ด้วยเลเซอร์ไฟเบอร์โหมดเดียวที่กำลังเติบโตถึง 10 กิโลวัตต์และเลเซอร์ไฟเบอร์หลายโหมดที่กำลังเติบโตถึง 50 กิโลวัตต์ เลเซอร์ไฟเบอร์จึงก้าวออกจากภาคอุตสาหกรรมและเข้าสู่การใช้งานทางทหาร โดยกลายมาเป็นตัวเลือกสำหรับอาวุธเลเซอร์พลังงานสูงที่ติดตั้งในสนามรบ
ในยุคแรกของเทคโนโลยีเลเซอร์ วิธีที่ดีที่สุดในการรับเอาต์พุตเลเซอร์กำลังสูงคือการสกัดพลังงานจากวัสดุเลเซอร์ปริมาณมาก ยังคงมีการใช้งานบางประเภทที่ใช้แนวทางนี้ เช่น National Ignition Facility (NIF) ที่ Lake Trent National Laboratory ซึ่งใช้เครื่องขยายสัญญาณแก้วขนาดใหญ่เพื่อขยายพัลส์เป็น 1.8 M แต่สำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมหลายๆ ประเภท ไฟเบอร์ที่เจือด้วยอิตเทอร์เบียมได้กลายเป็นตัวเลือกที่เหมาะสำหรับสื่อเลเซอร์กำลังสูง
เลเซอร์ไฟเบอร์ได้พัฒนาไปไกลมากในแง่ของพลังงานตั้งแต่ Elilas Snitzer ประดิษฐ์เลเซอร์ไฟเบอร์ตัวแรกในปี 1963 ในเดือนมิถุนายน 2009 IPG Photonics เปิดตัวเลเซอร์ไฟเบอร์โหมดเดียวแบบคลื่นต่อเนื่องที่มีพลังงานเอาต์พุต 10 กิโลวัตต์ที่งาน Munich Laser Show และ Solid-State Laser and Semiconductor Laser Conference ซึ่งจัดโดย Directed Energy Professionals Society (DEPS) Bi Shiner รองประธานฝ่ายตลาดอุตสาหกรรมของ IPG Photonics กล่าวว่า IPG ได้ผลิตเลเซอร์ไฟเบอร์หลายโหมดที่มีพลังงานเอาต์พุตสูงถึง 50 กิโลวัตต์ และ Raytheon ได้ทดสอบการใช้งานที่เป็นไปได้ของเลเซอร์เหล่านี้ในฐานะอาวุธเลเซอร์ อย่างไรก็ตาม ธุรกิจหลักของ IPG ยังคงเป็นการใช้งานการประมวลผลวัสดุในอุตสาหกรรม ตั้งแต่การตัดเวเฟอร์ซิลิกอนสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์ไปจนถึงการเชื่อมแผ่นโลหะด้วยหุ่นยนต์
เหตุใดจึงควรเลือกไฟเบอร์?
