LD泵浦機械斬波調Q激光器的設計

楊俊梅, 曹澤新, 欒玉國, 羅宏超, 梅 迪

(沈陽航空航天大學 理學院, 沈陽 110136)

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LD泵浦機械斬波調Q激光器的設計

楊俊梅, 曹澤新, 欒玉國, 羅宏超, 梅 迪

(沈陽航空航天大學 理學院, 沈陽 110136)

主要通過理論上的設計,給出一種LD泵浦機械斬波調Q全固態Nd:YAG脈沖激光器。該方案通過機械斬波調Q的方式,給出一個鎖定功率不受Q開關限制,同時輸出激光的脈沖寬度接近于聲光調Q的輸出脈沖。設計主要通過分析開關時間、脈沖時間和儲能時間的關系,由馬達的轉動角速度、斬波片半徑來確定開槽寬度、擋光寬度。在設計激光脈沖輸出時,可根據加工要求,確定開關時間、脈沖寬度、儲能時間等3個參數,并設計出相應的斬波片。通過這種機械Q開關的設計,給出了脈寬范圍在0.2～4 ms,脈寬范圍參數可調,單脈沖能量0.1～2 J,脈沖頻率可調的激光脈沖輸出。該脈沖激光器,可以突破聲光調Q的全固態Nd:YAG脈沖激光器的平均輸出功率200 W的瓶頸,以期解決部分激光加工如激光毛化等工業應用的加工效率問題。

固體激光器; 聲光調Q; 機械調Q; LD泵浦

0 引 言

脈沖激光器在激光工業加工中有廣泛應用[1],除燈泵浦自由振蕩長脈沖激光器外,工業加工用脈沖激光器大多是聲光調Q或電光調Q等全固態Nd:YAG激光器[2-5],在長脈沖應用方面燈泵浦Nd:YAG激光器還難以被替代。但由于聲光調Q開關鎖定功率基本在200 W范圍內,使得當前工業所使用的這種聲光調Q脈沖激光器平均功率都在200 W以下,限制了該激光器的普及應用。因此,如何提高脈沖激光器的平均輸出功率就成了激光工業加工應用亟待解決的瓶頸問題[6-11]。

針對脈沖激光器的低平均功率情況,目前國際通行的做法是使用MOPA(Master Oscillator Power Amplifier)結構激光器來提高脈沖激光器輸出脈沖的峰值功率和單脈沖能量[12-15]。但MOPA結構的脈沖激光器,能夠提高的主要是脈沖激光器的峰值功率,這部分能量在焊接等工業加工中主要產生阻礙光能吸收的等離子體羽,而對于長脈沖輸出的后面200 W連續輸出部分,放大器基本起不到放大作用。而該連續段的平均功率,根據實驗情況,對激光工業熱加工,同樣有著非常重要的作用。并且激光焊接、合金化、熔覆、毛化等工業加工用脈沖激光器,對峰值功率的要求并不高,一般是在104～105W左右。一般的聲光調Q輸出的激光脈沖峰值功率已經達到該要求,在很多工業加工方面還要采取一些措施,降低激光脈沖峰值功率,因此提高峰值功率的MOPA方案在這類工業加工方面,起不到實際作用。由于長脈沖后面的連續段的功率難以提高,這也是目前平均輸出功率不高、電光效率約3%的燈泵浦電源驅動長脈沖激光器還在工業加工領域廣泛應用的主要原因之一[16]。而采用LD脈沖巴條作為泵浦源或光源,輸出的矩形脈沖波形并不能滿足高峰值功率要求的工業加工需要,1%的占空比極大的限制其使用效率,同時高性能脈沖巴條的昂貴價格還進一步制約著這種類型激光器的開發使用。

