楊俊梅, 曹澤新, 欒玉國, 羅宏超, 梅 迪

(沈陽航空航天大學(xué) 理學(xué)院, 沈陽 110136)

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LD泵浦機(jī)械斬波調(diào)Q激光器的設(shè)計

楊俊梅, 曹澤新, 欒玉國, 羅宏超, 梅 迪

(沈陽航空航天大學(xué) 理學(xué)院, 沈陽 110136)

主要通過理論上的設(shè)計,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。該方案通過機(jī)械斬波調(diào)Q的方式,給出一個鎖定功率不受Q開關(guān)限制,同時輸出激光的脈沖寬度接近于聲光調(diào)Q的輸出脈沖。設(shè)計主要通過分析開關(guān)時間、脈沖時間和儲能時間的關(guān)系,由馬達(dá)的轉(zhuǎn)動角速度、斬波片半徑來確定開槽寬度、擋光寬度。在設(shè)計激光脈沖輸出時,可根據(jù)加工要求,確定開關(guān)時間、脈沖寬度、儲能時間等3個參數(shù),并設(shè)計出相應(yīng)的斬波片。通過這種機(jī)械Q開關(guān)的設(shè)計,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題[6-11]。

針對脈沖激光器的低平均功率情況,目前國際通行的做法是使用MOPA(Master Oscillator Power Amplifier)結(jié)構(gòu)激光器來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,而對于長脈沖輸出的后面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方案在這類工業(yè)加工方面,起不到實(shí)際作用。由于長脈沖后面的連續(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)動長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,同時高性能脈沖巴條的昂貴價格還進(jìn)一步制約著這種類型激光器的開發(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)盤斬波機(jī)械調(diào)Q提供了充分的條件。國內(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脈沖方式驅(qū)動泵浦電源達(dá)到機(jī)械調(diào)Q開關(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)上來看,并不突出。

但這種具有綜合性能指標(biāo)的高峰值長脈寬激光脈沖,對工業(yè)加工來說,提供了一種新的激光光源參數(shù)。這種長壽命的激光光源,對于提高激光器工業(yè)加工效率和領(lǐng)域,滿足日益增加的激光工業(yè)加工需要,有著非?，F(xiàn)實(shí)的意義。基于激光焊接、熔覆、切割、打孔和毛化等激光工業(yè)加工需求,本文介紹一種通過高速馬達(dá)驅(qū)動斬波盤設(shè)計的機(jī)械Q開關(guān),對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。通過該機(jī)械Q開關(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)計工作,主要考慮機(jī)械斬波Q開關(guān)時間和腔型設(shè)計等對峰值功率、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)計主要結(jié)合激光毛化等激光工業(yè)熱加工需要,通過數(shù)值分析和實(shí)驗(yàn)來研發(fā)性能穩(wěn)定的高功率LD泵浦轉(zhuǎn)盤斬波機(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)計時主要通過高速馬達(dá)驅(qū)動轉(zhuǎn)盤斬波作為Q開關(guān),對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400 W～1 000 W的高頻激光脈沖。研制過程主要進(jìn)行諧振腔設(shè)計、激光束參數(shù)的確定和機(jī)械調(diào)Q系統(tǒng)的設(shè)計調(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,可以做到單個激光頭輸出400 W、2個激光器輸出約800 W和3個激光棒輸出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)計的重要參數(shù)。同時需要考慮轉(zhuǎn)速、開關(guān)時間和盤片開槽結(jié)構(gòu)設(shè)計等、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完整的機(jī)械調(diào)Q實(shí)際方案。

機(jī)械斬波調(diào)Q開關(guān)時間主要由電機(jī)的轉(zhuǎn)速、光束直徑和盤片直徑?jīng)Q定,根據(jù)開關(guān)時間的要求,來選擇電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

在機(jī)械斬波調(diào)Q激光器中,實(shí)現(xiàn)開關(guān)速度控制和一定脈寬的激光脈沖,需要對高速電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行有效控制和檢測,此外,連續(xù)可調(diào)性和高穩(wěn)定性也是對工業(yè)級產(chǎn)品的基本要求,電機(jī)轉(zhuǎn)動穩(wěn)定性不好,轉(zhuǎn)子動平衡校驗(yàn)不好,電機(jī)都會出現(xiàn)抖動現(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)計高穩(wěn)定性長壽命的機(jī)械調(diào)Q脈沖激光器,也要做好高速電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)的設(shè)計工作。

除以上研究內(nèi)容以外,本設(shè)計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開關(guān)的參數(shù)設(shè)計分析

設(shè)計時首先通過對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,計算所需的開關(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)計諧振腔結(jié)構(gòu),完成激光器的理論設(shè)計工作。

機(jī)械斬波調(diào)Q是由斬波片實(shí)現(xiàn)Q開關(guān)的關(guān)閉和打開,當(dāng)腔內(nèi)激光光束被斬波片截斷時,Q開關(guān)關(guān)閉,實(shí)現(xiàn)激光介質(zhì)儲能;當(dāng)斬波片的通光孔徑掃過光路時,Q開關(guān)打開,產(chǎn)生巨脈沖輸出。Q開關(guān)打開速度越慢,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開關(guān)打開時間。對于機(jī)械斬波調(diào)Q來說,開關(guān)時間為斬波片開槽處掃過腔內(nèi)光束的時間,光束越細(xì),掃過速度越高,則開關(guān)時間越短。

