長(zhǎng)脈寬脈沖激光器的實(shí)驗(yàn)與輸出特性研究

杜 丹，夏 騰

長(zhǎng)春中國(guó)光學(xué)科學(xué)技術(shù)館，吉林長(zhǎng)春 130117

長(zhǎng)脈寬脈沖激光器的實(shí)驗(yàn)與輸出特性研究

杜 丹，夏 騰

長(zhǎng)春中國(guó)光學(xué)科學(xué)技術(shù)館，吉林長(zhǎng)春 130117

長(zhǎng)脈寬激光器被廣泛應(yīng)用在激光加工行業(yè)，它有著重要的實(shí)用價(jià)值，因而研究其有著十分重要的意義。本論文主要搭建了Nd3+：YAG長(zhǎng)脈寬脈沖激光器，研究脈寬可調(diào)的Nd3+：YAG長(zhǎng)脈寬脈沖激光器在不同條件下的輸出特性。并設(shè)計(jì)制作了擴(kuò)束聚焦系統(tǒng)，初步進(jìn)行了脈寬可調(diào)脈沖激光器的激光焊接實(shí)驗(yàn)。文章通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)研究，獲得了平面平行腔腔長(zhǎng)脈寬激光器的輸出特性的特點(diǎn)，通過(guò)進(jìn)一步搭建長(zhǎng)脈寬脈沖激光焊接機(jī)進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn)，得出了該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基本可以滿足焊接要求的結(jié)論。

長(zhǎng)脈寬；Nd3+：YAG；激光器

1 緒論

在固體激光器中，通常采用由氣體放電燈放電形成的高亮度輻射源—光泵，作為泵浦手段。光泵是激光器中的一個(gè)重要部件，它能泵浦足夠高的能量。工作物質(zhì)的強(qiáng)吸收光譜應(yīng)落在光泵的輻射光譜帶內(nèi)，即實(shí)現(xiàn)光譜匹配。

激光器泵浦方式有很多種，例如光激勵(lì)、放電激勵(lì)、化學(xué)激勵(lì)、核能激勵(lì)等等。采用光激勵(lì)和放電激勵(lì)時(shí)，激光器必須配有一臺(tái)與其相適應(yīng)的電源。固體激光器可分為脈沖、連續(xù)以及脈寬可調(diào)幾種工作方式，則相應(yīng)的激光電源應(yīng)與之匹配。長(zhǎng)脈寬激光器正是采用了新型脈寬可調(diào)諧激光器電源，才使得激光器有了新的輸出特性。對(duì)固體激光器的電源來(lái)說(shuō)，它的負(fù)載為一氣體放電器件。例如，Nd3+:YAG激光器的工作物質(zhì)為一摻釹釔鋁石榴石晶體，該晶體就是吸收氣體放電器件，脈沖氙燈在弧光放電時(shí)，在0.7～0.9μm范圍內(nèi)的光能可以形成受激輻射。為點(diǎn)燃脈沖氙燈，就須具有用電容器做儲(chǔ)能器的放電電路，以及儲(chǔ)能電容器的充電電路、氙燈的觸發(fā)電路。它們實(shí)際上就組成了一個(gè)完整的激光器電源電路。

最早出現(xiàn)的固體激光器的電源采用的是直流電源經(jīng)過(guò)限流電阻R給儲(chǔ)能電容C充電，也就是RC充電方式。這樣的電源只能在低重復(fù)頻率下和要求電源充電效率不高的情況下使用。隨著新型激光裝置的出現(xiàn)，對(duì)激光器電源提出例如高效率、高重復(fù)頻率、低成本以及高可靠性等諸多要求。為滿足低頻大能量工作下的激光裝置，如紅寶石激光器、釹玻璃激光器，研制出了LC恒流充電的電路。它的特點(diǎn)就是以恒定電流給儲(chǔ)能的電容器充電，提高充電效率和電源的穩(wěn)定性。為滿足高重復(fù)頻率下的激光裝置，從而研制出直流LC諧振充電式電源。有效地解決了激光器電源在高頻下工作的充電效率的問(wèn)題，并且克服了脈沖氙燈連通現(xiàn)象。存在的主要問(wèn)題就是體積及重量不能明顯減小，但是這種類型的電源目前仍廣泛應(yīng)用。

為進(jìn)一步減小體積及重量并提高充電精度，人們把開(kāi)關(guān)電源技術(shù)引入到激光器電源中。80年代，出現(xiàn)用快速晶閘管做電子開(kāi)光的逆變器充電電路，它的出現(xiàn)解決了電源存在的體積及重量問(wèn)題。但晶閘管的工作頻率限制在10kHz以下，并控制電路比較復(fù)雜。

2 實(shí)驗(yàn)分析

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由三部分組成：光學(xué)部分、激光電源部分以及水冷部分。