60 k～100 krpm高速馬達和高功率LD泵浦巴條都有相當成熟的產品,為高功率LD連續泵浦進行轉盤斬波機械調Q提供了充分的條件。國內相關這種調Q技術的研究也是基于燈泵浦,而燈泵浦激光器可以通過脈沖方式驅動泵浦電源達到機械調Q開關的脈沖輸出效果,因此,基于燈泵浦激光器,進行機械調Q開發意義不大。研制這樣一種平均輸出功率范圍在400 W～1 000 W、動靜比可接近100%、脈寬可調的LD泵浦機械斬波調Q Nd:YAG脈沖激光器,從峰值功率、單脈沖能量等單純的激光參數指標上來看,并不突出。

但這種具有綜合性能指標的高峰值長脈寬激光脈沖,對工業加工來說,提供了一種新的激光光源參數。這種長壽命的激光光源,對于提高激光器工業加工效率和領域,滿足日益增加的激光工業加工需要,有著非?，F實的意義?；诩す夂附?、熔覆、切割、打孔和毛化等激光工業加工需求,本文介紹一種通過高速馬達驅動斬波盤設計的機械Q開關,對LD連續泵浦Nd:YAG激光器進行機械斬波調Q,獲得所需要的激光脈沖。通過該機械Q開關,研制平均輸出功率達到400～1 000 W、脈寬從1 μs到連續波、頻率可達10 kHz等大范圍可調、動靜比可接近100%的大功率LD泵浦機械斬波調Q脈沖Nd:YAG激光器。

1 機械斬波Q開關的性能要求

全固態機械斬波激光器調Q激光器的設計工作,主要考慮機械斬波Q開關時間和腔型設計等對峰值功率、主脈沖寬度、脈沖寬度、光束質量等激光脈沖光束參數的影響。該設計主要結合激光毛化等激光工業熱加工需要,通過數值分析和實驗來研發性能穩定的高功率LD泵浦轉盤斬波機械調Q全固態Nd:YAG脈沖激光器。激光器的性能,要求動靜比80%以上,平均輸出功率達到400～1 000 W,頻率可達到1 k～10 kHz,脈寬可調,峰值功率在104～107W,適合當前相關激光工業加工的需要。

設計時主要通過高速馬達驅動轉盤斬波作為Q開關,對LD泵浦Nd:YAG激光器進行機械斬波調Q,輸出平均功率輸出超過400 W～1 000 W的高頻激光脈沖。研制過程主要進行諧振腔設計、激光束參數的確定和機械調Q系統的設計調試等幾方面的工作。

要研制400 W～1 000 W平均功率輸出的LD泵浦激光器,需要根據不同的功率要求,在腔內放置一定數量的LD泵浦激光頭。研制的LD泵浦連續輸出Nd:YAG激光器,短腔情況下,45 A的泵浦電流,可以做到單個激光頭輸出400 W、2個激光器輸出約800 W和3個激光棒輸出1 100 W的平均功率。

機械斬波調Q激光器的脈沖性能是本設計的重要參數。同時需要考慮轉速、開關時間和盤片開槽結構設計等、還要解決在保證峰值功率和不漏光的條件下,重復頻率、脈寬和泵浦功率等之間的關系,為高功率LD泵浦機械調Q全固態脈沖激光器的研制提供一個完整的機械調Q實際方案。

機械斬波調Q開關時間主要由電機的轉速、光束直徑和盤片直徑決定,根據開關時間的要求,來選擇電機的轉速。

在機械斬波調Q激光器中,實現開關速度控制和一定脈寬的激光脈沖,需要對高速電機的轉速進行有效控制和檢測,此外,連續可調性和高穩定性也是對工業級產品的基本要求,電機轉動穩定性不好,轉子動平衡校驗不好,電機都會出現抖動現象,影響諧振腔的穩定性和激光脈沖的輸出。因此,要設計高穩定性長壽命的機械調Q脈沖激光器,也要做好高速電機驅動控制系統的設計工作。

除以上研究內容以外,本設計還將就該激光器用于焊接、切割和毛化等材料加工進行初步的實驗分析檢驗。

2 機械斬波Q開關的參數設計分析

設計時首先通過對速率方程的理論分析,建立起高功率機械斬波調Q脈沖激光器的理論模型,計算所需的開關速率和脈沖寬度等,理論上給出脈沖激光的光束參數及對機械斬波的要求,并根據諧振腔的穩定性條件設計諧振腔結構,完成激光器的理論設計工作。

