一、引言
第一臺連續(xù)YAG 激光器于1964 年實現(xiàn)運轉(zhuǎn),近40 年來YAG 激光器一直與CO2激光器同受重視,是第二類最重要的工業(yè)激光器,目前世界范圍內(nèi)銷售的商品YAG 激光器已有500 種,但從1998 年開始,Nd:YAG 激光器的市場占有率和銷售額已升為第一位。
傳統(tǒng)的固體YAG 激光器,通常由摻釹釔鋁石榴石晶體棒,泵浦燈、聚光腔、光學諧振腔、電源及制冷系統(tǒng)組成,其轉(zhuǎn)換效率為2%到3%。由于泵浦燈發(fā)射的光譜只有極小部分被晶體棒所吸收并轉(zhuǎn)換成激光能量,大部分注入電功率轉(zhuǎn)換成熱能,其直接害處一方面表現(xiàn)為大量的熱能造成激光晶體不可消除的熱透鏡效應,使激光光束質(zhì)量變差;另一方面整個激光器需要龐大的制冷系統(tǒng),體積很大。泵浦燈的壽命約為300 到1000 小時,操作人員需花很多時間頻繁的換燈,中斷系統(tǒng)工作,使自動化生產(chǎn)線的效率大大降低。有關(guān)專家認為,燈泵浦固體激光器的發(fā)展已到盡頭,技術(shù)上沒有大的發(fā)展空間,二極管泵浦固體激光器(全固化固體激光器)將取代燈泵浦固體激光器。
二極管泵浦固體激光器的技術(shù)核心包括光束耦合、光束質(zhì)量、電源技術(shù)、控制系統(tǒng)及系統(tǒng)集成。二極管泵浦技術(shù)的出現(xiàn),為固體激光器注入了新的生機和活力,使固體激光器的一場革命,這是固體激光器的發(fā)展方向。近年來由于大功率激光二極管制造工藝的成熟和生產(chǎn)成本的降低,使二極管泵浦固體激光器的研究得到了飛快的發(fā)展,且已正式進入商品化。世界著名的激光公司Rofin-Sinar 所銷售的激光工業(yè)加工設(shè)備中60%已是二極管泵浦的固體激光器。
與傳統(tǒng)燈泵浦固體激光器比較,二極管泵浦固體激光器具有以下優(yōu)點:
(1) 轉(zhuǎn)換效率高:正如圖1 所示,由于半導體激光的發(fā)射波長與固體激光工作物質(zhì)的吸收峰相吻合,加之泵浦光模式可以很好地與激光振蕩模式相匹配,從而光光轉(zhuǎn)換效率很高,已達50%以上[1],整機效率也可以與二氧化碳激光器相當,比燈泵固體激光器高出一個量級,因而二極管泵浦激光器可省去笨重的水冷系統(tǒng),體積小、重量輕,結(jié)構(gòu)緊湊。
(2) 性能可靠、壽命長:激光二極管的壽命大大長于閃光燈,達 15000 小時以上,而閃光燈的壽命只有300-1000 小時。激光二極管的泵浦能量穩(wěn)定性好,比閃光燈泵浦優(yōu)一個數(shù)量級,性能可靠,可制成全固化器件。運行壽命長,成為至今為止唯一無需維護的激光器,尤其適用于大規(guī)模生產(chǎn)線。
(3) 輸出光束質(zhì)量好:由于二極管泵浦激光的高轉(zhuǎn)換效率,減少了激光工作物質(zhì)的熱透鏡效應,大大改善了激光器的輸出光束質(zhì)量,激光光束質(zhì)量已接近理論極限M2 = 1。激光二極管陣列的功率雖然已可以達到很大,但本身輸出光束發(fā)散角大,且發(fā)射波長有限,而用二極管泵浦激光則可以大大改善其光束質(zhì)量,并且可擴展發(fā)射波長。這就是用二極管泵浦激光器,而不是直接將激光二極管應用于工業(yè)上的原因。
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