楊俊梅, 曹澤新, 欒玉國(guó), 羅宏超, 梅 迪

(沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 理學(xué)院, 沈陽(yáng) 110136)

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LD泵浦機(jī)械斬波調(diào)Q激光器的設(shè)計(jì)

楊俊梅, 曹澤新, 欒玉國(guó), 羅宏超, 梅 迪

(沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 理學(xué)院, 沈陽(yáng) 110136)

主要通過(guò)理論上的設(shè)計(jì),給出一種LD泵浦機(jī)械斬波調(diào)Q全固態(tài)Nd:YAG脈沖激光器。該方案通過(guò)機(jī)械斬波調(diào)Q的方式,給出一個(gè)鎖定功率不受Q開(kāi)關(guān)限制,同時(shí)輸出激光的脈沖寬度接近于聲光調(diào)Q的輸出脈沖。設(shè)計(jì)主要通過(guò)分析開(kāi)關(guān)時(shí)間、脈沖時(shí)間和儲(chǔ)能時(shí)間的關(guān)系,由馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度、斬波片半徑來(lái)確定開(kāi)槽寬度、擋光寬度。在設(shè)計(jì)激光脈沖輸出時(shí),可根據(jù)加工要求,確定開(kāi)關(guān)時(shí)間、脈沖寬度、儲(chǔ)能時(shí)間等3個(gè)參數(shù),并設(shè)計(jì)出相應(yīng)的斬波片。通過(guò)這種機(jī)械Q開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì),給出了脈寬范圍在0.2～4 ms,脈寬范圍參數(shù)可調(diào),單脈沖能量0.1～2 J,脈沖頻率可調(diào)的激光脈沖輸出。該脈沖激光器,可以突破聲光調(diào)Q的全固態(tài)Nd:YAG脈沖激光器的平均輸出功率200 W的瓶頸,以期解決部分激光加工如激光毛化等工業(yè)應(yīng)用的加工效率問(wèn)題。

固體激光器; 聲光調(diào)Q; 機(jī)械調(diào)Q; LD泵浦

0 引 言

脈沖激光器在激光工業(yè)加工中有廣泛應(yīng)用[1],除燈泵浦自由振蕩長(zhǎng)脈沖激光器外,工業(yè)加工用脈沖激光器大多是聲光調(diào)Q或電光調(diào)Q等全固態(tài)Nd:YAG激光器[2-5],在長(zhǎng)脈沖應(yīng)用方面燈泵浦Nd:YAG激光器還難以被替代。但由于聲光調(diào)Q開(kāi)關(guān)鎖定功率基本在200 W范圍內(nèi),使得當(dāng)前工業(yè)所使用的這種聲光調(diào)Q脈沖激光器平均功率都在200 W以下,限制了該激光器的普及應(yīng)用。因此,如何提高脈沖激光器的平均輸出功率就成了激光工業(yè)加工應(yīng)用亟待解決的瓶頸問(wèn)題[6-11]。

