高功率高光束质量脉冲Nd:YAG激光器

　　目前国内外以激光二极管作为泵浦源的连续全固体激光器,由于有较高的效率和较好的光束质量在材料切割和焊接方面得到了大量应用。但对于有一定峰 值功率(数kW)和平均功率(数百W)的加工应用要求(如切割和焊接),二极管泵浦的全固态激光器的峰值功率受到了限制,而且高功率二极管的成本昂贵,而 自由运转的脉冲灯泵浦固体激光器因其性价比高、在材料加工领域仍有广泛应用[1]。工业应用中,金属和非金属材料的切割和焊接要求激光器具有较高的功率输 出和较好的光束质量,而灯泵浦的固体激光器有较强的热效应[2],在高功率输出的前提下,改善灯泵浦固体激光器的光束质量,具有实际意义。本文主要针对自 由运转的脉冲灯泵浦固体激光器进行了腔型的设计优化,保证输出高功率的前提下,提高了激光光束质量,并进行了初步的不锈钢切割加工实验。

　　1　理论分析

　　1.1　激光器谐振腔结构

　　固体激光器的光束质量由谐振腔的相关参数决定,谐振腔采用稳定腔。平-平对称腔虽然能够保证G参数随热焦距的变化在稳定区内移动,但在高激光功 率输出的情况下,光束质量较差,一般当激光功率为500~550 W时,光束参数积为20~24 mm·mrad[3],只能用芯径dcore≥600μm的光纤耦合输出[4]。尝试采用其它稳定腔型用以改善激光器的光束质量,尤其是改变激光器输出光 束的远场发散角,同时还要保证较大的基模光斑半径,这样能够保证高激光功率输出。理论认为,非对称结构的平-凹谐振腔能够在牺牲一定稳定区域的条件下实现 此目的。

　　图1所示为谐振腔结构简图,其中:d1为输出镜到晶体棒第一主面的距离,l为晶体棒的几何长度,d2为全反镜到晶体棒第二主面的距离,h=l/2n,其中n为晶体棒的折射率,ρ为全反镜凹面的曲率半径。

　　从图1建立的谐振腔模型出发,根据光学矩阵理论[5],可得基模光束的束腰半径

　　为了确定d1和d2的最佳取值,假设热焦距f固定不变,谐振腔的几何总长度L不变,理论计算中设l=160 mm,R=4 mm,L=720 mm,ρ=2 000 mm,f=300 mm(f随泵浦功率的增加而减小,可由实验测得,此处为泵浦灯输入电功率为12 kW时的热焦距),根据以上公式,进行模拟计算,当d2在44~560 mm范围内变化时,得到图2、图3关系曲线。

　　从图2、图3中可知,当d2=205~260 mm时,基模光束的束腰半径较大,基模和多模光束的远场发散角较小,光束参数积较小。当d2在此区间内选值时,可得到大的模体积,进而得到高激光功率的输 出。大的基模光斑和小的远场发散角有利于激光束的传输变换和聚焦,更适合加工应用。