激光設備固體激光器

   氣體激光器使用的激光工作物質(zhì)由原子、離子或分子組成，而固體激光器使用晶體作為工作物質(zhì)。原子在固體材料里密度更大，因此與氣體相比不易移動(dòng)，但能吸收更多的激發(fā)能。在激光制造領(lǐng)域，釔鋁石榴石占有重要地位。釹離子和鐿離子被加人到晶體內部空隙中，這些離子充當激活介質(zhì)，相應的離子與釔鋁石榴石晶格結合為Nd: YAG激光器或Yb: YAG。激光器。這兩種激光器是在激光制造中使用最多的固體激光器。還有一些其他的激光晶體，如釩酸鹽等，但它們在激光制造中用得不多。大部分固體激光器采用釹作為激活介質(zhì)，但是最近鐿作 為激活介質(zhì)的使用也越來(lái)越多，特別是片狀激光器的引入。激光器的波長(cháng)為1064mm或1030mm，位于近紅外光譜范圍。這與氣體激光器相比，無(wú)論是光學(xué)元件的選擇，還是光纖傳輸，都具有很大的優(yōu)越性。1064mm的近紅外激光可以 使用光纖傳輸激光到工件。很多材料，尤其是金屬，都具有吸收紅外光的特性，而對于波長(cháng)為10. 6um的C02激光的吸收較差。按照固體激光工作介質(zhì)的形狀可以將固體激光器分為棒狀固體激光器、片狀固體激光器和光纖激光器等。固體激光器也可以脈沖或連續工作。

棒狀固體激光器

  最早出現且至今仍普遍應用的激光晶體是圓柱形的。其典型的特點(diǎn)是直徑為2~8mm，長(cháng)度為20~200mm，最高可以獲得1000W的輸出功率。激光器的泵浦采用氣體放電燈或二極管激光器泵浦。 

1.燈泵浦棒狀脈沖激光器

  在脈沖激光器中光學(xué)激勵一般由閃光燈產(chǎn)生。在工業(yè)中，常用100W以下的脈沖 Nd: YAG激光器。這種激光器可以在低的平均功率下獲得高峰值脈沖輸出，可以在大約500W的輸出功率下工作，獲得超過(guò)20KW的峰值，特別適合于焊接或切割厚金屬或高反射率的金屬。

  精密機械零件的點(diǎn)焊使用的激光輸出功率為20 ~100KW，脈沖功率可達5KW。 在這種設計中，脈沖的形狀隨泵浦的脈沖變化而變化，脈沖長(cháng)度為0.06 ~20ms，頻率由單脈沖到400Hz，用于這種激光器的光纖直徑為200 ~600um。 

2.燈泵浦棒狀連續激光器

   CW(Continuous Wave)激光器即連續波激光器。這種激光器僅適用于加工過(guò)程的輸出功率均勻或有微小波動(dòng)的場(chǎng)合。由于輸出光束連續，CW識激光器系統與脈沖系統相比可以獲得更高的加工速度。

   CW激光器有一種特殊工作模式，稱(chēng)為Q開(kāi)關(guān)工作。在這種模式下，連續產(chǎn)生的激光束被光路中的元件（Q開(kāi)關(guān)）所阻擋。激光晶體能存儲泵浦能量，一旦Q開(kāi)關(guān)打開(kāi)，存儲的能量以非常短促的脈沖被釋放出來(lái)，之后光路再次關(guān)閉。這是 一個(gè)重復的過(guò)程，脈沖持續的時(shí)間在10~500ns不等。這些短的脈沖峰值可達數百千瓦功率，頻率最高可達100KHz。Q開(kāi)關(guān)技術(shù)主要應用在激光標刻和微型機械加工中。

   在燈管泵浦棒狀激光器中，Nd: YAG圓棒通常安放在一個(gè)橢圓反射鏡的焦點(diǎn)線(xiàn)上。泵浦燈管則安放在另一個(gè)焦點(diǎn)線(xiàn)上。為達到冷卻效果，燈和晶體棒安放在玻璃管中，玻璃管被去離子水流包圍。為達到高功率目的可放置兩個(gè)燈管在雙橢圓排列 中，如圖1-9所示。

圖1-9燈泵浦棒狀激光器結構圖

  在高功率激光器中,Nd: YAG激光器棒的長(cháng)度最大可達200mm，直徑為4~8mm,每根棒可獲得的功率受泵浦過(guò)程中的熱效應限制。由晶體內部熱量的散失和外表的冷卻而引起的溫度梯度必須很小，以確保其導致的機械張力永不會(huì )達到破裂的限度。為了達到機械加工的目的，當前提供的單棒 Nd: YAG激光器的功率約為50~800W，光束參數為 5 ~ 50mm X mrad。高功率可由多 Nd: YAG棒連續獲得。每根棒按規則排列，組成透鏡波導。所有晶體棒可以安放在諧振腔內，附加放大棒則安放在諧振腔外。