機械斬波調Q是由斬波片實現Q開關的關閉和打開,當腔內激光光束被斬波片截斷時,Q開關關閉,實現激光介質儲能;當斬波片的通光孔徑掃過光路時,Q開關打開,產生巨脈沖輸出。Q開關打開速度越慢,脈沖的峰值功率越低,可以根據不同的峰值功率和脈寬需要,設定Q開關打開時間。對于機械斬波調Q來說,開關時間為斬波片開槽處掃過腔內光束的時間,光束越細,掃過速度越高,則開關時間越短。

設計的主要參數指標有開關時間、脈沖時間、儲能時間。設馬達的轉動角速度用ω表示、斬波片半徑r、轉速v=2πrω、開槽角度θ1、擋光部分角度θ2、開槽寬度L1=rθ1、擋光寬度L2=rθ2、光斑直徑d,以斬波片的半徑計算時間,則激光光斑被斬波片開槽處掃過的開關時間為t1=d/v,從Q開關打開出光,到光斑被完全截斷的時間段為激光脈沖寬度

(1)

儲能時間t3為Q開關閉合到剛開始打開的這段時間

(2)

斬波片每轉一圈,輸出的脈沖數量為開槽數

(3)

開關時間、脈沖寬度、儲能時間與馬達的轉速有很緊密的關系。不同轉速的驅動馬達驅動斬波片,想要輸出的脈沖寬度相當,斬波片的設計半徑、開槽數量、開槽角度都得做相應的變化。擋光角度大,在同一馬達驅動下,儲能時間會充足,但是輸出的脈寬會變窄。設計激光脈沖輸出時,應根據加工要求,給出開關時間、脈沖寬度、儲能時間這3個重要的參數。

根據以上設計思路,如圖1,設計了轉速在3 000rpm時,斬波片半徑為100mm的斬波片,輸出脈寬分別為1ms、2ms的參數,來驗證機械斬波的輸出效果,更詳細的參數見表1。根據這2組斬波片參數,研制了機械斬波的LD泵浦Nd:YAG脈沖激光器。

(a)—脈寬為1 ms的斬波片; (b)—脈寬為2 ms的斬波片

在本項設計中,腔內損耗從一開始的最大值,到完全打開時的最小值,機械Q開關打開時間約為200 μs。這個開關時間遠大于電光Q開關1 ns左右的打開時間,不能忽略,需要考慮Q開關的打開速率對輸出脈沖的影響。因此要考慮開關速度隨時間變化的激光調Q速率方程:

(4)

(5)

式中:dN/dt表示光子數密度變化率;dδn/dt為反轉粒子數變化速率;N為光子數密度;δn是反轉粒子數密度;σ32為受激輻射截面;v是光子在腔內的速率;光子在光腔中來回一周所需時間為t1;γ為每次激光脈沖在腔內每次震蕩的損耗率。

表1 脈寬為1 ms、2 ms的斬波片相關參數Tab.1 Chopping plate (pulse width 1 ms、2 ms) relative parameters

在不考慮Q開關打開速度,圖2腔內損耗瞬時從最大值變化到最小值,根據模擬計算,反轉粒子數在約10 ns時間內迅速下降為零。腔內光子數急劇增加后由于損耗也迅速減少為零,激光脈沖寬度約為20 ns。當考慮Q開關打開后,隨斬波片開槽邊緣掃過激光通過口徑時,腔內損耗隨時間變化的情形時,數值模擬發現激光脈沖寬度隨著打開時間長度的增加而增加。由于腔內損耗和Q開關打開孔徑之間的關系比較復雜,主要嘗試了腔內損耗按指數衰減和線性衰減等2種方式來模擬Q開關打開時腔內損耗和時間的關系。圖3顯示,Q開關打開時腔內損耗率隨時間線性變化的光子數密度和反轉粒子數隨時間變化的情況,從中可看出,激光脈沖寬度可以達到1 μs。

