Με τα λέιζερ ινών απλής λειτουργίας να φτάνουν τα 10 KW και τα λέιζερ πολλαπλών ινών να φτάνουν τα 50 KW, τα λέιζερ οπτικών ινών ξεφεύγουν από το βιομηχανικό πεδίο και εισέρχονται σε στρατιωτικές εφαρμογές, καθιστώντας υποψήφια για όπλα λέιζερ υψηλής ενέργειας που αναπτύσσονται στο πεδίο της μάχης.
Στις πρώτες μέρες της τεχνολογίας λέιζερ, ο καλύτερος τρόπος για να αποκτήσετε έξοδο λέιζερ υψηλής ισχύος ήταν η εξαγωγή ενέργειας από μεγάλους όγκους υλικού λέιζερ. Υπάρχουν ακόμη ορισμένες εφαρμογές που χρησιμοποιούν αυτήν την προσέγγιση, όπως η Εθνική Εγκατάσταση Ανάφλεξης (NIF) στο Εθνικό Εργαστήριο Lake Trent, η οποία χρησιμοποιεί μεγάλους ενισχυτές γυαλιού για να ενισχύσει τους παλμούς στα 1,8 M. Αλλά για πολλές βιομηχανικές εφαρμογές, η ίνα με πρόσμιξη υττερβίου έχει γίνει η ιδανική επιλογή για μέσα λέιζερ υψηλής ισχύος.
Τα λέιζερ ινών έχουν διανύσει πολύ δρόμο όσον αφορά την ισχύ από τότε που ο Elilas Snitzer εφηύρε το πρώτο λέιζερ ινών το 1963. Τον Ιούνιο του 2009, η IPG Photonics κυκλοφόρησε ένα συνεχόμενο κύμα λέιζερ ινών μονής λειτουργίας με ισχύ εξόδου 10 KW στην Έκθεση Λέιζερ του Μονάχου και το Solid-State Laser and Semiconductor Laser Conference που φιλοξενείται από την Directed Energy Professionals Society (DEPS). Ο Bi Shiner, αντιπρόεδρος βιομηχανικών αγορών στην IPG Photonics, δήλωσε ότι η IPG έχει παράγει λέιζερ πολλαπλών ινών με ισχύ εξόδου έως και 50 kW και η Raytheon έχει δοκιμάσει τις πιθανές εφαρμογές τους ως όπλα λέιζερ. Ωστόσο, η κύρια δραστηριότητα της IPG εξακολουθεί να είναι οι εφαρμογές βιομηχανικής επεξεργασίας υλικών, από την κοπή πλακών πυριτίου για ηλιακά κύτταρα έως τη ρομποτική συγκόλληση μεταλλικών πλακών.
Γιατί να επιλέξετε φυτικές ίνες;
Παρόμοια με άλλα λέιζερ με αντλία διόδου, τα λέιζερ ινών ουσιαστικά μετατρέπουν τα λέιζερ αντλίας χαμηλής ποιότητας σε εξόδους λέιζερ υψηλότερης ποιότητας, τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε πολλούς τομείς όπως η ιατρική θεραπεία, η επεξεργασία υλικού και τα όπλα λέιζερ. Όσον αφορά την επίτευξη υψηλής ισχύος εξόδου, τα λέιζερ ινών έχουν δύο σημαντικά πλεονεκτήματα: το ένα είναι η διαδικασία από το φως της αντλίας στο φως εξόδου υψηλής ποιότητας, το οποίο έχει υψηλή απόδοση μετατροπής. το άλλο είναι η καλή ικανότητα απαγωγής θερμότητας.
Ο λόγος για τον οποίο τα λέιζερ ινών μπορούν να επιτύχουν υψηλή απόδοση οφείλεται κυρίως στην άντληση διόδων, στην προσεκτική επιλογή των μέσων ντόπινγκ απολαβής και στη βελτιστοποιημένη σχεδίαση ινών. Η οπτική ίνα που χρησιμοποιείται στα λέιζερ ινών υψηλής ισχύος περιέχει έναν εσωτερικό πυρήνα εμποτισμένο με μέσο απολαβής και έναν εξωτερικό πυρήνα που περιορίζει το φως της αντλίας. Το φως της αντλίας μπορεί να εισέλθει στον εξωτερικό πυρήνα μέσω της ακραίας όψης της ίνας ή να συζευχθεί στον εξωτερικό πυρήνα κατά μήκος της πλευράς της ίνας σε κατεύθυνση σχεδόν παράλληλη προς τον άξονα της ίνας (βλ. Εικόνα 1). Η τελευταία μέθοδος ονομάζεται "πλευρική άντληση", αλλά δεν σημαίνει ότι το φως της αντλίας εισέρχεται πλευρικά στην κοιλότητα του λέιζερ όπως ένα χύμα λέιζερ. Μόλις το φως της αντλίας εισαχθεί στον εξωτερικό πυρήνα, θα περάσει επανειλημμένα από τον εσωτερικό πυρήνα κατά μήκος της ίνας για να επιτευχθεί αποτελεσματική άντληση. Στη συνέχεια, η διεγερμένη ακτινοβολία διεξάγεται κατά μήκος του εσωτερικού πυρήνα και συσσωρεύει συνεχώς ενέργεια για την έξοδο φωτός λέιζερ υψηλής έντασης.
Τα περισσότερα λέιζερ ινών έχουν προσμίξεις, γεγονός που οφείλεται στο ότι το επιλεκτικό κάτοπτρο μπορεί να λάβει μια μικρή κβαντική απώλεια (η διαφορά ενέργειας μεταξύ του φωτονίου της αντλίας και του φωτονίου εξόδου). Όταν χρησιμοποιείτε φως αντλίας 975 nm για την παραγωγή φωτός εξόδου 1035 nm, η τιμή κβαντικής απώλειας είναι μόνο 6%. Συγκριτικά, η κβαντική απώλεια ενός λέιζερ με πρόσμειξη νεοδυμίου που αντλείται στα 808 nm και εξόδου στα 1064 nm είναι τόσο υψηλή όσο 20%. Μικρότερες κβαντικές απώλειες επιτρέπουν στην οπτικο-οπτική απόδοση άντλησης των λέιζερ με πρόσμειξη ινών να υπερβαίνει το 60%, το οποίο, σε συνδυασμό με την απόδοση ηλεκτρο-οπτικής μετατροπής 50% της διόδου αντλίας, σημαίνει ότι η συνολική απόδοση μετατροπής του λέιζερ ινών μπορεί να φτάσει το 30 %.
Η δομή ινών έχει μεγάλη επιφάνεια ανά μονάδα όγκου, η οποία βοηθά το λέιζερ ινών να διαχέει τη θερμότητα, αλλά ακόμη και με ψύξη νερού, η απαγωγή θερμότητας θα περιορίσει την απόδοσή του. Πριν από πέντε χρόνια, οι ερευνητές ήλπιζαν να παράγουν υψηλότερες δυνάμεις αυξάνοντας το επίπεδο ντόπινγκ και το μέγεθος του εσωτερικού πυρήνα, αλλά ο Johan Nilsson από το Πανεπιστήμιο του Σαουθάμπτον είπε ότι σε υψηλή μέση ισχύ, επειδή η υπολειπόμενη θερμότητα είναι δύσκολο να αφαιρεθεί από την ίνα. ο περιορισμός της θερμικής επίδρασης επέστρεψε».
