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rofin公司光纤激光器与盘片激光器性能对比

2013-05-20 09:17
科技潮人
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  ——随着高功率连续激光器领域的飞速发展,在过去的十年里,高功率盘片激光器和光纤激光器的性能引起了广泛关注。

  这两种技术仍然是许多会议,研讨会和论文讨论的焦点,它们代表了目前最先进的用于材料加工的工业高功率固体激光器。两种激光器都是重要的1μm光源,在会上,对两种技术都有过研究的制造商客观公正的评论了这两种不同的技术。

  考虑到激活材料的几何形态,谐振腔的设计,冷却系统以及关于泵浦光质量和功率提升的相关理论,我们将讨论这些不同的方法的优势,所面临的挑战以及技术上的限制。

  ROFIN针对两种激光器做了大量工业实验,并提出了对它们未来趋势和发展机会的展望,尤其是对光纤激光器的展望。

  德国汉堡的Rofin-Sinar激光器股份有限公司自二十世纪八十年代起就开始生产激光器,在整个Rofin家族中,汉堡的总部是Macro Group的核心,Rofin Macro也曾推出过多款千瓦量级的激光器,包括准封离型CO2板条激光器,二极管泵浦的棒状和盘片激光器,以及紧凑高效的新型光纤激光器。这使得公司在工业激光器领域有着举足轻重的地位。

  激活材料——镱

  早期激光激活材料的主要掺杂离子为钕离子,这种材料的阈值比较低,但量子缺陷和其他热源的存在导致Nd:YAG出现高的热负载,热透镜效应限制了它的输出功率和光束质量。然而镱离子的能量存储时间比钕离子长,它可以使泵浦半径集中,从而提高效率。但是Yb2+的二能级结构在YAG内导致准三能级的形成。在室温下,阈值泵浦功率密度要达到1.5kW/cm2才能输出激光。

  Yb:YAG通常可以由InGaAs激光二极管来泵浦,掺杂浓度可以高达20%,Yb:YAG没有受激吸收和上转换过程,但是需要冷却。这种特性自然导致了激光器向薄片型和长纤型方向发展。光纤材料一般是玻璃,吸收泵浦波长为976nm,但斯托克斯能级仍需降低,热负载情况仍待改善。

  盘片激光器

  1994年A. Giesen小组提出了端泵Yb:YAG盘片激光器的概念。随后,Rofin用了100~200μm厚,直径18mm的Yb:YAG作为激光介质,后端面镀有940~1030nm高反膜,用水降温以减少热透镜效应,前端面是1~2mm厚的蓝宝石基底,基底外端面镀了对泵浦光和信号光高透的膜。为了简化谐振腔,令后端面到输出镜的距离为1m。

  泵浦光是综合考虑八束光的几何分布和偏振程度而堆叠成的均匀光斑。使用抛物镜和反射镜令泵浦光多次通过介质,可以使得吸收的泵浦光达到95%以上。为了避免温度影响,提高效率,需要扩大泵浦光斑半径。一个标准的蓝宝石盘片线性谐振腔输出功率达2.5kW,光束参量积小于10mm·mrad。但是蓝宝石的热影响比较大,容易导致光束畸形,所以Rofin改用钻石作基底。这种设计有两种好处:第一,基底在Yb:YAG盘片的后端面,消除了谐振腔内的热负载。第二,钻石的导热性很好,便于盘片的冷却。

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