Kompaktowy, wysokoenergetyczny laser NdYAG o dużej mocy

Abstrakcyjny

  Prezentujemy kompaktowy laser diodowy Nd: YAG do obróbki materiałów o mocy wyjściowej 238 W, sprawności optycznej do optycznej wynoszącej 48% i sprawności pochylenia wynoszącej 60%. Zgodnie z naszą najlepszą wiedzą, najwyższa efektywność optyczna dla wysoko-pompowanego lasera Nd: YAG o dużej mocy.

  1. Wstęp

  W wielu dziedzinach obróbki materiałów wykorzystuje się źródła laserowe o dużej mocy. Kompaktowa konstrukcja lasera umożliwia wykorzystanie swobodnej propagacji wiązki laserowej zamiast konfiguracji dostarczania włókna. Zwłaszcza w przypadku kompaktowych automatycznych systemów cięcia szkła wymagane są źródła lasera o zakresie mocy 200-300 W. Prezentujemy kompaktowy laser diodowy z końcówką diodową o mocy wyjściowej 238 W i wielkości konstrukcyjnej mniejszej niż 30 × 12 cm2.

  2. Koncepcja lasera

  Aby uzyskać wysoką moc wyjściową i wysoką wydajność, skonstruowano pompowaną laserowo głowicę z kompozytową laseczką Nd: YAG, patrz rys. 1a. Kompozytowy pręt Nd: YAG miał średnicę 5 mm z zakrytymi końcami o średnicy 7 mm i region o niskiej długości 40 mm z domieszką 0,1 przy stężeniu% domieszki. Cały obszar domieszkowany może być efektywnie chłodzony wodą na powierzchni pręta, a zatem maksymalna temperatura i naprężenia powierzchniowe na pręcie lasera są znacznie zmniejszone z powodu niedomieszkowanych obszarów [1,2]. Jako źródło pompy zastosowano stos diody (Jenoptik Laserdiode, JOLD-400-CAXH-12A) o maksymalnej mocy wyjściowej 500 W w ognisku 4,3 × 3,2 mm2 z aperturą numeryczną NA ¼ 0,42. Rezonator o długości 80 mm został utworzony przez wysoce płaskie odbicie lustrzane pompy o długości 1064 nm i wysoce przenikliwe dla promieniowania pompy o długości 808 nm i sprzęgacza o płaskiej mocy wyjściowej. Rozmiar śladu całej głowicy lasera wynosi 30 × 12 cm2 i tylko 10 cm wysokości.

  Powierzchnia pręta została wypolerowana, a zatem pręt służył jako falowód dla światła pompy z powodu całkowitego wewnętrznego odbicia z powodu różnic współczynników załamania YAG i otaczającej wody chłodzącej. Aby wygładzić podłużny rozkład temperatury w krysztale laserowym, zastosowano podwójne przejście światła pompy za pomocą wysoce reaktywnej powłoki po stronie pręta przeciwnej do źródła pompy. Podłużny rozkład temperatury obliczono dla podwójnego przejścia 0,1% i 0,2% dla absorpcji pojedynczego przejścia [3]. Obliczony gradient temperatury dla konfiguracji dwuprzebiegowej wynosi 47 K, a dla konfiguracji jednoprzebiegowej 156 K. Wyniki pokazują, że obniżone temperatury przy tej samej zaabsorbowanej mocy można uzyskać w konfiguracji podwójnego przejścia.

  3. Wyniki eksperymentalne

  W pierwszych eksperymentach zoptymalizowano transmisję sprzęgacza wyjściowego, patrz rys. 2a. W przypadku sprzęgła wyjściowego o wartości 18% osiągnięto maksymalną moc wyjściową 238 W przy sprawności optycznej do optycznej wynoszącej 48% i 60% wydajności pochylenia, Rys. 2b. Zgodnie z naszą najlepszą wiedzą, najwyższa moc wyjściowa i wydajność pochyłości dla lasera Nd: YAG z pojedynczym prętem i pompowanym końcem. Do pomiaru profilu belki systemu użyto kamery CCD. Profil wiązki laserowej miał prostokątny kształt, jak się spodziewano ze względu na prostokątny kształt pompy. Oszacowany parametr parametr produktu wiązki M2 wynosił 80. W przypadku zastosowań do cięcia szkła ta jakość belki jest odpowiednia, ale mimo to jakość belki może zostać poprawiona dzięki optymalizacji kształtu plamki pompy. Dlatego zaleca się użycie szklanego pręta jako homogenizatora [3] w celu uzyskania okrągłej plamki pompy, a następnie bardziej okrągłej wiązki laserowej.

  W przypadku liniowej wnęki, jak pokazano na fig. 1a, istnieje krytyczna moc pompy, przy której rosnąca soczewka termiczna powoduje, że wnęka laserowa staje się niestabilna. Aby ocenić właściwości soczewkowania termicznego systemu, zmierzono moc wyjściową dla różnych odległości L sprzęgacza wyjściowego od pręta laserowego. Dlatego krytyczna moc pompy dla pewnej długości wnęki może być określona w punkcie, w którym laser staje się niestabilny. W celu określenia ogniskowej soczewki termicznej wykorzystano formalizm ABCD Matrix [4,5]. Moc dioptryczna na uruchomioną moc pompy wynosiła 7 dpt / kW. Obliczenia teoretycznych soczewek termicznych [6] dla lasera z końcówką pompowaną o średnicy 5 mm i plamce o średnicy 4 mm dają wartości odpowiednio 7,6 i 8,5 dpt / kW dla kierunków polaryzacji stycznej i promieniowej. Jest to zgodne z mierzoną wartością. Należy zauważyć, że dokładność określania obciążenia termicznego była ograniczona przez dokładność pomiaru, niepewności wartości dla modelu i błąd wprowadzony przez zależność temperaturową przewodności cieplnej, która nie jest brana pod uwagę. Dlatego szacuje się, że błąd systematyczny wynosi 718% wartości obciążenia termicznego [7].

  4. Wniosek

  Zaprezentowaliśmy kompaktowe źródło lasera Nd: YAG o napięciu diodowym i końcowym o mocy wyjściowej 238 W, sprawności pochylenia 60% i sprawności optycznej do optycznej 48%. Profil belki systemu pokazał prostokątny kształt, który jest konsekwencją skupienia światła pompy. Profil można poprawić za pomocą homogenizatora belki pompującej. Następnie przedstawiliśmy dioptryczną wartość mocy projektu (7 dpt / kW), która była w dobrej zgodności z obliczeniami teoretycznymi.