シングルモードファイバーレーザーは10KWに達し、マルチモードファイバーレーザーは50KWに達し、ファイバーレーザーは産業分野から抜け出して軍事用途に進出し、戦場で配備される高エネルギーレーザー兵器の候補になりつつあります。
レーザー技術の初期の頃、高出力レーザー出力を得るための最良の方法は、大量のレーザー材料からエネルギーを抽出することでした。このアプローチを採用しているアプリケーションは今でもいくつかあります。たとえば、レイクトレント国立研究所の国立点火施設 (NIF) では、大型のガラス増幅器を使用してパルスを 1.8 M まで増幅します。しかし、多くの産業アプリケーションでは、イッテルビウム添加ファイバーが高出力レーザー媒体の理想的な選択肢となっています。
1963 年に Elilas Snitzer が最初のファイバー レーザーを発明して以来、ファイバー レーザーは出力の面で大きく進歩してきました。2009 年 6 月、IPG Photonics は、ミュンヘン レーザー ショーと、指向性エネルギー専門家協会 (DEPS) が主催した固体レーザーおよび半導体レーザー会議で、出力 10KW の連続波シングル モード ファイバー レーザーを発表しました。IPG Photonics の産業市場担当副社長である Bi Shiner 氏は、IPG は最大出力 50kW のマルチモード ファイバー レーザーを製造しており、Raytheon はレーザー兵器としての潜在的な用途をテストしたと述べています。ただし、IPG の主な事業は、太陽電池用のシリコン ウェーハの切断から金属板のロボット溶接まで、依然として産業用材料処理アプリケーションです。
なぜファイバーを選ぶのですか?
他のダイオード励起レーザーと同様に、ファイバーレーザーは基本的に低品質の励起レーザーを高品質のレーザー出力に変換し、医療、材料加工、レーザー兵器など多くの分野で使用できます。高出力を達成するという点では、ファイバーレーザーには2つの重要な利点があります。1つは励起光から高品質の出力光へのプロセスであり、変換効率が高く、もう1つは放熱能力が優れていることです。
ファイバーレーザーが高効率を達成できる理由は、主にダイオードポンピング、ゲインドーピング媒体の慎重な選択、および最適化されたファイバー設計によるものです。高出力ファイバーレーザーで使用される光ファイバーには、ゲイン媒体がドープされた内部コアと、ポンプ光を閉じ込める外部コアが含まれています。ポンプ光は、ファイバーの端面から外部コアに入るか、ファイバー軸とほぼ平行な方向にファイバーの側面に沿って外部コアに結合されます（図1を参照）。後者の方法は「サイドポンピング」と呼ばれますが、バルクレーザーのようにポンプ光がレーザーキャビティに横方向に入ることを意味するものではありません。ポンプ光が外部コアに導入されると、ファイバーに沿って内部コアを繰り返し通過し、効率的なポンピングを実現します。その後、誘導放射は内部コアに沿って伝導され、継続的にエネルギーを蓄積して高強度レーザー光を出力します。
ほとんどのファイバーレーザーにはドーパントが含まれています。これは、選択ミラーが小さな量子損失（ポンプ光子と出力光子のエネルギー差）を得ることができるためです。975nmのポンプ光を使用して1035nmの出力光を生成する場合、量子損失値はわずか6％です。比較すると、808nmでポンプされ、1064nmで出力されるネオジムドープレーザーの量子損失は20％にもなります。量子損失が小さいため、ファイバードープレーザーの光光ポンピング効率は60％を超え、ポンプダイオードの50％の電気光変換効率と組み合わせると、ファイバーレーザーの総変換効率は30％に達する可能性があります。
ファイバー構造は単位体積当たりの表面積が大きく、ファイバーレーザーの熱放散に役立ちますが、水冷を使用しても熱放散によって性能が制限されます。5年前、研究者はドーピングレベルと内部コアのサイズを増やすことで出力をさらに高めたいと考えていましたが、サウサンプトン大学のヨハン・ニルソン氏は、平均出力が高い場合、残留熱をファイバーから除去するのが難しいため、「熱効果の制限が再び生じる」と述べています。
