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碟片激光器及其在工业中的应用 通快十固(香港)有限0司’’11--”啊目珲懈i 礤片激光器(EjtMbtfs又称“四盘辙兜器”)与传统的固体激光器的本质 区别在于辙光工作物质的形状。将传统的固体激光器的雉状晶体改为碡状晶体这 一创新理念将固体激光嚣推向了一个新时代．磉片激光器以其极佳的光束质量和 转换效率在工业制造业中得到了日益广泛的应用． 本文简要介绍碟片激光器的基本原理、构造、特点以及在工业中的一些应用， 蕴扯刍墨田蘧监晶佳监担煎盎王在毖厦? 为了解礤状晶体的独特优点，颓辖礞状晶体与棒状晶体作一比较。众所周知， 激光器设计过程的一个重要问题是激光工作物质的冷却，冷却效粜直接关系到激 光器的质量。如图2所示，由于传统的棒状激光晶体只能侧面冷却，即冷却须通 过晶体棒的径向热传导来实现，囚此晶体捧内的热得不到及时和有教的冷却，棒 内温度呈抛物线形型分布。这导致晶体棒内形成所谓热遘镜．这种热透镜效应长 搬匿抗看激光嚣研制人硅，园为它严重影响激光柬的质量．这砷热透镜效应晒泉 浦功率的变化而变化．泵浦功率变化时，光束发散角、光柬直径也会随之变化． 这使褥光法在一个大的激光功率范圈实现光学补偿来消除热透镜的影响。泵浦功 率越又，热透镜效应越太．热透镜的焦距越短，激光甚至可能由稳态变为非稳 态，因此也限制了固体激光器向高功睾方向篮展。 碡状激光晶体的厚度只有31l微米左右，泵浦光从正面射八，而冷却从晶体的 背面实现．因为晶体很薄，径厚比报大．因此晶体内的热可以得到及时有效的冷 却，这种一维热传导使晶体内温度分布非常均匀．因此磉状赦光晶体从根本上解 决了上述热透镜问题，大大地改善了激光束质量、转换效率和功率稳定性。 将捧状晶体改为碟状晶体，从而消除热透镜效应，人们自然要问：如此薄的 晶体．如何实现泵浦光的有效吸收?如何获得足够的增益?的确，如果泵浦仍采 用传统激励方法，一束泵浦光仅照射工作物质一次，是报难实现足够的激光功率 输出的。人们同时需要对礤状晶体的泵浦进行创造性的构思和精密设计，才能将 上述创新理论变为现实。 图2为通侠(TRUMPF)硪片激光器晶体腔体的示意圈．由二极管阵列组成 的泵浦模块麓射泵浦光柬．经准直后进入晶体腔体，借助于腔内的抛物形反射镜 聚焦在晶体上，被晶体吸收一部分后，透射的那部分光被晶体背面高反射镀层反 射，X被晶体吸收一部分．然后入射到腔内的棱镜上，再由抛物形反射镜和其他 反射镜聚n在晶体上。血此重复往遁入射，以致一束泵浦光自从泵浦模块发出、 避凡晶体腔体皇离开晶体腔倬的过程中，逢经了激光晶体20披-泵浦光能量因此 kW激光的礞片撒光器 可较撒光品悼充分吸收。图3示出了一片碟状晶体输出5．5 斡兜转接敬幸。采用这种柬采浦j匕往复多次照射激光晶体的方法，训使光-光转 换效率高迅65％! ∞ ∞ ／{60誊 一|)d 一一 ／㈠ 图4为通快碟片激光器结构示意图。它由泵浦模块，晶体腔体，谐振腔．导 光系统，光导纤维接口组成．并装有功率宴时反馈控制系统。 碟片激光器的最大功率与碟片晶体的鼗量成正比。随着技术不断成熟先进， 一片碟状晶体所能产生的激光功率不断增大：2004年．每片硖执晶体只能输出功 率1千瓦，图4所示的碟片激光器为采用4片晶体的碟片激光器，因此当时该碟 5千瓦激光， 片激光器最大输出功率为4千瓦。2006年．每片晶体可以产生1 2007年每片晶体2千瓦，2008年每片晶体25千瓦。现在(2009年)每片晶体 可以产生4千瓦输出功率，即图4所示的碟片激光器最大功率可达1万6千瓦。 每片晶体的最大输出能力还在不断提高，如图3显示的便是一片晶体输出5．5千 瓦的光转换效率的实验曲线。 礁片激光嚣输出的激光可以很方便地用光纤传输到待加工工件上。氲I国4所 示，一台激光嚣可咀供给6路输出。它们既可以分能量，也可以分时间输出激 光．也可虬是分时和分能量的组台。因此一台激光器可以供给多个工作站．使激 光器得到充分利用。分时的转换速率为50毫秒。 通快碟片激光器有以下几个特点： 模块式结构