設(shè)計的主要參數(shù)指標(biāo)有開關(guān)時間、脈沖時間、儲能時間。設(shè)馬達(dá)的轉(zhuǎn)動角速度用ω表示、斬波片半徑r、轉(zhuǎn)速v=2πrω、開槽角度θ1、擋光部分角度θ2、開槽寬度L1=rθ1、擋光寬度L2=rθ2、光斑直徑d,以斬波片的半徑計算時間,則激光光斑被斬波片開槽處掃過的開關(guān)時間為t1=d/v,從Q開關(guān)打開出光,到光斑被完全截斷的時間段為激光脈沖寬度

(1)

儲能時間t3為Q開關(guān)閉合到剛開始打開的這段時間

(2)

斬波片每轉(zhuǎn)一圈,輸出的脈沖數(shù)量為開槽數(shù)

(3)

開關(guān)時間、脈沖寬度、儲能時間與馬達(dá)的轉(zhuǎn)速有很緊密的關(guān)系。不同轉(zhuǎn)速的驅(qū)動馬達(dá)驅(qū)動斬波片,想要輸出的脈沖寬度相當(dāng),斬波片的設(shè)計半徑、開槽數(shù)量、開槽角度都得做相應(yīng)的變化。擋光角度大,在同一馬達(dá)驅(qū)動下,儲能時間會充足,但是輸出的脈寬會變窄。設(shè)計激光脈沖輸出時,應(yīng)根據(jù)加工要求,給出開關(guān)時間、脈沖寬度、儲能時間這3個重要的參數(shù)。

根據(jù)以上設(shè)計思路,如圖1,設(shè)計了轉(zhuǎn)速在3 000rpm時,斬波片半徑為100mm的斬波片,輸出脈寬分別為1ms、2ms的參數(shù),來驗(yàn)證機(jī)械斬波的輸出效果,更詳細(xì)的參數(shù)見表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)計中,腔內(nèi)損耗從一開始的最大值,到完全打開時的最小值,機(jī)械Q開關(guān)打開時間約為200 μs。這個開關(guān)時間遠(yuǎn)大于電光Q開關(guān)1 ns左右的打開時間,不能忽略,需要考慮Q開關(guān)的打開速率對輸出脈沖的影響。因此要考慮開關(guān)速度隨時間變化的激光調(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;光子在光腔中來回一周所需時間為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開關(guān)打開速度,圖2腔內(nèi)損耗瞬時從最大值變化到最小值,根據(jù)模擬計算,反轉(zhuǎn)粒子數(shù)在約10 ns時間內(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開關(guān)打開后,隨斬波片開槽邊緣掃過激光通過口徑時,腔內(nèi)損耗隨時間變化的情形時,數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)激光脈沖寬度隨著打開時間長度的增加而增加。由于腔內(nèi)損耗和Q開關(guān)打開孔徑之間的關(guān)系比較復(fù)雜,主要嘗試了腔內(nèi)損耗按指數(shù)衰減和線性衰減等2種方式來模擬Q開關(guān)打開時腔內(nèi)損耗和時間的關(guān)系。圖3顯示,Q開關(guān)打開時腔內(nèi)損耗率隨時間線性變化的光子數(shù)密度和反轉(zhuǎn)粒子數(shù)隨時間變化的情況,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)損耗隨時間線性變化的光子數(shù)密度和反轉(zhuǎn)粒子數(shù)

3 設(shè)計結(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LD線陣模塊,等間距呈環(huán)繞結(jié)構(gòu)直接泵浦Nd:YAG晶體棒。每個泵浦列陣模塊包括5個額定輸出功率為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開關(guān)采用轉(zhuǎn)速為3 000 rpm的高速馬達(dá),調(diào)Q用轉(zhuǎn)盤使用開孔的φ200 mm×100 μm鋁盤片,并購置相關(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)的檢測主要使用激光熒光卡、高靈敏度光電管檢測器、高頻示波器、激光功率計和激光光斑品質(zhì)分析系統(tǒng)等進(jìn)行激光檢測。

實(shí)驗(yàn)首先在光路上組裝激光頭、機(jī)械Q開關(guān)和前后鏡,將機(jī)械Q開關(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。并通過擴(kuò)束鏡和聚焦鏡,對碳鋼、鋁材等材料進(jìn)行初步毛化加工實(shí)驗(yàn)。

針對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題,通過設(shè)計一種斬波片機(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,由于沒有Q開關(guān)的閾值限制,諧振腔內(nèi)還可以放置多個激光頭,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。

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51101105)。

楊俊梅(1979-),女,天津人,沈陽航空航天大學(xué)講師,碩士。

1673-5862(2016)04-0449-05

TG155

A

10.3969/ j.issn.1673-5862.2016.04.015