50 kW:n, kuitulaserit murtautuvat teollisuudelta ja tulevat sotilassovelluksiin, ja niistä tulee ehdokkaita taistelukentälle käytettäville korkean energian laseraseille.
Lasertekniikan alkuaikoina paras tapa saada suuritehoinen laserteho oli ottaa energiaa suurista määristä lasermateriaalia. Jotkut sovellukset käyttävät edelleen tätä lähestymistapaa, kuten National Ignition Facility (NIF) Lake Trent National Laboratoryssa, joka käyttää suuria lasivahvistimia pulssien vahvistamiseen 1,8 M:iin. Mutta moniin teollisiin sovelluksiin ytterbium-seostetusta kuidusta on tullut ihanteellinen valinta suuritehoisille lasermedialle.
Kuitulaserit ovat edenneet pitkän tien tehon suhteen sen jälkeen, kun Elilas Snitzer keksi ensimmäisen kuitulaserin vuonna 1963. Kesäkuussa 2009 IPG Photonics julkaisi jatkuvan aallon yksimuotokuitulaserin, jonka lähtöteho on 10 kW Münchenin lasernäyttelyssä ja Solid-State Laser and Semiconductor Laser -konferenssi, jonka isännöi Directed Energy Professionals Society (DEPS). Bi Shiner, IPG Photonicsin teollisuusmarkkinoiden varajohtaja, sanoi, että IPG on valmistanut monimuotokuitulasereita, joiden lähtöteho on jopa 50 kW, ja Raytheon on testannut niiden mahdollisia sovelluksia laseraseina. IPG:n päätoimiala on kuitenkin edelleen teolliset materiaalinkäsittelysovellukset aurinkokennojen piikiekkojen leikkaamisesta metallilevyjen robottihitsaukseen.
Miksi valita kuitu?
Kuten muutkin diodipumpatut laserit, kuitulaserit muuntavat olennaisesti huonolaatuiset pumppulaserit laadukkaammiksi lasertuloiksi, joita voidaan käyttää monilla aloilla, kuten lääketieteellisessä hoidossa, materiaalinkäsittelyssä ja laseraseissa. Mitä tulee suuren tehon saavuttamiseen, kuitulasereilla on kaksi tärkeää etua: toinen on prosessi pumppuvalosta korkealaatuiseen valotehoon, jolla on korkea muunnostehokkuus; toinen on hyvä lämmönpoistokyky.
Syy siihen, miksi kuitulaserit voivat saavuttaa korkean hyötysuhteen, johtuu pääasiassa diodipumppauksesta, vahvistusdopingmateriaalin huolellisesta valinnasta ja optimoidusta kuitusuunnittelusta. Suuritehoisissa kuitulasereissa käytettävä optinen kuitu sisältää vahvistusväliaineella seostetun sisemmän ytimen ja pumpun valon rajoittavan ulkoytimen. Pumppuvalo voi tulla ulkoytimeen kuidun päätypinnan kautta tai kytkeytyä ulkoytimeen kuidun sivua pitkin suuntaan, joka on lähes samansuuntainen kuidun akselin kanssa (katso kuva 1). Jälkimmäistä menetelmää kutsutaan "sivupumppaukseksi", mutta se ei tarkoita, että pumpun valo tulee laseronteloon sivusuunnassa kuten bulkkilaser. Kun pumpun valo on syötetty ulkoytimeen, se kulkee toistuvasti sisemmän ytimen läpi kuitua pitkin tehokkaan pumppauksen saavuttamiseksi. Tämän jälkeen stimuloitu säteily johdetaan sisäydintä pitkin ja kerää jatkuvasti energiaa korkean intensiteetin laservalon tuottamiseksi.
Useimmissa kuitulasereissa on lisäaineita, mikä johtuu siitä, että selektiivinen peili voi saada pienen kvanttihäviön (pumpun fotonin ja lähtöfotonin välinen energiaero). Käytettäessä 975 nm:n pumppuvaloa 1035 nm:n valon tuottamiseen, kvanttihäviön arvo on vain 6 %. Vertailun vuoksi: 808 nm:ssä pumpatun ja 1064 nm:ssä tuotetun neodyymiseostetun laserin kvanttihäviö on jopa 20 %. Pienemmät kvanttihäviöt mahdollistavat kuitujen seostettujen lasereiden optis-optisen pumppaustehokkuuden ylittävän 60 %, mikä yhdistettynä pumppudiodin 50 %:n sähköoptiseen muunnostehokkuuteen tarkoittaa, että kuitulaserin kokonaismuunnostehokkuus voi olla 30 %.
Kuiturakenteessa on suuri pinta-ala tilavuusyksikköä kohti, mikä auttaa kuitulaseria haihduttamaan lämpöä, mutta jopa vesijäähdytyksellä lämmönpoisto rajoittaa sen suorituskykyä. Viisi vuotta sitten tutkijat toivoivat saavansa suurempia tehoja lisäämällä dopingtasoa ja sisäytimen kokoa, mutta Johan Nilsson Southamptonin yliopistosta sanoi, että korkealla keskiteholla, koska jäännöslämpöä on vaikea poistaa kuidusta, " lämpövaikutuksen rajoitus on palannut."