針對(duì)脈沖激光器的低平均功率情況,目前國(guó)際通行的做法是使用MOPA(Master Oscillator Power Amplifier)結(jié)構(gòu)激光器來(lái)提高脈沖激光器輸出脈沖的峰值功率和單脈沖能量[12-15]。但MOPA結(jié)構(gòu)的脈沖激光器,能夠提高的主要是脈沖激光器的峰值功率,這部分能量在焊接等工業(yè)加工中主要產(chǎn)生阻礙光能吸收的等離子體羽,而對(duì)于長(zhǎng)脈沖輸出的后面200 W連續(xù)輸出部分,放大器基本起不到放大作用。而該連續(xù)段的平均功率,根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況,對(duì)激光工業(yè)熱加工,同樣有著非常重要的作用。并且激光焊接、合金化、熔覆、毛化等工業(yè)加工用脈沖激光器,對(duì)峰值功率的要求并不高,一般是在104～105W左右。一般的聲光調(diào)Q輸出的激光脈沖峰值功率已經(jīng)達(dá)到該要求,在很多工業(yè)加工方面還要采取一些措施,降低激光脈沖峰值功率,因此提高峰值功率的MOPA方案在這類(lèi)工業(yè)加工方面,起不到實(shí)際作用。由于長(zhǎng)脈沖后面的連續(xù)段的功率難以提高,這也是目前平均輸出功率不高、電光效率約3%的燈泵浦電源驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)脈沖激光器還在工業(yè)加工領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的主要原因之一[16]。而采用LD脈沖巴條作為泵浦源或光源,輸出的矩形脈沖波形并不能滿(mǎn)足高峰值功率要求的工業(yè)加工需要,1%的占空比極大的限制其使用效率,同時(shí)高性能脈沖巴條的昂貴價(jià)格還進(jìn)一步制約著這種類(lèi)型激光器的開(kāi)發(fā)使用。

60 k～100 krpm高速馬達(dá)和高功率LD泵浦巴條都有相當(dāng)成熟的產(chǎn)品,為高功率LD連續(xù)泵浦進(jìn)行轉(zhuǎn)盤(pán)斬波機(jī)械調(diào)Q提供了充分的條件。國(guó)內(nèi)相關(guān)這種調(diào)Q技術(shù)的研究也是基于燈泵浦,而燈泵浦激光器可以通過(guò)脈沖方式驅(qū)動(dòng)泵浦電源達(dá)到機(jī)械調(diào)Q開(kāi)關(guān)的脈沖輸出效果,因此,基于燈泵浦激光器,進(jìn)行機(jī)械調(diào)Q開(kāi)發(fā)意義不大。研制這樣一種平均輸出功率范圍在400 W～1 000 W、動(dòng)靜比可接近100%、脈寬可調(diào)的LD泵浦機(jī)械斬波調(diào)Q Nd:YAG脈沖激光器,從峰值功率、單脈沖能量等單純的激光參數(shù)指標(biāo)上來(lái)看,并不突出。

但這種具有綜合性能指標(biāo)的高峰值長(zhǎng)脈寬激光脈沖,對(duì)工業(yè)加工來(lái)說(shuō),提供了一種新的激光光源參數(shù)。這種長(zhǎng)壽命的激光光源,對(duì)于提高激光器工業(yè)加工效率和領(lǐng)域,滿(mǎn)足日益增加的激光工業(yè)加工需要,有著非常現(xiàn)實(shí)的意義?；诩す夂附?、熔覆、切割、打孔和毛化等激光工業(yè)加工需求,本文介紹一種通過(guò)高速馬達(dá)驅(qū)動(dòng)斬波盤(pán)設(shè)計(jì)的機(jī)械Q開(kāi)關(guān),對(duì)LD連續(xù)泵浦Nd:YAG激光器進(jìn)行機(jī)械斬波調(diào)Q,獲得所需要的激光脈沖。通過(guò)該機(jī)械Q開(kāi)關(guān),研制平均輸出功率達(dá)到400～1 000 W、脈寬從1 μs到連續(xù)波、頻率可達(dá)10 kHz等大范圍可調(diào)、動(dòng)靜比可接近100%的大功率LD泵浦機(jī)械斬波調(diào)Q脈沖Nd:YAG激光器。

