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二极管泵浦圆盘激光器将YAG推向新时代

时间：2011-12-31 22:52:03  来源： 打印本文

二极管泵浦圆盘激光器将YAG推向新时代

2005/8/18/15:50来源：中国激光网作者：单振国 译    什么原因使圆盘形状如此理想？圆盘激光技术是怎样突破棒状激光器光束质量和固有的光纤长度限制的？回答了这些问题，人们就会理解：圆盘激光器是怎样将YAG激光技术推向一个新时代的。 在谈到二极管泵浦圆盘激光器的时候,许多产品和处理方法都隐含在“圆盘”一词之中。它们的独特形状和解决棒状激光器存在的光束质量和传输问题的能力，使圆盘激光器成了最具有创新意义的选择。除了改善电效率、光束质量、焦距、离散和光斑大小等性能之外，用二极管泵浦圆盘激光器进行材料加工时，还有许多明显的优点。 圆盘特征     从二极管泵浦圆盘激光器得到的较高光束质量(与灯泵和二极管泵浦棒状激光器相比)主要与激光介质的散热能力有关。YAG棒(直径约6毫米，长度150毫米)通常用水通过棒的外围，进行循环冷却。这样做的结果是：棒的外围相对较冷，而棒的中心部位仍然很热，中心线的温度最高。这个温度差会在棒中引起热梯度和热畸变,从而限制了棒状YAG激光器的光束质量。相比起来，圆盘(直径约14毫米，厚0.2毫米)装在水冷的铜块(热沉)上面, 同时，它还作为一个腔镜。 因为圆盘的面是装在热沉上的，圆盘又很薄（面积与激光受激体积之比很高），因此冷却效率很高，所产生的热梯度，可以忽略。另外，与棒状激光器一样，圆盘激光器也可以用串联的方法耦合在一起，以增加它的输出功率。
    除了光束质量好很多之外, 与棒状激光器相比，圆盘激光器还有另一个重要的优点：圆盘激光器允许采用较长的光纤来传输光束。尽管要从物理上完全解释这一现象比较复杂,但我们可从以下几个方面作一些简单的说明。首先，背反射(从工件或从光纤端面产生的)可以返回到激光谐振腔中。这个背反射光可用来进一步泵浦激光材料(棒或圆盘)，泵浦量与YAG材料的体积有关。在一个掺镱:YAG(Yb:YAG)的圆盘中，激光材料的体积，比棒状Nd:YAG激光材料的体积(约为4240mm3)小得多。棒的背反射泵浦可能引起极高的峰值功率。这样的峰值功率可能会破坏内部光学元件和光纤电缆。背反射量是光纤长度、光纤芯径和激光功率的函数(光纤越长、纤芯越小、功率越高，产生的背反射就越大)。对圆盘激光器来说,因为它的YAG体积小, 背反射能量产生的激射可以忽略,因此光纤长度不再受这种现象限制。
    圆盘激光器（二极管泵浦棒状激光器也是如此）最后的一个优点是很值得注意的：泵浦圆盘的光能来自二极管激光器。这与灯（如弧光灯）泵激光器相比，优点特别突出。它们之间的差别是：二极管激光器产生很狭的波长范围(几乎全部光能都对激光有用),而灯的波长范围非常宽,大部分对激光的产生无用，反而产生没有用的热能。这是使圆盘激光器的总电光效率大于15%的基本原因,典型灯泵激光器的总电光效率仅为3%到4%(而二极管泵浦棒状激光器的总电光效率约为10%)。 光束质量方面的优势     在谈及光束聚焦能力和激光在工件上的功率密度时，光束质量问题就变得十分重要了。但是，光束必须首先被聚焦到光纤中，在确定传输光束的光纤大小时，光束质量是最重要的因素。光束质量, 有时也称“光束参数积”,或BPP,是光束半径和光束半发散角的积,用毫米-毫弧度表达。 对将光束聚焦进光纤而言，光束半径是指聚焦光束在光纤入口处的半径，而光束半发散角则等于耦合光束的半角。为了产生较稳定的激光装置，在光纤入口处的聚焦光斑必须小于光纤芯径, 要小到可以用即插即用的方式更换光纤(在现场更换光缆，而无需进行任何调节的能力)。     纤芯直径(φc)与在工件上的聚焦光斑(d)有直接关系，因此与也功率密度有关，这种关系可用下式表示：
    d =φc (f/fc) 其中，f是聚焦光学系统的焦距，fc是准直光学系统的焦距。
    因此,纤芯直径越小,聚焦光斑的直径也越小。但是，光有聚焦成小光斑的能力是不够的。还要考虑功率密度问题。功率密度(Pd)是指：单位聚焦光斑面积的激光功率(P)(面积=πd2/4)
    Pd =4 P /πd2
    所以，当将二极管泵浦圆盘激光器（Trumpf型号HLD 4002, 在工件上的功率高达4千瓦， 直径光纤为200μm)与灯泵棒状激光器(Trumpf 模型 HL 4006,在工件上的功率高达4千瓦， 直径光纤为600μm)进行光斑大小和功率密度比较时，光束质量的优越性，就可通过所产生的功率密度或焦距清楚地看出。     较高的功率密度可用来产生高速、较狭的焊缝，或者通过采用长焦距透镜，产生低速、较宽的焊缝。与短焦距透镜相比，采用长焦距透镜的好处是：它使加工光学元件能远离焊接烟雾和溅污, 而且产生了大得多的聚焦深度(或较大的加工窗口)。     对焊接应用来说，最有意义的聚焦深度关系（景深）是所谓的5%定义。 5%聚焦深度(L5%)定义为这样的一个范围，在这个范围内，光斑大小变化不超过5%。换句话说，如果“在焦点”的光斑为0.1毫米, 聚焦深度为5%的话，则光斑大小不会大于0.105毫米。L5%依赖于聚焦光斑大小(d)、输出光束质量(BQexit)和激光波长(λ，灯泵YAG为1064nm，二极管泵浦圆盘激光器为1030nm),它们之间的关系可用下式表示：                      L5% = d2/(6λBQexit)       因此，任何激光器的光束质量可直接说明它的聚焦能力，及光斑大小、焦距和聚焦深度等相关参数。 远距离焊接     几年来，在CO2激光器领域中，焊接零件的独特概念一直在发展。这种焊接过程（它以远距离焊接闻名于世）仅在增加功率并具有很好的光束质量(如Trumpf TLF 6000 HQ,6千瓦激光器，近高斯分布)时，才有可能实现。由于圆盘激光器的光束质量很好，远距离焊接也可以用YAG激光器实现。
    不像CO2激光器远距离焊接系统那样，需采用具有飞行光学元件的桶架式结构来传送光束， YAG远距离焊接可利用纤维光学的光束传送能力,将光耦合到装在机械手上的扫描头上。在CO2和YAG远距离焊接之间有许多差别，在评估任何远距离焊接系统时，这些差别应该考虑。它们也为进一步研究和分析提供了线索。
    圆盘激光器的极好光束质量允许光束通过更小直径的光缆传送，因此，在给定的焦距，可产生更小的聚焦光斑直径（用于快速加工的功率密度更高), 或者，对给定的聚焦光斑大小，可产生更大的加工景深(更大的加工窗口，更稳定和更远的焊接能力)。