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千瓦级碟片激光器正逐渐走向应用

2013-05-24 10:12
Hsiao Chen
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  ——千瓦级连续盘片激光器广泛用于工业制造,尤其是在汽车工业方面,主要用于切割和焊接。掺镱盘片激光器的功率高,光束质量好,效率高,可靠性高,投入少,运行成本低。基模皮秒盘片激光器可用于高产量高精度的微加工处理。继2008年西方光电子展推出的世界第一款工业级50W皮秒激光器之后,第二代的输出平均功率加倍,并且封装体积更小。锁模盘片激光器的平均输出功率远高于其他激光器,在实验室条件下明显超过100W。由于稳定谐振腔的腔长较长,它产生的数毫焦耳的脉冲能量可以比拟典型的超快放大器。此外,多激光光束的盘片激光技术已引起广泛关注,这项技术的目标是产生超过千兆瓦的超高峰值功率。

  几十年来,工业需求驱动着商业激光器市场的发展。为了解决温度造成的各种问题而制造出脉冲激光器。近年来,超快激光器用于制冷和精加工,其峰值功率高,成本低,对材料的热影响小。而且,皮秒系统比纳秒系统更简单稳定,为了产生高峰值功率,需要合理的增大光束直径以避免非线性效应。

  Yb:YAG盘片激光器

  Adolf Giesen小组最先研究了盘片激光器,其厚度不足1mm,而泵浦光斑大小要高一到两个数量级,这使得表面可以有效冷却,功率传输范围大,平均功率和峰值功率都很高。这种激光器具有以下特性:表面积对体积比很大,热透镜效应低;只需用一般的二极管作泵浦源,成本低;保持光强密度,增加泵浦光斑直径可以提高平均功率和峰值功率;非线性效应可以忽略不计;适合进行频率转换;对背向反射光不敏感。

  目前,二极管端泵掺镱YAG盘片激光器和钕掺杂材料盘片激光器都已成功研制,由于镱离子量子缺陷小,它所达到的功率是目前最高的。温度对Yb:YAG盘片激光器的平均功率有影响,若采用969nm的光做泵浦光就可以显著降低热负载。

  此外,在1030nm处的主增益峰值处有9nm的带宽,可以满足金属加工所需的亚皮秒工作持续时间的要求。Yb:YAG盘片激光技术为工业超快盘片激光器提供了良好的基础。

  在过去几年的研究中发现,所有的掺镱材料中,只有Yb:LuAG的制造过程与Yb:YAG相似,但其他材料在平均功率,光学效率和脉冲持续上也有很好的实验结果,尤其是Yb:Lu2O3有望成为未来超快盘片激光器的增益介质。

  超快盘片振荡器

  第一台锁模盘片振荡器是由瑞士联邦技术协会的Ursula Keller小组和斯图加特大学的Adolf Giesen共同制作的,可以获得4~16W的平均功率,之后的实验成功提升了平均功率、脉冲能量和强度,减小了脉冲持续时间,一部分材料获得了更宽的带宽。减小脉冲重复速率可以提高脉冲能量,但容易产生非线性效应和自相位调制。可以通过抽空谐振腔或充入低非线性效应气体来解决问题。

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