1 機(jī)械斬波Q開(kāi)關(guān)的性能要求

全固態(tài)機(jī)械斬波激光器調(diào)Q激光器的設(shè)計(jì)工作,主要考慮機(jī)械斬波Q開(kāi)關(guān)時(shí)間和腔型設(shè)計(jì)等對(duì)峰值功率、主脈沖寬度、脈沖寬度、光束質(zhì)量等激光脈沖光束參數(shù)的影響。該設(shè)計(jì)主要結(jié)合激光毛化等激光工業(yè)熱加工需要,通過(guò)數(shù)值分析和實(shí)驗(yàn)來(lái)研發(fā)性能穩(wěn)定的高功率LD泵浦轉(zhuǎn)盤(pán)斬波機(jī)械調(diào)Q全固態(tài)Nd:YAG脈沖激光器。激光器的性能,要求動(dòng)靜比80%以上,平均輸出功率達(dá)到400～1 000 W,頻率可達(dá)到1 k～10 kHz,脈寬可調(diào),峰值功率在104～107W,適合當(dāng)前相關(guān)激光工業(yè)加工的需要。

設(shè)計(jì)時(shí)主要通過(guò)高速馬達(dá)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)斬波作為Q開(kāi)關(guān),對(duì)LD泵浦Nd:YAG激光器進(jìn)行機(jī)械斬波調(diào)Q,輸出平均功率輸出超過(guò)400 W～1 000 W的高頻激光脈沖。研制過(guò)程主要進(jìn)行諧振腔設(shè)計(jì)、激光束參數(shù)的確定和機(jī)械調(diào)Q系統(tǒng)的設(shè)計(jì)調(diào)試等幾方面的工作。

要研制400 W～1 000 W平均功率輸出的LD泵浦激光器,需要根據(jù)不同的功率要求,在腔內(nèi)放置一定數(shù)量的LD泵浦激光頭。研制的LD泵浦連續(xù)輸出Nd:YAG激光器,短腔情況下,45 A的泵浦電流,可以做到單個(gè)激光頭輸出400 W、2個(gè)激光器輸出約800 W和3個(gè)激光棒輸出1 100 W的平均功率。

機(jī)械斬波調(diào)Q激光器的脈沖性能是本設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。同時(shí)需要考慮轉(zhuǎn)速、開(kāi)關(guān)時(shí)間和盤(pán)片開(kāi)槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等、還要解決在保證峰值功率和不漏光的條件下,重復(fù)頻率、脈寬和泵浦功率等之間的關(guān)系,為高功率LD泵浦機(jī)械調(diào)Q全固態(tài)脈沖激光器的研制提供一個(gè)完整的機(jī)械調(diào)Q實(shí)際方案。

機(jī)械斬波調(diào)Q開(kāi)關(guān)時(shí)間主要由電機(jī)的轉(zhuǎn)速、光束直徑和盤(pán)片直徑?jīng)Q定,根據(jù)開(kāi)關(guān)時(shí)間的要求,來(lái)選擇電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

在機(jī)械斬波調(diào)Q激光器中,實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)速度控制和一定脈寬的激光脈沖,需要對(duì)高速電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行有效控制和檢測(cè),此外,連續(xù)可調(diào)性和高穩(wěn)定性也是對(duì)工業(yè)級(jí)產(chǎn)品的基本要求,電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)穩(wěn)定性不好,轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡校驗(yàn)不好,電機(jī)都會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象,影響諧振腔的穩(wěn)定性和激光脈沖的輸出。因此,要設(shè)計(jì)高穩(wěn)定性長(zhǎng)壽命的機(jī)械調(diào)Q脈沖激光器,也要做好高速電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作。

除以上研究?jī)?nèi)容以外,本設(shè)計(jì)還將就該激光器用于焊接、切割和毛化等材料加工進(jìn)行初步的實(shí)驗(yàn)分析檢驗(yàn)。

2 機(jī)械斬波Q開(kāi)關(guān)的參數(shù)設(shè)計(jì)分析

設(shè)計(jì)時(shí)首先通過(guò)對(duì)速率方程的理論分析,建立起高功率機(jī)械斬波調(diào)Q脈沖激光器的理論模型,計(jì)算所需的開(kāi)關(guān)速率和脈沖寬度等,理論上給出脈沖激光的光束參數(shù)及對(duì)機(jī)械斬波的要求,并根據(jù)諧振腔的穩(wěn)定性條件設(shè)計(jì)諧振腔結(jié)構(gòu),完成激光器的理論設(shè)計(jì)工作。

