Kompaktní vysoce výkonný NdYAG laser s koncovými výbojkami

Abstraktní

  Představujeme kompaktní laser Nd: YAG pro zpracování materiálů s výstupním výkonem 238 W, optickou až optickou účinností 48% a efektivitou sklonu 60%. To je podle našeho nejlepšího vědomí nejvyšší optická účinnost pro vysoce výkonný Nd: YAG laser s koncovým čerpáním.

  1. Úvod

  V mnoha oblastech zpracování materiálů se používají vysoce výkonné laserové zdroje. Kompaktní laserová konstrukce umožňuje použití volného rozšiřujícího se laserového paprsku namísto nastavení dodávky. Zvláště u kompaktních automatizovaných systémů pro řezání skla jsou vyžadovány laserové zdroje v rozsahu výkonu 200-300W. Představujeme kompaktní diodový koncový laserový projektor s výstupním výkonem 238 W a rozměrem stopy menší než 30 × 12 cm2.

  2.Laser koncept

  Aby bylo dosaženo vysokého výstupního výkonu s vysokou účinností, byla vyvinuta koncová čerpací laserová hlava s kompozitní laserovou tyčí Nd: YAG, viz obr. 1a. Kompozitní tyč Nd: YAG měla průměr 5 mm se 7 mm nezatíženými koncovkami a 40 mm dlouhou oblastí s nízkým dopadem s koncentrací 0,1% koncentrace dopantu. Celá dotovaná oblast může být účinně vodou chlazena nad povrchem tyče, a proto jsou maximální teploty a povrchové namáhání na laserové tyči podstatně sníženy v důsledku nedopálených oblastí [1,2]. Na zdroj čerpadla byl použit stožár diodových tyčí (Jenoptik Laserdiode, JOLD-400-CAXH-12A) s maximálním výstupním výkonem 500 W v ohnisku 4,3 × 3,2 mm2 s číselným průřezem NA ¼ 0,42. 80 mm dlouhý rezonátor byl tvořen rovinnou zrcadlovou zrcadlovkou, která byla vysoce citlivá pro 1064 nm a vysoko vysílající pro ozařování čerpadla o průměru 808 nm a rovinný výstupní vazební člen. Velikost stopy celé laserové hlavy je 30 × 12 cm2 a výšky pouze 10 cm.

  Povrch tyče byl leštěn a proto tyč sloužila jako vlnovod pro světlo čerpadla díky celkovému vnitřnímu odrazu kvůli rozdílům indexů lomu YAG a okolní chladicí vody. Za účelem vyhlazení podélného rozložení teploty v laserovém krystalu byl aplikován dvojitý průchod světla čerpadla použitím vysoce efektivního povlaku na straně tyče opačné k zdroji čerpadla. Podélné rozložení teploty bylo vypočteno pro 0,1% při dvojnásobném průchodu a 0,2% pro jednoúrovňovou absorpci [3]. Vypočítaný teplotní gradient pro konfiguraci dvojitého průchodu je 47 K a pro konfiguraci s jedním průchodem 156 K. Výsledky ukazují, že snížená teplota při stejné absorbované síle může být dosažena v rámci konfigurace dvojitého průchodu.

3.Prospěšné výsledky

  V prvních experimentech byl ověřen přenos optimalizované výstupní vazby, viz obr. 2a. Při přenosu výstupních vazeb 18% byl dosažen maximální výstupní výkon 238 W s optickou až optickou účinností 48% a 60% sklonovou účinností, obr. 2b. To je podle našich nejlepších znalostí nejvyšší výstupní výkon a účinnost sklonu pro jediný tyčový diod a laser Nd: YAG s koncovým vývěvem. Pro měření profilu svazku systému byla použita CCD kamera. Pro fi l laserového paprsku vykazoval obdélníkový tvar, jak se očekávalo kvůli tvaru obdélníkového čerpadla. Odhadovaný produkt s parametry paprsku M2 byl 80. Pro aplikace s řezáním skla je tato kvalita paprsku vhodná, ale přesto lze zlepšit kvalitu paprsku díky optimalizaci tvaru špičky čerpadla. Proto se doporučuje použít jako homogenizátor skleněnou tyč [3], aby se dosáhlo kruhového bodu čerpadla a následně kruhového laserového paprsku.

  U lineární dutiny, jak je znázorněno na obr. 1a, existuje kritická síla čerpadla, při níž zvyšující se tepelná čočka způsobí, že se dutina laseru stane nestabilní. Pro vyhodnocení vlastností tepelného čočky systému byl měřen výstupní výkon pro různé vzdálenosti L výstupního vazebního členu k laserové tyči. Proto může být rozhodující výkon čerpadla pro určitou délku dutiny definován v místě, kde se laser stává nestabilní. K určení ohniskové vzdálenosti tepelné čočky byl použit ABCD maticový formalismus [4,5]. Dioptrická síla na spouštěný výkon čerpadla byla měřena na 7 dpt / kW. Teoretické výpočty tepelných čoček [6] pro koncový čerpaný laserový prut o průměru 5 mm a velikosti špičky čerpadla o průměru 4 mm udávají hodnotu 7,6 a 8,5 dpt / kW pro směry tangenciální a radiální polarizace. To je v dobré shodě s naměřenou hodnotou. Mějte na paměti, že přesnost při určování tepelného zatížení byla omezena přesností měření, nejistotami hodnot modelu a chybou způsobenou teplotní závislostí tepelné vodivosti, která se nepřihlíží. Systémová chyba se proto odhaduje na 718% hodnoty tepelné zátěže [7].

  4. Závěr

  Představili jsme kompaktní diodový a koncový čerpací zdroj Nd: YAG s výkonem 238 W, efektivitou sklonu 60% a optickou až optickou účinností 48%. Pro fi lový nosník systému vykazoval obdélníkový tvar, který je důsledkem osvětlení čerpadla. Pro fi l lze zlepšit použitím homogenizátoru s paprskem. Dále jsme představili hodnotu dioptrického výkonu konstrukce (7 dpt / kW), která byla v souladu s teoretickými výpočty.