圖2 腔內損耗瞬時變化的光子數密度和反轉粒子數

圖3 腔內損耗隨時間線性變化的光子數密度和反轉粒子數

3 設計結論

實驗使用與文獻[17]基本相同的實驗裝置,激光頭為5個LD線陣模塊,等間距呈環繞結構直接泵浦Nd:YAG晶體棒。每個泵浦列陣模塊包括5個額定輸出功率為40 W的連續808 nm LD巴條進行泵浦,總泵浦光功率可達1 000 W,激光棒采用φ7 mm×99 mm,摻雜濃度為0.8%的Nd:YAG晶體棒,配備水冷系統、單片機控制系統和泵浦電源,機械Q開關采用轉速為3 000 rpm的高速馬達,調Q用轉盤使用開孔的φ200 mm×100 μm鋁盤片,并購置相關光學鏡片和其它元器件,使用氦氖激光器作為指示光進行激光器光路安裝調整。輸出的激光光束參數和激光脈沖參數的檢測主要使用激光熒光卡、高靈敏度光電管檢測器、高頻示波器、激光功率計和激光光斑品質分析系統等進行激光檢測。

實驗首先在光路上組裝激光頭、機械Q開關和前后鏡,將機械Q開關安放在激光泵浦頭和全反鏡之間的位置上進行光路調試。然后在激光器正常工作的條件下,進行機械斬波調Q實驗,測試調Q輸出的激光脈沖的峰值功率、脈寬等參數。在激光器穩定工作后,機械激光器平均功率約350 W,突破聲光調Q的200 W功率的限制,激光脈沖的首脈沖寬度約為2 ms,脈沖峰值功率約為40 kW,并發現改變馬達轉速,首脈沖寬度有微小改變。并通過擴束鏡和聚焦鏡,對碳鋼、鋁材等材料進行初步毛化加工實驗。

針對LD泵浦聲光調Q的Nd:YAG激光器存在聲光調Q裝置鎖定功率上限的問題,通過設計一種斬波片機械調Q方式,提高了脈沖激光器的平均輸出功率。從現象上看,在同樣的激光參數條件下機械斬波調Q激光器輸出的激光脈沖在材料上產生的熔坑要比聲光調Q脈沖激光裝置深得多,能夠給出更大范圍的毛化參數。在單泵浦頭情況下,激光器的平均輸出功率可以達到400 W左右,由于沒有Q開關的閾值限制,諧振腔內還可以放置多個激光頭,可以大幅提高激光器的脈沖工作效率。

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Design of LD pumped mechanical chopping Q-switched laser

YANGJunmei,CAOZexin,LUANYuguo,LUOHongchao,MEIDi

(College of Science, Shenyang Aerospace University, Shenyang 110136, China)

A LD pumped mechanical chopping Q-switched Nd: YAG all solid-state pulse laser was designed in this article. The pulse width of the designed laser pulse output came from the mechanical chopping Q-switched laser approximated to the one produced from the acoustic-optic Q-switched laser, and the locked power of the designed laser was not restricted by the mechanical chopping Q-switch. This pulse laser is designed by analyzing the relationship between the switching time, pulse width and energy storage time. And the slot width and light block width in the chopper, were determined by the motor rotational speed and the chopper’s radius. In this designed pulse laser, the pulse width range was 0.2～4 ms with the adjustable frequency, and the single pulse energy was 0.1～2 J. The 200 W upper limit of the average output power of acoustic-optic Q-switched pulse lasers could be broken with this designed mechanical chopping Q-switched pulse laser, which could improve the working efficiency in some laser processing fields such as laser texturing.

solid laser; acoustic-optical Q-switched; mechanical Q-switched; LD pumped

2016-09-18。

國家自然科學基金資助項目(51101105)。

楊俊梅(1979-),女,天津人,沈陽航空航天大學講師,碩士。

1673-5862(2016)04-0449-05

TG155

A

10.3969/ j.issn.1673-5862.2016.04.015