機(jī)械斬波調(diào)Q是由斬波片實(shí)現(xiàn)Q開(kāi)關(guān)的關(guān)閉和打開(kāi),當(dāng)腔內(nèi)激光光束被斬波片截?cái)鄷r(shí),Q開(kāi)關(guān)關(guān)閉,實(shí)現(xiàn)激光介質(zhì)儲(chǔ)能;當(dāng)斬波片的通光孔徑掃過(guò)光路時(shí),Q開(kāi)關(guān)打開(kāi),產(chǎn)生巨脈沖輸出。Q開(kāi)關(guān)打開(kāi)速度越慢,脈沖的峰值功率越低,可以根據(jù)不同的峰值功率和脈寬需要,設(shè)定Q開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)間。對(duì)于機(jī)械斬波調(diào)Q來(lái)說(shuō),開(kāi)關(guān)時(shí)間為斬波片開(kāi)槽處掃過(guò)腔內(nèi)光束的時(shí)間,光束越細(xì),掃過(guò)速度越高,則開(kāi)關(guān)時(shí)間越短。

設(shè)計(jì)的主要參數(shù)指標(biāo)有開(kāi)關(guān)時(shí)間、脈沖時(shí)間、儲(chǔ)能時(shí)間。設(shè)馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度用ω表示、斬波片半徑r、轉(zhuǎn)速v=2πrω、開(kāi)槽角度θ1、擋光部分角度θ2、開(kāi)槽寬度L1=rθ1、擋光寬度L2=rθ2、光斑直徑d,以斬波片的半徑計(jì)算時(shí)間,則激光光斑被斬波片開(kāi)槽處掃過(guò)的開(kāi)關(guān)時(shí)間為t1=d/v,從Q開(kāi)關(guān)打開(kāi)出光,到光斑被完全截?cái)嗟臅r(shí)間段為激光脈沖寬度

(1)

儲(chǔ)能時(shí)間t3為Q開(kāi)關(guān)閉合到剛開(kāi)始打開(kāi)的這段時(shí)間

(2)

斬波片每轉(zhuǎn)一圈,輸出的脈沖數(shù)量為開(kāi)槽數(shù)

(3)

開(kāi)關(guān)時(shí)間、脈沖寬度、儲(chǔ)能時(shí)間與馬達(dá)的轉(zhuǎn)速有很緊密的關(guān)系。不同轉(zhuǎn)速的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)斬波片,想要輸出的脈沖寬度相當(dāng),斬波片的設(shè)計(jì)半徑、開(kāi)槽數(shù)量、開(kāi)槽角度都得做相應(yīng)的變化。擋光角度大,在同一馬達(dá)驅(qū)動(dòng)下,儲(chǔ)能時(shí)間會(huì)充足,但是輸出的脈寬會(huì)變窄。設(shè)計(jì)激光脈沖輸出時(shí),應(yīng)根據(jù)加工要求,給出開(kāi)關(guān)時(shí)間、脈沖寬度、儲(chǔ)能時(shí)間這3個(gè)重要的參數(shù)。

根據(jù)以上設(shè)計(jì)思路,如圖1,設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)速在3 000rpm時(shí),斬波片半徑為100mm的斬波片,輸出脈寬分別為1ms、2ms的參數(shù),來(lái)驗(yàn)證機(jī)械斬波的輸出效果,更詳細(xì)的參數(shù)見(jiàn)表1。根據(jù)這2組斬波片參數(shù),研制了機(jī)械斬波的LD泵浦Nd:YAG脈沖激光器。

