З одномодовими волоконними лазерами, що досягають 10 кВт, і багатомодовими волоконними лазерами, які досягають 50 кВт, волоконні лазери вириваються з промислового поля та входять у військове застосування, стаючи кандидатом на високоенергетичну лазерну зброю, розгорнуту на полі бою.
На початку розвитку лазерної технології найкращим способом отримання високопотужного лазерного випромінювання було виділення енергії з великих об’ємів лазерного матеріалу. Існують деякі додатки, які використовують цей підхід, як-от National Ignition Facility (NIF) у Національній лабораторії озера Трент, де використовуються великі скляні підсилювачі для посилення імпульсів до 1,8 М. Але для багатьох промислових застосувань леговане ітербієм волокно стало ідеальний вибір для високопотужних лазерних носіїв.
Волоконні лазери пройшли довгий шлях щодо потужності з тих пір, як Елілас Сніцер винайшов перший волоконний лазер у 1963 році. У червні 2009 року IPG Photonics випустила безперервний одномодовий волоконний лазер із вихідною потужністю 10 кВт на Мюнхенській лазерній виставці та конференція з твердотільних лазерів і напівпровідників, організована Товариством професіоналів спрямованої енергетики (DEPS). Бі Шайнер, віце-президент промислових ринків IPG Photonics, сказав, що IPG виробляє багатомодові волоконні лазери з вихідною потужністю до 50 кВт, а Raytheon випробувала їх потенційне застосування як лазерну зброю. Однак основним напрямком діяльності IPG залишається промислова обробка матеріалів, від різання кремнієвих пластин для сонячних батарей до роботизованого зварювання металевих пластин.
Чому варто вибрати клітковину?
Подібно до інших лазерів з діодною накачкою, волоконні лазери по суті перетворюють низькоякісні лазери накачування в високоякісні лазерні виходи, які можна використовувати в багатьох сферах, таких як лікування, обробка матеріалів і лазерна зброя. З точки зору досягнення високої вихідної потужності, волоконні лазери мають дві важливі переваги: одна полягає в процесі від світла накачки до високоякісного вихідного світла, яке має високу ефективність перетворення; інший - хороша тепловіддача.
Причина, чому волоконні лазери можуть досягти високої ефективності, головним чином пов’язана з діодною накачкою, ретельним вибором легуючих середовищ підсилення та оптимізованою конструкцією волокна. Оптичне волокно, яке використовується у потужних волоконних лазерах, містить внутрішню серцевину, леговану середовищем посилення, і зовнішню серцевину, яка обмежує світло накачки. Світло накачування може входити в зовнішню серцевину через торець волокна або підключатися до зовнішньої серцевини вздовж сторони волокна в напрямку, майже паралельному осі волокна (див. рис. 1). Останній метод називається «бічним накачуванням», але це не означає, що світло накачування потрапляє в лазерну порожнину збоку, як об’ємний лазер. Як тільки світло накачування вводиться в зовнішню серцевину, воно буде неодноразово проходити через внутрішню серцевину вздовж волокна для досягнення ефективного накачування. Згодом стимульоване випромінювання проводиться вздовж внутрішнього ядра та постійно накопичує енергію для виведення лазерного світла високої інтенсивності.
Більшість волоконних лазерів мають легуючі домішки, тому що селективне дзеркало може отримати невеликі квантові втрати (різниця енергії між фотоном накачування та вихідним фотоном). При використанні світла накачки 975 нм для отримання вихідного світла 1035 нм значення квантових втрат становить лише 6%. Для порівняння, квантові втрати легованого неодимом лазера, який накачується при 808 нм і видає при 1064 нм, досягають 20%. Менші квантові втрати дозволяють оптико-оптичній ефективності накачування волоконно-легованих лазерів перевищувати 60%, що в поєднанні з 50% електрооптичною ефективністю перетворення діода накачування означає, що загальна ефективність перетворення волоконного лазера може досягати 30 %.
Волокниста структура має велику площу поверхні на одиницю об’єму, що допомагає волоконному лазеру розсіювати тепло, але навіть за водяного охолодження розсіювання тепла обмежить його продуктивність. П'ять років тому дослідники сподівалися отримати вищу потужність за рахунок збільшення рівня легування та розміру внутрішньої серцевини, але Йохан Нільссон з Університету Саутгемптона сказав, що при високій середній потужності, оскільки залишкове тепло важко видалити з волокна, " обмеження теплового ефекту повернулося».
