Compacte, krachtige NdYAG-laser met eindvermogen

Abstract

  We presenteren een compacte diode en eindgepompte Nd: YAG-laser voor materiaalverwerking met een uitgangsvermogen van 238 W, een optisch-optische ef fi ciëntie van 48% en een hellingefficiëntie van 60%. Dit is naar ons beste weten de hoogste optische ef fi ciëntie voor een hoogvermogen end-pumped Nd: YAG laser.

  1. Inleiding

  Op veel gebieden van materiaalverwerking worden krachtige laserbronnen gebruikt. Een compact laserontwerp maakt het gebruik van de vrije voortplantingslaserstraal mogelijk in plaats van een leveringsconfiguratie van een vezel. Speciaal voor compacte geautomatiseerde glassnij-systemen zijn laserbronnen met een vermogensbereik van 200-300W vereist. We presenteren een compact diodeleergepompt laserontwerp met een uitgangsvermogen van 238 W en een voetafdruk van minder dan 30 × 12 cm2.

  2. Lasconcept

  Om een ​​hoog uitgangsvermogen met een hoge ef fi ciëntie te bereiken, werd een eindgepompt laserkop met een samengestelde Nd: YAG-laserstaaf ontwikkeld, zie Fig. La. De samengestelde Nd: YAG staaf had een diameter van 5 mm met 7 mm niet-gedoteerde einddoppen en een 40 mm lang laag gedoteerd gebied met 0,1 at% doteermiddelconcentratie. Het volledige gedoteerde gebied kan ef fi ciënt met water worden gekoeld over het staafoppervlak en daarom worden maximale temperatuur en oppervlaktespanning op de laserstaaf aanzienlijk verminderd als gevolg van de niet-gedoteerde gebieden [1,2]. Een diodestaafstapel (Jenoptik Laserdiode, JOLD-400-CAXH-12A) met een maximaal uitgangsvermogen van 500 W in een focus van 4,3 x 3,2 mm2 met een numerieke apertuur van NA ¼ 0,42 werd gebruikt als de pompbron. De 80 mm lange resonator werd gevormd door een vlakke pompspiegel die in hoge mate reflecterend was voor 1064 nm en zeer doorlaatbaar voor de 808 nm pompstraling en een vlakke uitgangskoppelaar. De voetafdruk van de gehele laserkop is 30 × 12 cm2 en slechts 10 cm hoog.

  Het oppervlak van de staaf was gepolijst en daarom diende de staaf als een golfgeleider voor het pomplicht vanwege totale interne reflectie vanwege de verschillen in brekingsindices van de YAG en het omringende koelwater. Om de longitudinale temperatuurverdeling in het laserkristal te effenen, werd een dubbele doorgang van het pomplicht toegepast door een sterk reflecterende coating aan de staafzijde tegenover de pompbron. De longitudinale temperatuurverdeling werd berekend voor een 0,1 at% dubbele doorgang en een 0,2 at% single-pass absorptie [3]. De berekende temperatuurgradiënt voor de dubbele doorloopcon fi guratie is 47 K en voor de configuratie met een enkele doorgang 156 K. De resultaten tonen aan dat verlaagde temperaturen bij hetzelfde geabsorbeerde vermogen kunnen worden bereikt binnen de dubbelgangscon fi guratie.

  3. Experimentele resultaten

  In de eerste experimenten werd de geoptimaliseerde uitgangskoppeltransmissie geverifieerd, zie Fig. 2a. Met een uitgangskoppeltransmissie van 18% werd het maximale uitgangsvermogen van 238 W met een optisch-optische ef fi ciëntie van 48% en 60% hellingefficiëntie bereikt, Fig. 2b. Dat is naar ons beste weten het hoogste uitgangsvermogen en hellingefficiëntie voor een enkeldradige diode- en eindgepompte Nd: YAG-laser. Voor het meten van het bundelprofiel van het systeem werd een CCD-camera gebruikt. Het laserstraalprofiel vertoonde een rechthoekige vorm zoals verwacht vanwege de rechthoekige pompvorm. Het geschatte bundelparameterproduct M2 was 80. Voor glassnijdenstoepassingen is deze bundelkwaliteit geschikt, maar niettemin kan de straalkwaliteit worden verbeterd met het optimaliseren van de pompvlekvorm. Daarom wordt aanbevolen om een ​​glazen staaf als een homogenisator [3] te gebruiken om een ​​cirkelvormige pompstip en vervolgens een meer cirkelvormige laserstraal te verkrijgen.

  Voor een lineaire holte zoals getoond in figuur la bestaat er een kritisch pompvermogen waarbij de toenemende thermische lens de laserholte onstabiel zal maken. Om de thermische lenseigenschappen van het systeem te evalueren, werd het uitgangsvermogen gemeten voor verschillende afstanden L van de uitgangskoppelaar naar de laserstaaf. Daarom kan het kritische pompvermogen voor een bepaalde lengte van de holte worden gedefinieerd op het punt waar de laser instabiel wordt. Om de brandpuntsafstand van de thermische lens te bepalen, werd het ABCD Matrix-formalisme gebruikt [4,5]. Het dioptrische vermogen per gelanceerd pompvermogen werd gemeten als 7 dpt / kW. Theoretische thermische lensberekeningen [6] voor een aan de einde gepompte laserstaaf met een diameter van 5 mm en een pompvlekgrootte van 4 mm in diameter geven een waarde van respectievelijk 7,6 en 8,5 dpt / kW voor tangentiële en radiale polarisatierichtingen. Dit is in goede overeenstemming met de gemeten waarde. Merk op dat de nauwkeurigheid bij het bepalen van de thermische belasting werd beperkt door de meetnauwkeurigheid, de onzekerheden van de waarden voor het model en de fout geïntroduceerd door de temperatuurafhankelijkheid van de thermische geleidbaarheid die niet wordt beschouwd. Daarom wordt de systematische fout geschat op 718% van de waarde van de thermische belasting [7].

  4. Conclusie

  We presenteerden een compacte diode- en eindpompt Nd: YAG laserbron met 238 W uitgangsvermogen, een hellingefficiëntie van 60% en een optisch tot optisch rendement van 48%. Het profiel van de straal van het systeem vertoonde een rechthoekige vorm die een gevolg is van de focussering van het pomplicht. Het pro fi el kan worden verbeterd door een homogenisator met pompstraal te gebruiken. Verder presenteerden we de dioptrische vermogenswaarde van het ontwerp (7 dpt / kW) die goed overeenkwam met de theoretische berekeningen.