(a)—脈寬為1 ms的斬波片; (b)—脈寬為2 ms的斬波片

在本項(xiàng)設(shè)計(jì)中,腔內(nèi)損耗從一開(kāi)始的最大值,到完全打開(kāi)時(shí)的最小值,機(jī)械Q開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)間約為200 μs。這個(gè)開(kāi)關(guān)時(shí)間遠(yuǎn)大于電光Q開(kāi)關(guān)1 ns左右的打開(kāi)時(shí)間,不能忽略,需要考慮Q開(kāi)關(guān)的打開(kāi)速率對(duì)輸出脈沖的影響。因此要考慮開(kāi)關(guān)速度隨時(shí)間變化的激光調(diào)Q速率方程:

(4)

(5)

式中:dN/dt表示光子數(shù)密度變化率;dδn/dt為反轉(zhuǎn)粒子數(shù)變化速率;N為光子數(shù)密度;δn是反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度;σ32為受激輻射截面;v是光子在腔內(nèi)的速率;光子在光腔中來(lái)回一周所需時(shí)間為t1;γ為每次激光脈沖在腔內(nèi)每次震蕩的損耗率。

表1 脈寬為1 ms、2 ms的斬波片相關(guān)參數(shù)Tab.1 Chopping plate (pulse width 1 ms、2 ms) relative parameters

在不考慮Q開(kāi)關(guān)打開(kāi)速度,圖2腔內(nèi)損耗瞬時(shí)從最大值變化到最小值,根據(jù)模擬計(jì)算,反轉(zhuǎn)粒子數(shù)在約10 ns時(shí)間內(nèi)迅速下降為零。腔內(nèi)光子數(shù)急劇增加后由于損耗也迅速減少為零,激光脈沖寬度約為20 ns。當(dāng)考慮Q開(kāi)關(guān)打開(kāi)后,隨斬波片開(kāi)槽邊緣掃過(guò)激光通過(guò)口徑時(shí),腔內(nèi)損耗隨時(shí)間變化的情形時(shí),數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)激光脈沖寬度隨著打開(kāi)時(shí)間長(zhǎng)度的增加而增加。由于腔內(nèi)損耗和Q開(kāi)關(guān)打開(kāi)孔徑之間的關(guān)系比較復(fù)雜,主要嘗試了腔內(nèi)損耗按指數(shù)衰減和線(xiàn)性衰減等2種方式來(lái)模擬Q開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)腔內(nèi)損耗和時(shí)間的關(guān)系。圖3顯示,Q開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)腔內(nèi)損耗率隨時(shí)間線(xiàn)性變化的光子數(shù)密度和反轉(zhuǎn)粒子數(shù)隨時(shí)間變化的情況,從中可看出,激光脈沖寬度可以達(dá)到1 μs。

圖2 腔內(nèi)損耗瞬時(shí)變化的光子數(shù)密度和反轉(zhuǎn)粒子數(shù)

圖3 腔內(nèi)損耗隨時(shí)間線(xiàn)性變化的光子數(shù)密度和反轉(zhuǎn)粒子數(shù)

3 設(shè)計(jì)結(jié)論

實(shí)驗(yàn)使用與文獻(xiàn)[17]基本相同的實(shí)驗(yàn)裝置,激光頭為5個(gè)LD線(xiàn)陣模塊,等間距呈環(huán)繞結(jié)構(gòu)直接泵浦Nd:YAG晶體棒。每個(gè)泵浦列陣模塊包括5個(gè)額定輸出功率為40 W的連續(xù)808 nm LD巴條進(jìn)行泵浦,總泵浦光功率可達(dá)1 000 W,激光棒采用φ7 mm×99 mm,摻雜濃度為0.8%的Nd:YAG晶體棒,配備水冷系統(tǒng)、單片機(jī)控制系統(tǒng)和泵浦電源,機(jī)械Q開(kāi)關(guān)采用轉(zhuǎn)速為3 000 rpm的高速馬達(dá),調(diào)Q用轉(zhuǎn)盤(pán)使用開(kāi)孔的φ200 mm×100 μm鋁盤(pán)片,并購(gòu)置相關(guān)光學(xué)鏡片和其它元器件,使用氦氖激光器作為指示光進(jìn)行激光器光路安裝調(diào)整。輸出的激光光束參數(shù)和激光脈沖參數(shù)的檢測(cè)主要使用激光熒光卡、高靈敏度光電管檢測(cè)器、高頻示波器、激光功率計(jì)和激光光斑品質(zhì)分析系統(tǒng)等進(jìn)行激光檢測(cè)。

