مع وصول الليزر الليفي أحادي الوضع إلى 10 كيلو وات والليزر الليفي متعدد الأوضاع إلى 50 كيلو وات، بدأ الليزر الليفي في الخروج من المجال الصناعي ودخول التطبيقات العسكرية، ليصبح مرشحًا للأسلحة الليزرية عالية الطاقة المستخدمة في ساحة المعركة.
في الأيام الأولى لتكنولوجيا الليزر، كانت أفضل طريقة للحصول على ناتج ليزر عالي الطاقة هي استخراج الطاقة من كميات كبيرة من مادة الليزر. لا تزال هناك بعض التطبيقات التي تستخدم هذا النهج، مثل منشأة الإشعال الوطنية (NIF) في مختبر بحيرة ترينت الوطني، والتي تستخدم مكبرات زجاجية كبيرة لتضخيم النبضات إلى 1.8 م. ولكن بالنسبة للعديد من التطبيقات الصناعية، أصبحت الألياف المخصبة بالإيتربيوم الخيار الأمثل لوسائط الليزر عالية الطاقة.
لقد قطعت ليزرات الألياف شوطًا طويلاً من حيث الطاقة منذ أن اخترع إلياس سنيتزر أول ليزر ألياف في عام 1963. في يونيو 2009، أطلقت شركة IPG Photonics ليزر ألياف أحادي الوضع مستمر الموجة بقوة خرج تبلغ 10 كيلو وات في معرض ميونيخ لليزر ومؤتمر الليزر ذي الحالة الصلبة وأشباه الموصلات الذي استضافته جمعية محترفي الطاقة الموجهة (DEPS). قال بي شينر، نائب رئيس الأسواق الصناعية في شركة IPG Photonics، إن شركة IPG أنتجت ليزرات ألياف متعددة الأوضاع بقوة خرج تصل إلى 50 كيلو وات، وقد اختبرت شركة Raytheon تطبيقاتها المحتملة كأسلحة ليزر. ومع ذلك، لا يزال العمل الرئيسي لشركة IPG هو تطبيقات معالجة المواد الصناعية، من قطع رقائق السيليكون للخلايا الشمسية إلى اللحام الآلي للصفائح المعدنية.
لماذا تختار الألياف؟
على غرار الليزرات الأخرى التي تعمل بالديود، تعمل الليزرات الليفية على تحويل الليزرات ذات المضخة منخفضة الجودة إلى مخرجات ليزر عالية الجودة، والتي يمكن استخدامها في العديد من المجالات مثل العلاج الطبي ومعالجة المواد والأسلحة الليزرية. من حيث تحقيق خرج عالي الطاقة، تتمتع الليزرات الليفية بميزتين مهمتين: الأولى هي عملية تحويل ضوء المضخة إلى ضوء خرج عالي الجودة، والذي يتميز بكفاءة تحويل عالية؛ والثانية هي قدرة جيدة على تبديد الحرارة.
السبب وراء قدرة الليزر الليفي على تحقيق كفاءة عالية يرجع بشكل أساسي إلى ضخ الصمام الثنائي والاختيار الدقيق لوسائط تعزيز الكسب وتصميم الألياف الأمثل. تحتوي الألياف الضوئية المستخدمة في الليزر الليفي عالي الطاقة على قلب داخلي مُشَوَّب بوسط تعزيز الكسب وقلب خارجي يحصر ضوء المضخة. يمكن لضوء المضخة أن يدخل القلب الخارجي من خلال الوجه النهائي للألياف، أو أن يقترن بالقلب الخارجي على طول جانب الألياف في اتجاه موازٍ تقريبًا لمحور الألياف (انظر الشكل 1). تسمى الطريقة الأخيرة "الضخ الجانبي"، لكنها لا تعني أن ضوء المضخة يدخل تجويف الليزر جانبيًا مثل الليزر السائب. بمجرد إدخال ضوء المضخة في القلب الخارجي، فإنه سيمر مرارًا وتكرارًا عبر القلب الداخلي على طول الألياف لتحقيق ضخ فعال. بعد ذلك، يتم توصيل الإشعاع المحفز على طول القلب الداخلي ويتراكم باستمرار الطاقة لإخراج ضوء الليزر عالي الكثافة.
تحتوي معظم ليزرات الألياف على شوائب، وذلك لأن المرآة الانتقائية يمكنها الحصول على خسارة كمية صغيرة (فرق الطاقة بين فوتون المضخة والفوتون الناتج). عند استخدام ضوء المضخة بطول موجة 975 نانومتر لإنتاج ضوء خرج بطول موجة 1035 نانومتر، تكون قيمة الخسارة الكمية 6% فقط. وبالمقارنة، فإن الخسارة الكمية لليزر المشبع بالنيوديميوم المضخ عند 808 نانومتر والمخرج عند 1064 نانومتر تصل إلى 20%. تسمح الخسائر الكمية الأصغر لكفاءة الضخ الضوئية الضوئية لليزر المشبع بالألياف بتجاوز 60%، وهو ما يعني، عند دمجه مع كفاءة التحويل الكهروضوئية البالغة 50% لصمام المضخة، أن إجمالي كفاءة التحويل لليزر الألياف يمكن أن تصل إلى 30%.
تتميز بنية الألياف بمساحة سطح كبيرة لكل وحدة حجم، مما يساعد ليزر الألياف على تبديد الحرارة، ولكن حتى مع التبريد بالماء، فإن تبديد الحرارة سيحد من أدائه. قبل خمس سنوات، كان الباحثون يأملون في إنتاج قوى أعلى من خلال زيادة مستوى المنشطات وحجم النواة الداخلية، لكن يوهان نيلسون من جامعة ساوثهامبتون قال إنه عند متوسط القوى العالية، نظرًا لصعوبة إزالة الحرارة المتبقية من الألياف، "يعود الحد من التأثير الحراري".
