Tek modlu fiber lazerler 10 kW'a, çok modlu fiber lazerler ise 50 kW'a ulaştığında, fiber lazerler endüstriyel alandan çıkıp askeri uygulamalara da girmeye başlıyor ve savaş alanlarında konuşlandırılan yüksek enerjili lazer silahları için aday haline geliyor.
Lazer teknolojisinin ilk zamanlarında, yüksek güçlü lazer çıktısı elde etmenin en iyi yolu büyük hacimli lazer malzemesinden enerji çıkarmaktı. Lake Trent Ulusal Laboratuvarı'ndaki Ulusal Ateşleme Tesisi (NIF) gibi bu yaklaşımı kullanan bazı uygulamalar hala mevcuttur ve bu tesis, darbeleri 1,8 M'ye yükseltmek için büyük cam amplifikatörler kullanmaktadır. Ancak birçok endüstriyel uygulama için, iterbiyum katkılı fiber yüksek güçlü lazer ortamı için ideal seçim haline gelmiştir.
Fiber lazerler, Elilas Snitzer'in 1963'te ilk fiber lazeri icat etmesinden bu yana güç açısından uzun bir yol kat etti. Haziran 2009'da IPG Photonics, Münih Lazer Fuarı'nda ve Yönlendirilmiş Enerji Profesyonelleri Derneği (DEPS) tarafından düzenlenen Katı Hal Lazer ve Yarı İletken Lazer Konferansı'nda 10KW çıkış gücüne sahip sürekli dalga tek modlu bir fiber lazer piyasaya sürdü. IPG Photonics'te endüstriyel pazarlar başkan yardımcısı olan Bi Shiner, IPG'nin 50kW'a kadar çıkış gücüne sahip çok modlu fiber lazerler ürettiğini ve Raytheon'un bunların lazer silahları olarak potansiyel uygulamalarını test ettiğini söyledi. Ancak IPG'nin ana işi hala güneş pilleri için silikon gofretleri kesmekten metal plakaların robotik kaynaklanmasına kadar endüstriyel malzeme işleme uygulamalarıdır.
Neden lif tercih edilmeli?
Diğer diyot pompalı lazerlere benzer şekilde, fiber lazerler esasen düşük kaliteli pompa lazerlerini, tıbbi tedavi, malzeme işleme ve lazer silahları gibi birçok alanda kullanılabilen daha yüksek kaliteli lazer çıktılarına dönüştürür. Yüksek güç çıktısı elde etme açısından, fiber lazerlerin iki önemli avantajı vardır: biri, yüksek dönüşüm verimliliğine sahip pompa ışığından yüksek kaliteli çıktı ışığına geçiş sürecidir; diğeri ise iyi ısı dağıtma kapasitesidir.
Fiber lazerlerin yüksek verimliliğe ulaşabilmesinin nedeni esas olarak diyot pompalaması, kazanç katkılama ortamının dikkatli seçimi ve optimize edilmiş fiber tasarımıdır. Yüksek güçlü fiber lazerlerde kullanılan optik fiber, kazanç ortamı ile katkılanmış bir iç çekirdek ve pompa ışığını sınırlayan bir dış çekirdek içerir. Pompa ışığı, fiberin uç yüzünden dış çekirdeğe girebilir veya fiber eksenine neredeyse paralel bir yönde fiberin kenarı boyunca dış çekirdeğe bağlanabilir (bkz. Şekil 1). İkinci yönteme "yan pompalama" denir, ancak bu, pompa ışığının lazer boşluğuna bir yığın lazer gibi yanal olarak girdiği anlamına gelmez. Pompa ışığı dış çekirdeğe sokulduğunda, verimli pompalama elde etmek için fiber boyunca iç çekirdekten tekrar tekrar geçecektir. Daha sonra, uyarılmış radyasyon iç çekirdek boyunca iletilir ve yüksek yoğunluklu lazer ışığı çıkışı için sürekli olarak enerji biriktirir.
Çoğu fiber lazerin, seçici aynanın küçük bir kuantum kaybı (pompa fotonu ile çıkış fotonu arasındaki enerji farkı) elde edebilmesi nedeniyle katkı maddeleri vardır. 1035 nm çıkış ışığı üretmek için 975 nm pompa ışığı kullanıldığında, kuantum kaybı değeri yalnızca %6'dır. Karşılaştırıldığında, 808 nm'de pompalanan ve 1064 nm'de çıkış veren neodimyum katkılı bir lazerin kuantum kaybı %20 kadar yüksektir. Daha küçük kuantum kayıpları, fiber katkılı lazerlerin optik-optik pompalama verimliliğinin %60'ı aşmasına izin verir; bu, pompa diyotunun %50'lik elektro-optik dönüşüm verimliliğiyle birleştiğinde, fiber lazerin toplam dönüşüm verimliliğinin %30'a ulaşabileceği anlamına gelir.
Lif yapısı, birim hacim başına büyük bir yüzey alanına sahiptir ve bu, lif lazerinin ısıyı dağıtmasına yardımcı olur, ancak su soğutmasıyla bile, ısı dağılımı performansını sınırlayacaktır. Beş yıl önce, araştırmacılar doping seviyesini ve iç çekirdeğin boyutunu artırarak daha yüksek güçler üretmeyi umuyorlardı, ancak Southampton Üniversitesi'nden Johan Nilsson, yüksek ortalama güçlerde, artık ısının liflerden uzaklaştırılmasının zor olması nedeniyle "termal etki sınırlamasının geri döndüğünü" söyledi.