實(shí)驗(yàn)首先在光路上組裝激光頭、機(jī)械Q開(kāi)關(guān)和前后鏡,將機(jī)械Q開(kāi)關(guān)安放在激光泵浦頭和全反鏡之間的位置上進(jìn)行光路調(diào)試。然后在激光器正常工作的條件下,進(jìn)行機(jī)械斬波調(diào)Q實(shí)驗(yàn),測(cè)試調(diào)Q輸出的激光脈沖的峰值功率、脈寬等參數(shù)。在激光器穩(wěn)定工作后,機(jī)械激光器平均功率約350 W,突破聲光調(diào)Q的200 W功率的限制,激光脈沖的首脈沖寬度約為2 ms,脈沖峰值功率約為40 kW,并發(fā)現(xiàn)改變馬達(dá)轉(zhuǎn)速,首脈沖寬度有微小改變。并通過(guò)擴(kuò)束鏡和聚焦鏡,對(duì)碳鋼、鋁材等材料進(jìn)行初步毛化加工實(shí)驗(yàn)。

針對(duì)LD泵浦聲光調(diào)Q的Nd:YAG激光器存在聲光調(diào)Q裝置鎖定功率上限的問(wèn)題,通過(guò)設(shè)計(jì)一種斬波片機(jī)械調(diào)Q方式,提高了脈沖激光器的平均輸出功率。從現(xiàn)象上看,在同樣的激光參數(shù)條件下機(jī)械斬波調(diào)Q激光器輸出的激光脈沖在材料上產(chǎn)生的熔坑要比聲光調(diào)Q脈沖激光裝置深得多,能夠給出更大范圍的毛化參數(shù)。在單泵浦頭情況下,激光器的平均輸出功率可以達(dá)到400 W左右,由于沒(méi)有Q開(kāi)關(guān)的閾值限制,諧振腔內(nèi)還可以放置多個(gè)激光頭,可以大幅提高激光器的脈沖工作效率。

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Design of LD pumped mechanical chopping Q-switched laser

YANGJunmei,CAOZexin,LUANYuguo,LUOHongchao,MEIDi

(College of Science, Shenyang Aerospace University, Shenyang 110136, China)

A LD pumped mechanical chopping Q-switched Nd: YAG all solid-state pulse laser was designed in this article. The pulse width of the designed laser pulse output came from the mechanical chopping Q-switched laser approximated to the one produced from the acoustic-optic Q-switched laser, and the locked power of the designed laser was not restricted by the mechanical chopping Q-switch. This pulse laser is designed by analyzing the relationship between the switching time, pulse width and energy storage time. And the slot width and light block width in the chopper, were determined by the motor rotational speed and the chopper’s radius. In this designed pulse laser, the pulse width range was 0.2～4 ms with the adjustable frequency, and the single pulse energy was 0.1～2 J. The 200 W upper limit of the average output power of acoustic-optic Q-switched pulse lasers could be broken with this designed mechanical chopping Q-switched pulse laser, which could improve the working efficiency in some laser processing fields such as laser texturing.

solid laser; acoustic-optical Q-switched; mechanical Q-switched; LD pumped

2016-09-18。

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51101105)。

楊俊梅(1979-),女,天津人,沈陽(yáng)航空航天大學(xué)講師,碩士。

1673-5862(2016)04-0449-05

TG155

A

10.3969/ j.issn.1673-5862.2016.04.015