단일모드 파이버 레이저가 10KW에 달하고 다중모드 파이버 레이저가 50KW에 달하면서 파이버 레이저는 산업 분야를 벗어나 군사용으로도 적용되고 있으며, 전장에 배치되는 고에너지 레이저 무기의 후보가 되고 있습니다.
레이저 기술의 초기에는 고출력 레이저 출력을 얻는 가장 좋은 방법은 대량의 레이저 재료에서 에너지를 추출하는 것이었습니다. 이 접근 방식을 사용하는 일부 응용 프로그램이 여전히 있는데, 예를 들어 레이크 트렌트 국립 연구소의 국립 점화 시설(NIF)은 대형 유리 증폭기를 사용하여 펄스를 1.8M로 증폭합니다. 그러나 많은 산업 응용 분야에서 이터비움 도핑 파이버는 고출력 레이저 매체에 이상적인 선택이 되었습니다.
파이버 레이저는 1963년 Elilas Snitzer가 최초의 파이버 레이저를 발명한 이래로 전력 면에서 큰 발전을 이루었습니다. 2009년 6월, IPG Photonics는 뮌헨 레이저 쇼와 DEPS(Directed Energy Professionals Society)가 주최한 Solid-State Laser and Semiconductor Laser Conference에서 출력 전력 10KW의 연속파 단일 모드 파이버 레이저를 출시했습니다. IPG Photonics의 산업 시장 부사장인 Bi Shiner는 IPG가 최대 출력 전력 50kW의 멀티모드 파이버 레이저를 생산했으며 Raytheon이 레이저 무기로서의 잠재적 응용 분야를 테스트했다고 말했습니다. 그러나 IPG의 주요 사업은 여전히 태양 전지용 실리콘 웨이퍼 절단부터 금속판의 로봇 용접에 이르기까지 산업용 소재 가공 분야입니다.
왜 섬유를 선택하시나요?
다른 다이오드 펌핑 레이저와 마찬가지로 파이버 레이저는 본질적으로 저품질 펌프 레이저를 고품질 레이저 출력으로 변환하여 의료, 재료 가공 및 레이저 무기와 같은 많은 분야에서 사용할 수 있습니다. 고출력 출력을 달성하는 측면에서 파이버 레이저는 두 가지 중요한 장점이 있습니다. 하나는 펌프 광에서 고품질 출력 광으로의 프로세스로 변환 효율이 높고, 다른 하나는 우수한 방열 용량입니다.
파이버 레이저가 높은 효율을 달성할 수 있는 이유는 주로 다이오드 펌핑, 이득 도핑 매체의 신중한 선택 및 최적화된 파이버 설계 때문입니다. 고출력 파이버 레이저에 사용되는 광섬유는 이득 매체로 도핑된 내부 코어와 펌프 광을 가두는 외부 코어를 포함합니다. 펌프 광은 파이버의 끝면을 통해 외부 코어로 들어가거나 파이버 축과 거의 평행한 방향으로 파이버 측면을 따라 외부 코어에 결합될 수 있습니다(그림 1 참조). 후자의 방법을 "측면 펌핑"이라고 하지만 펌프 광이 벌크 레이저처럼 측면으로 레이저 캐비티에 들어간다는 것을 의미하지는 않습니다. 펌프 광이 외부 코어에 도입되면 효율적인 펌핑을 달성하기 위해 파이버를 따라 내부 코어를 반복적으로 통과합니다. 그런 다음 자극된 방사선이 내부 코어를 따라 전도되고 지속적으로 에너지를 축적하여 고강도 레이저 광을 출력합니다.
대부분의 파이버 레이저는 도펀트를 가지고 있는데, 이는 선택적 거울이 작은 양자 손실(펌프 광자와 출력 광자 사이의 에너지 차이)을 얻을 수 있기 때문입니다. 975nm 펌프 광을 사용하여 1035nm 출력 광을 생성할 때 양자 손실 값은 6%에 불과합니다. 이에 비해 808nm에서 펌핑하고 1064nm에서 출력하는 네오디뮴 도핑 레이저의 양자 손실은 20%에 달합니다. 양자 손실이 작을수록 파이버 도핑 레이저의 광학-광학 펌핑 효율이 60%를 초과할 수 있으며, 펌프 다이오드의 50% 전기-광학 변환 효율과 결합하면 파이버 레이저의 전체 변환 효율이 30%에 도달할 수 있습니다.
섬유 구조는 단위 부피당 표면적이 크기 때문에 섬유 레이저가 열을 발산하는 데 도움이 되지만, 수냉을 사용하더라도 열 발산은 성능을 제한합니다. 5년 전 연구자들은 도핑 수준과 내부 코어의 크기를 늘려 더 높은 출력을 낼 수 있기를 바랐지만, 사우스햄튼 대학교의 요한 닐슨은 높은 평균 출력에서는 섬유에서 잔류 열을 제거하기 어렵기 때문에 "열 효과 제한이 돌아왔습니다."라고 말했습니다.
