碟片雷射器技術原理及器件、系統

2020-11-23 OFweek維科網

　　碟片雷射器(Disk Laser)，又稱圓盤雷射器，它與傳統的固體雷射器的本質區別在於雷射工作物質的形狀。將傳統的固體雷射器的棒狀晶體改為碟片晶體，這一創新理念將固體雷射器推向了一個新時代。碟片雷射器以其極佳的光束質量和轉換效率在工業製造業中得到了日益廣泛的應用。

　　雷射器設計過程的一個重要問題是雷射工作物質的冷卻，冷卻效果直接關係到雷射器的質量。如圖1所示，由於傳統的棒狀雷射晶體只能側面冷卻，即冷卻須通過晶體棒的徑向熱傳導來實現，因此棒內溫度呈拋物線形型分布，導致在棒內形成所謂的熱透鏡。這種熱透鏡效應會嚴重影響雷射束的質量，並隨抽運功率的變化而變化。抽運功率越大，熱透鏡效應越大，

　　熱透鏡的焦距越短，雷射甚至可能由穩態變為非穩態，從而嚴重限制了固體雷射器向高功率方向的發展。

　　圖一 雷射工作晶體

　　碟片雷射晶體的厚度只有200μ m左右，抽運光從正面射入，而冷卻在晶體的背面實現。因為晶體很薄，徑厚比很大，因此可以得到及時有效的冷卻，這種一維的熱傳導使得晶體內的溫度分布非常均勻，因此碟片雷射晶體從根本上解決了上述熱透鏡問題，大大改善了雷射束質量、轉換效率及功率穩定性。

　　碟片片晶體的抽運

　　將棒狀晶體改為碟片晶體來消除熱透鏡效應，人們自然要問：如此薄的晶體，如何實現抽運光的有效吸收？如何獲得足夠的增益？的確，如果抽運仍採用傳統激勵方法，一束抽運光僅照射工作物質一次，很難實現足夠大的輸出功率。人們同時還需要對碟狀晶體的抽運進行創造性的構思和精密的設計才能將上述創新理論變為現實。

　　圖2為某公司碟片雷射器晶體腔體的示意圖。由二極體陣列組成的抽運模塊發射抽運光束，經準直後進入晶體腔體，藉助於腔內的拋物形反射鏡聚焦在晶體上，被晶體吸收一部分後，透射的那部分光被晶體背面高反射鍍層反射，又被晶體吸收一部分，然後入射到腔內的稜鏡上，再由拋物形反射鏡和其他反射鏡聚焦在晶體上。如此重複往返的入射使得一束抽運光自從抽運模塊發出、進入晶體腔體至離開晶體腔體的過程中將途經雷射晶體20次。抽運光能量被雷射晶體充分吸收。這種方法可使光一光轉換效率高達65％。

　　圖二 為某公司碟片雷射器晶體腔體的示意圖

　　碟片雷射器結構通常由抽運模塊、晶體腔體、諧振腔、導光系統和光導纖維接口組成，並裝有功率實時反饋控制系統，碟片雷射器的最大功率與碟片晶體的數量成正比例。

　　碟片雷射器應用

　　碟片雷射器在工業製造業中應用很廣泛，例如高速切割和各種焊接，包括常規焊接和飛行焊接等。

　　1、焊接

　　厚鋼板的焊接需要很高的雷射功率。如前所述，碟片雷射在大功率下仍保持良好的光束質量，因而對厚鋼板焊接具有特別的優勢。

　　2、切割

　　雷射的光束質量對於切割尤為重要，因為光束質量好意味著光束的聚集效果好，焦斑尺寸小，功率密度大。碟片雷射器可以輸出幾乎接近衍射極限光束質量的雷射，而且能在高功率下保持這種優良特性，因此切割速度快，質量好。

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