激光器前端是LD半導(dǎo)體激光器和小孔光闌，用來(lái)調(diào)節(jié)光路準(zhǔn)直。

本實(shí)驗(yàn)研究的為Nd3+:YAG長(zhǎng)脈寬激光器，是一種固態(tài)晶體激光器，它采用Nd3+:YAG晶體作激光介質(zhì)，Nd3+:YAG晶體是將激光介質(zhì)釹（Nd）原子摻在晶體釔鋁石榴石（YAG）中，釹的原子百分比大約為1％。所以，Nd3+:YAG晶體的全稱是摻釹釔鋁石榴石晶體，Nd3+:YAG晶體一般被制作成棒狀。

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用雙脈沖氙燈串聯(lián)泵浦工作物質(zhì)Nd3+:YAG，腔內(nèi)為雙燈（氙燈）單棒（YAG晶體）結(jié)構(gòu)。由于常用的泵浦燈在空間的輻射都是全方位的，但固體工作物質(zhì)大多都加工成圓柱棒形狀，所以為了泵浦燈發(fā)出的光能都聚到工作物質(zhì)上，必須采用聚光腔，提高泵浦轉(zhuǎn)化效率和泵浦光輻射均勻性。本實(shí)驗(yàn)采用的是雙燈泵浦，所以最終選擇的是雙橢圓玻璃聚光腔，工作物質(zhì)棒放在公共焦點(diǎn)上，激光器諧振腔膜片均由Φ20mm×3mm 的光學(xué)玻璃制成，兩表面各鍍對(duì)1064nm波長(zhǎng)高反射膜與透射率T=30％的介質(zhì)膜，分別安裝在兩個(gè)精密二維機(jī)械調(diào)整架上。

脈寬監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：數(shù)字示波器、連續(xù)探頭。

測(cè)試系統(tǒng)如下。

1）數(shù)字示波器型號(hào)：Tektronix TDS2012B。

該示波器的通頻帶為100MHz，采樣速率1GS/s，帶有通用USB傳輸端，可將存儲(chǔ)的波形提取并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中。

2）連續(xù)探頭：本實(shí)驗(yàn)使用的連續(xù)探頭為實(shí)驗(yàn)室自制，光譜響應(yīng)范圍為0.4-1.1微米。

激光脈寬的監(jiān)測(cè)：

用示波器和連續(xù)探頭來(lái)監(jiān)測(cè)輸出脈寬，讓輸出激光打到擋板上，用連續(xù)探頭接收漫反射回的少量激光，連接到數(shù)字示波器上。調(diào)示波器橫縱坐標(biāo)量程，看到較好波形時(shí)，按下stop鍵，將其波形保存就可以了。

單脈沖激光能量的測(cè)量：

1）把激光能量計(jì)的探頭定位在激光器的輸出方向上，打開(kāi)LD激光器，移動(dòng)激光能量計(jì)的探頭，使準(zhǔn)直光全部進(jìn)入探頭并指示在能量計(jì)探頭的中心上，接著固定能量計(jì)探頭位置不動(dòng)并在能量計(jì)前放置一擋板。

2）撤除LD激光器，接好電系統(tǒng)及水系統(tǒng)，檢查無(wú)誤后開(kāi)啟水系統(tǒng)，稍等幾秒再開(kāi)啟電系統(tǒng)。

3）開(kāi)啟電系統(tǒng)后，設(shè)置激光電源注入能量及脈寬等參數(shù)，分別在5ms、10ms時(shí)改變注入能量，測(cè)量輸出能量。每次測(cè)量時(shí)，將擋板迅速抽開(kāi)再?gòu)?fù)位，使得每次只有一個(gè)激光巨脈沖進(jìn)入探頭。

4）在能量計(jì)上讀數(shù)。用示波器及連續(xù)探頭監(jiān)測(cè)到在5ms、10ms時(shí)的波形如圖1。

3 總結(jié)與展望

從整個(gè)系統(tǒng)來(lái)看，脈寬可調(diào)Nd3+:YAG激光器使用的是脈沖氙燈，電源為長(zhǎng)脈寬電源，屬于脈沖激光器；從輸出特性看，脈寬可調(diào)Nd3+:YAG激光器的輸出相當(dāng)于連續(xù)激光。但是連續(xù)激光器的脈寬不可調(diào)，而此次我們所研究的長(zhǎng)脈寬脈沖激光器可以通過(guò)控制脈沖燈光的脈寬來(lái)控制其輸出的激光脈寬。

由于實(shí)驗(yàn)條件有限，對(duì)Nd3+:YAG長(zhǎng)脈寬脈沖激光器輸出激光特性進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究還不完善，還可將實(shí)驗(yàn)條件細(xì)致化，研究輸出激光的特性。在以后的研究中可將這一部分進(jìn)行具體研究，了解各部分器件對(duì)輸出端輸出激光特性的影響。

［1］Linford， Gary J， Hill Lowell W . Nd：YAG Long Lasers［J］.Applied Optics，1974 ， 13 （6）：1387-1394.

［2］樊丁，余淑榮.激光焊接發(fā)展現(xiàn)狀及動(dòng)向［J］.甘肅工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，29（1）：15-18.

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1674-6708（2015）147-0148-02