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碟片激光器是固体激光器发展的新时代

碟片激光器是固体激光器发展的新时代

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  2012年6月在斯图加特举办了激光器应用及材料加工激光源的LASYS 2012展览会及其相关会议,斯图加特是德国通快的故乡,也是斯图加特大学激光工具学院(IFSW)的所在地和碟片激光器的起源地(20世纪90年代早期)。在LASYS 2012展会上,IFSW Stuttgart和德国通快(TRUMPF)表示,碟片激光器在激光制造领域站稳了脚跟。

  IFSW总监Thomas Graf教授主持斯图加特激光器技术论坛(the Stuttgart Laser Technology Forum),适逢LASYS展会。Thomas Graf教授介绍了研究所的碟片激光器研发方向。

  “大体上来讲,在IFSW上,我们可以看出碟片激光器的三大研发趋势:进一步提高CW多功率薄片激光器的光束质量,开发平均功率为千瓦级的超短脉冲薄碟片激光器和提高薄碟片激光器光束整形(偏振和波长选择)能力”。

  碟片激光器是二极管泵浦固体激光器,在20世纪90年代初期由Adolf Giesen在斯图加特大学首次将其证明。薄碟片中的增益介质是晶体,通常是Yb:YAG。Nd:YAG和用于宽波长调谐的掺镱增益介质。

  碟片激光器(Disk Laser)设计理念的提出,有效地解决了固体激光器的热效应问题,实现了固体激光器高平均功率、高峰值功率、高效率、高光束质量的完美结合。碟片激光器在汽车、船舶、铁路、航空、能源等领域成为不可替代的新型加工用激光光源,目前全球仅有德国Trumpf公司具有生产高功率碟片激光器的技术,最高功率达到16千瓦,光束质量达到8毫米毫弧度,实现了机械手的激光远程焊接和大幅面激光高速切割,为固体激光在高功率激光加工领域开辟了广阔的应用市场。

  碟片激光器的优势

  1、模块式结构

  碟片激光器采用模块式结构,各模块均可现场快速更换。冷却系统和导光系统与激光源集成在一起,结构紧凑,占地面积小,安装调试快。

  2、极好的光束质量,并且标准化

  通快所有超过2kW的碟片激光器,光束参数积(BPP)均被标准化8mm/mrad。激光器不随运行模式的变化而变化,且与通快所有光学元件兼容。

  3、由于碟片激光器内的光斑尺寸较大,因此各光学元件上承受的光功率密度较小。光学元件镀层的损坏阈值通常约为500MW/cm2,石英的损坏阈值为2--3GW/cm2.通快碟片激光器谐振腔内的功率密度通常小于0.5MW/cm2,耦合光纤上的功率密度小于30MW/cm2.如此低的功率密度不会造成光学元件的损坏,也不会产生非线性效应,从而确保了运行的可靠性。

  4、采用激光功率实时反馈控制系统

  实时反馈控制系统可使到达加T件上的功率保持稳定,加工结果具有极好的可重复性。碟片激光器预热时间几乎为零,可调功率范围1%--100%。由于碟片激光器彻底解决了热透镜效应的问题因此在整个功率范围内激光功率、光斑大小、光束发散角都是稳定的,光束的波前不发生畸变。

  5、光纤可在激光器继续运行的状态下即插即用

  在某一光纤出故障的情况下,更换该光纤时,只需关闭该光纤的光路,不必关机,其它光纤可继续输出激光。光纤更换操作简单,即插即用,无需任何工具,也无需对准调校。街口处具有防尘装置,严密防止灰尘光纤连接进入光学元件区域。

  6、安全可靠

  加工过程中,即使被加工的材料发射率很大,以致有激光回射到激光器内,对于激光器本身以及加工效果均无影响,也对材料加工、光纤长度无任何限制。激光操作安全性获德国安全证书。

  7、抽运二极管模块更简单迅速

  安装在抽运模块上的二极管阵列也是模块结构。二极管阵列模块具有很长的使用寿命,其保修期为3年或2万小时。无论是有计划的更换,还是因突发故障需要立即更换都无需停机。在某一个模块出故障时,控制系统会报警并自动适当提高其它模块的电流以保持激光输出功率恒定,用户还可以继续工作十几甚至几十个小时。生产现场更换抽运二极管模块非常简单,操作人员无需培训。

  结语

  碟片激光器由于解决了传统固体激光器的热透镜效应问题,即使在大功率下也能保持良好的光束质量。转换效率高,运行费用低的特点使其在工业应用中发挥着独特的优势。随着每块碟片晶体的激光输出功率能力的不断增强,碟片激光器最大输出功率将不断创新高,而价格将逐渐下降,其在工业制造业中应用也将越来越广泛。

  转载自OFweek 激光网