  在諧振腔內安裝多個(gè)晶體棒已被證明是高功率現激光器的最有效設計方案，有多達8個(gè)泵浦排列的這種系統應用在工業(yè)加工中，光束參數為25mmXmrad，連續波輸出功率4KW。在絕大多數應用中，這種類(lèi)型的激光器僅用于光纖系統傳輸。

  3.縱向二極管泵浦棒狀激光器由于制造成本低，原來(lái)為激光器提供泵浦光源的氣體放電燈現正被 二極管所取代，在低功率Nd: YAG激光器中，激光器二極管的耦合光源由激光棒 的一個(gè)端面獲得(端面泵浦或軸向泵浦)。這種設計的實(shí)現使結構更緊湊，更靈活，功率可高達20W，晶體棒的一端有808mm波長(cháng)抗反射鍍膜，它同時(shí)也是對1064mm波長(cháng)具有高反射率的鍍膜。換句話(huà)說(shuō)，這個(gè)端面同時(shí)也扮演著(zhù)共振鏡片的角色。另一面共振鏡片，與其他激光器一樣，安裝在離晶體棒一端一定距離的位置，其距離與激光器的功率及其他參數有關(guān)。由于其短小的直徑和低功率輸出，這種激光器結構可達到很高的光束傳輸比，最高可達到基模的水平質(zhì)量?？v向二極管泵浦棒狀激光器的結構如圖1-10所示。

圖1-10縱向二極管泵浦棒狀激光器的結構 

4.橫向二極管泵浦棒狀激光器

  為獲得更高的輸出功率，常用側向或橫向泵浦Nd: YAG激光器。橫向泵浦Nd: YAG激光器的結構與燈泵浦激光器的結構基本相同。不過(guò)，這種激光器不使用氣體放電燈而使用砷化鋁鎵激光二極管，這些激光二極管按一定規則放在晶體表面。二極管泵浦激光器不使用燈泵浦的橢圓反射鏡，而是呈現一種緊密結 合的結構設計。在這種結構中使用的二極管陣列緊靠激光棒放置，如圖1-11所示。砷化鋁鎵激光二極管發(fā)射的激光在很窄的波長(cháng)范圍內，通過(guò)精確地調整鋁的含量，可使其發(fā)出的波長(cháng)在808mm附近，也就是釹離子的吸收波長(cháng)。激光二極管的 光電效率最高可達50%，用于泵浦的Nd: YAG激光器，其光耦合效率大于35%。二極管泵浦激光器的較高總功率(大約是10%)是合理調節激光二極管的發(fā)射和Nd: YAG晶體吸收的產(chǎn)物。泵浦燈發(fā)出的光，只有圖1-12中所示的灰色部分才能能被晶體吸收，這就可以解釋為什么燈泵浦激光器的總效率低了（小 于3%）。  

   另一方面，很好地調節激光二極管的發(fā)射和Nd: YAG晶體吸收，可以減少溫

度負載和Nd: YAG晶體的類(lèi)似透鏡特性，從而增加激光器的輸出功率和泵浦速度

(單位體積晶體的泵浦性能)，同時(shí)顯著(zhù)增加光束傳輸比。與燈泵浦激光器光束參

數25mm xmrad相比，二極管泵浦激光器在同等輸出功率下是其兩倍(為12mm xmrad).

在脈沖操作下（Q開(kāi)光操作），二極管泵浦Nd: YAG激光器可獲得10MW的峰值功率和超過(guò)100kHz的脈沖頻率。此外，二極管泵浦Nd: YAG激光器與燈泵浦激光器相比的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是高效率，伴隨著(zhù)較長(cháng)使用壽命的激光二極管，激光二極管連續工作的時(shí)間超過(guò)10000h(標刻應用超過(guò)20000h。這種狀況使其具有更長(cháng)的服務(wù)間隔，是很大的技

術(shù)突破。

    對于制造大功率二極管泵浦Nd: YAC激光器來(lái)講，首選方案是在諧振腔內安

裝多個(gè)晶體棒。二極管泵浦Nd: YAG激光器在當前工業(yè)加工中應用于標刻和顯徽

結構的功率范圍趨于3 -100W或更高.而用于切割和焊接的功率在550一6000W.

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