Mit Singlemode-Faserlasern von bis zu 10 kW und Multimode-Faserlasern von bis zu 50 kW verlassen Faserlaser den industriellen Bereich und finden Eingang in militärische Anwendungen, wo sie zu einem Kandidaten für Hochenergie-Laserwaffen werden, die auf dem Schlachtfeld zum Einsatz kommen.
In den Anfängen der Lasertechnologie bestand die beste Methode zur Erzeugung von Hochleistungslaserleistung darin, Energie aus großen Mengen Lasermaterial zu gewinnen. Es gibt noch immer einige Anwendungen, die diesen Ansatz verwenden, wie etwa die National Ignition Facility (NIF) am Lake Trent National Laboratory, die große Glasverstärker verwendet, um Impulse auf 1,8 M zu verstärken. Für viele industrielle Anwendungen sind jedoch Ytterbium-dotierte Fasern die ideale Wahl für Hochleistungslasermedien geworden.
Faserlaser haben in puncto Leistung seit der Erfindung des ersten Faserlasers durch Elilas Snitzer im Jahr 1963 einen langen Weg zurückgelegt. Im Juni 2009 stellte IPG Photonics auf der Münchner Laserschau und der von der Directed Energy Professionals Society (DEPS) veranstalteten Konferenz für Festkörperlaser und Halbleiterlaser einen Dauerstrich-Singlemode-Faserlaser mit einer Ausgangsleistung von 10 kW vor. Bi Shiner, Vizepräsident für Industriemärkte bei IPG Photonics, sagte, dass IPG Multimode-Faserlaser mit Ausgangsleistungen von bis zu 50 kW hergestellt habe und Raytheon ihre potenziellen Anwendungen als Laserwaffen getestet habe. Das Hauptgeschäft von IPG sind jedoch nach wie vor Anwendungen zur industriellen Materialverarbeitung, vom Schneiden von Silizium-Wafern für Solarzellen bis zum Roboterschweißen von Metallplatten.
Warum Faser wählen?
Ähnlich wie andere diodengepumpte Laser wandeln Faserlaser im Wesentlichen Pumplaser niedriger Qualität in Laserausgänge höherer Qualität um, die in vielen Bereichen wie medizinischer Behandlung, Materialverarbeitung und Laserwaffen eingesetzt werden können. In Bezug auf das Erreichen einer hohen Ausgangsleistung haben Faserlaser zwei wichtige Vorteile: Zum einen den Prozess vom Pumplicht zum hochwertigen Ausgangslicht, das eine hohe Umwandlungseffizienz aufweist; zum anderen die gute Wärmeableitungskapazität.
Der Grund, warum Faserlaser eine hohe Effizienz erreichen können, liegt hauptsächlich am Diodenpumpen, der sorgfältigen Auswahl des Verstärkungsdotierungsmediums und dem optimierten Faserdesign. Die in Hochleistungsfaserlasern verwendete optische Faser enthält einen mit einem Verstärkungsmedium dotierten inneren Kern und einen äußeren Kern, der das Pumplicht einschließt. Das Pumplicht kann durch die Endfläche der Faser in den äußeren Kern eintreten oder entlang der Seite der Faser in einer Richtung, die nahezu parallel zur Faserachse verläuft, in den äußeren Kern eingekoppelt werden (siehe Abbildung 1). Die letztere Methode wird als „Seitenpumpen“ bezeichnet, bedeutet jedoch nicht, dass das Pumplicht wie bei einem Massenlaser seitlich in die Laserkavität eintritt. Sobald das Pumplicht in den äußeren Kern eingeführt ist, durchläuft es wiederholt den inneren Kern entlang der Faser, um ein effizientes Pumpen zu erreichen. Anschließend wird die stimulierte Strahlung entlang des inneren Kerns geleitet und sammelt kontinuierlich Energie, um hochintensives Laserlicht auszugeben.
Die meisten Faserlaser sind dotiert, da der selektive Spiegel einen geringen Quantenverlust (die Energiedifferenz zwischen dem Pumpphoton und dem Ausgangsphoton) aufweisen kann. Bei Verwendung von 975 nm Pumplicht zur Erzeugung von 1035 nm Ausgangslicht beträgt der Quantenverlustwert nur 6 %. Zum Vergleich: Der Quantenverlust eines mit Neodym dotierten Lasers, der bei 808 nm gepumpt wird und bei 1064 nm ausgibt, beträgt bis zu 20 %. Geringere Quantenverluste ermöglichen eine optisch-optische Pumpleistung von faserdotierten Lasern von über 60 %, was in Kombination mit der elektrooptischen Umwandlungsleistung der Pumpdiode von 50 % bedeutet, dass die Gesamtumwandlungsleistung des Faserlasers 30 % erreichen kann.
Die Faserstruktur hat eine große Oberfläche pro Volumeneinheit, was dem Faserlaser hilft, Wärme abzuleiten. Doch selbst mit Wasserkühlung wird die Leistung durch die Wärmeableitung begrenzt. Vor fünf Jahren hofften Forscher, durch eine Erhöhung des Dotierungsniveaus und der Größe des inneren Kerns höhere Leistungen erzielen zu können. Doch Johan Nilsson von der Universität Southampton sagte, dass bei hohen Durchschnittsleistungen „die thermische Effektbegrenzung wieder da ist, weil sich Restwärme nur schwer aus der Faser entfernen lässt“.