เลเซอร์ไฟเบอร์นั้นคล้ายกับเลเซอร์แบบปั๊มไดโอดอื่นๆ โดยพื้นฐานแล้วเลเซอร์แบบปั๊มจะแปลงเลเซอร์แบบปั๊มคุณภาพต่ำให้เป็นเลเซอร์เอาต์พุตคุณภาพสูง ซึ่งสามารถใช้ได้ในหลายสาขา เช่น การรักษาทางการแพทย์ การประมวลผลวัสดุ และอาวุธเลเซอร์ ในแง่ของการบรรลุเอาต์พุตกำลังสูง เลเซอร์ไฟเบอร์มีข้อได้เปรียบที่สำคัญสองประการ ประการแรกคือกระบวนการเปลี่ยนแสงปั๊มเป็นแสงเอาต์พุตคุณภาพสูง ซึ่งมีประสิทธิภาพการแปลงสูง และประการที่สองคือความสามารถในการกระจายความร้อนที่ดี
เหตุผลที่เลเซอร์ไฟเบอร์สามารถให้ประสิทธิภาพสูงได้นั้น ส่วนใหญ่เกิดจากการปั๊มไดโอด การคัดเลือกสื่อการเจือปนเกนอย่างระมัดระวัง และการออกแบบไฟเบอร์ที่เหมาะสม ไฟเบอร์ออปติกที่ใช้ในเลเซอร์ไฟเบอร์กำลังสูงประกอบด้วยแกนในที่เจือปนด้วยสื่อการเจือปนเกนและแกนนอกที่จำกัดแสงปั๊ม แสงปั๊มสามารถเข้าสู่แกนนอกได้ผ่านหน้าปลายของไฟเบอร์ หรือเชื่อมต่อเข้ากับแกนนอกตามด้านข้างของไฟเบอร์ในทิศทางเกือบขนานกับแกนไฟเบอร์ (ดูรูปที่ 1) วิธีหลังนี้เรียกว่า "การปั๊มด้านข้าง" แต่ไม่ได้หมายความว่าแสงปั๊มจะเข้าสู่โพรงเลเซอร์ในแนวขวางเหมือนเลเซอร์ขนาดใหญ่ เมื่อแสงปั๊มถูกนำเข้าไปในแกนนอกแล้ว แสงจะผ่านแกนในซ้ำๆ ตามไฟเบอร์เพื่อให้เกิดการปั๊มที่มีประสิทธิภาพ จากนั้น รังสีที่ถูกกระตุ้นจะเคลื่อนไปตามแกนในและสะสมพลังงานอย่างต่อเนื่องเพื่อส่งแสงเลเซอร์ที่มีความเข้มสูง
เลเซอร์ไฟเบอร์ส่วนใหญ่มีสารเจือปน ซึ่งเป็นเพราะกระจกแบบเลือกได้สามารถรับการสูญเสียควอนตัมเล็กน้อย (ความแตกต่างของพลังงานระหว่างโฟตอนของปั๊มและโฟตอนเอาต์พุต) เมื่อใช้แสงปั๊มขนาด 975 นาโนเมตรเพื่อผลิตแสงเอาต์พุตขนาด 1,035 นาโนเมตร ค่าการสูญเสียควอนตัมจะอยู่ที่ 6% เท่านั้น เมื่อเปรียบเทียบแล้ว การสูญเสียควอนตัมของเลเซอร์ที่เติมสารเจือปนด้วยนีโอไดเมียมที่เติมสารเจือปนด้วยไฟเบอร์ที่ 808 นาโนเมตรและเอาต์พุตขนาด 1,064 นาโนเมตรจะสูงถึง 20% การสูญเสียควอนตัมที่น้อยกว่าทำให้ประสิทธิภาพการปั๊มออปติคอล-ออปติคอลของเลเซอร์ที่เติมสารเจือปนด้วยไฟเบอร์เกิน 60% ซึ่งเมื่อรวมกับประสิทธิภาพการแปลงไฟฟ้า-ออปติคอล 50% ของไดโอดปั๊ม หมายความว่าประสิทธิภาพการแปลงรวมของเลเซอร์ไฟเบอร์สามารถไปถึง 30% ได้
โครงสร้างไฟเบอร์มีพื้นที่ผิวขนาดใหญ่ต่อหน่วยปริมาตร ซึ่งช่วยให้ไฟเบอร์เลเซอร์ระบายความร้อนได้ แต่แม้จะระบายความร้อนด้วยน้ำแล้ว การกระจายความร้อนก็ยังจำกัดประสิทธิภาพของเลเซอร์อยู่ดี เมื่อ 5 ปีก่อน นักวิจัยหวังว่าจะส่งพลังงานที่สูงขึ้นได้โดยเพิ่มระดับการเจือปนและขนาดของแกนใน แต่โยฮัน นิลส์สันจากมหาวิทยาลัยเซาแทมป์ตันกล่าวว่าที่พลังงานเฉลี่ยสูง เนื่องจากความร้อนตกค้างนั้นกำจัดออกจากไฟเบอร์ได้ยาก "ข้อจำกัดของเอฟเฟกต์ความร้อนก็กลับมาอีกครั้ง"
