Com lasers de fibra monomodo atingindo 10 kW e lasers de fibra multimodo atingindo 50 kW, os lasers de fibra estão saindo do campo industrial e entrando em aplicações militares, tornando-se candidatos para armas de laser de alta energia implantadas no campo de batalha.
Nos primórdios da tecnologia laser, a melhor maneira de obter saída de laser de alta potência era extrair energia de grandes volumes de material laser. Ainda há algumas aplicações que usam essa abordagem, como a National Ignition Facility (NIF) no Lake Trent National Laboratory, que usa grandes amplificadores de vidro para amplificar pulsos para 1,8 M. Mas para muitas aplicações industriais, a fibra dopada com itérbio se tornou a escolha ideal para mídia laser de alta potência.
Os lasers de fibra percorreram um longo caminho em termos de potência desde que Elilas Snitzer inventou o primeiro laser de fibra em 1963. Em junho de 2009, a IPG Photonics lançou um laser de fibra monomodo de onda contínua com uma potência de saída de 10 kW no Munich Laser Show e na Solid-State Laser and Semiconductor Laser Conference, organizada pela Directed Energy Professionals Society (DEPS). Bi Shiner, vice-presidente de mercados industriais da IPG Photonics, disse que a IPG produziu lasers de fibra multimodo com potências de saída de até 50 kW, e a Raytheon testou suas potenciais aplicações como armas a laser. No entanto, o principal negócio da IPG ainda é para aplicações de processamento de materiais industriais, desde o corte de wafers de silício para células solares até a soldagem robótica de placas de metal.
Por que escolher fibra?
Semelhante a outros lasers bombeados por diodo, os lasers de fibra essencialmente convertem lasers de bombeamento de baixa qualidade em saídas de laser de qualidade superior, que podem ser usadas em muitos campos, como tratamento médico, processamento de materiais e armas a laser. Em termos de obtenção de saída de alta potência, os lasers de fibra têm duas vantagens importantes: uma é o processo de luz de bombeamento para luz de saída de alta qualidade, que tem alta eficiência de conversão; a outra é boa capacidade de dissipação de calor.
A razão pela qual os lasers de fibra podem atingir alta eficiência é principalmente devido ao bombeamento de diodo, seleção cuidadosa de meios de dopagem de ganho e design de fibra otimizado. A fibra óptica usada em lasers de fibra de alta potência contém um núcleo interno dopado com meio de ganho e um núcleo externo que confina a luz de bombeamento. A luz de bombeamento pode entrar no núcleo externo através da face final da fibra ou ser acoplada ao núcleo externo ao longo da lateral da fibra em uma direção quase paralela ao eixo da fibra (veja a Figura 1). O último método é chamado de "bombeamento lateral", mas não significa que a luz de bombeamento entre na cavidade do laser lateralmente como um laser em massa. Uma vez que a luz de bombeamento é introduzida no núcleo externo, ela passará repetidamente pelo núcleo interno ao longo da fibra para obter bombeamento eficiente. Posteriormente, a radiação estimulada é conduzida ao longo do núcleo interno e acumula energia continuamente para emitir luz laser de alta intensidade.
A maioria dos lasers de fibra tem dopantes, o que ocorre porque o espelho seletivo pode obter uma pequena perda quântica (a diferença de energia entre o fóton da bomba e o fóton de saída). Ao usar luz de bomba de 975 nm para produzir luz de saída de 1035 nm, o valor da perda quântica é de apenas 6%. Em comparação, a perda quântica de um laser dopado com neodímio bombeado a 808 nm e com saída a 1064 nm é de até 20%. Perdas quânticas menores permitem que a eficiência de bombeamento óptico-óptico de lasers dopados com fibra exceda 60%, o que, combinado com a eficiência de conversão eletro-óptica de 50% do diodo da bomba, significa que a eficiência de conversão total do laser de fibra pode atingir 30%.
A estrutura da fibra tem uma grande área de superfície por unidade de volume, o que ajuda o laser de fibra a dissipar calor, mas mesmo com resfriamento a água, a dissipação de calor limitará seu desempenho. Cinco anos atrás, os pesquisadores esperavam produzir potências maiores aumentando o nível de dopagem e o tamanho do núcleo interno, mas Johan Nilsson, da Universidade de Southampton, disse que em potências médias altas, como o calor residual é difícil de remover da fibra, "a limitação do efeito térmico está de volta".
