Laser NdYAG de alta potência compacto e bombeado

Abstrato

  Apresentamos um laser Nd: YAG bombeado por diodo e com terminação compacta para processamento de material com uma potência de saída de 238 W, uma eficiência óptica a óptica de 48% e uma eficiência de inclinação de 60%. Isto é, até onde sabemos, a mais alta eficiência ótica para um laser Nd: YAG bombeado de alta potência.

  1. Introdução

  Em muitos campos de processamento de materiais, são utilizadas fontes laser de alta potência. Um design compacto a laser permite o uso do feixe de laser de propagação livre em vez de uma configuração de entrega de fibra. Especialmente para sistemas de corte de vidro automatizados e compactos, são necessárias fontes de laser com faixa de potência de 200 a 300W. Apresentamos um projeto de laser de diodo bombeado com uma potência de saída de 238 W e um tamanho de base menor que 30 × 12 cm2.

  Conceito 2.Laser

  Para obter alta potência de saída com alta eficiência, foi desenvolvida uma cabeça de laser de bombeamento de extremidade com uma haste de laser Nd: YAG composta, veja a Fig. 1a. A haste composta Nd: YAG tinha 5 mm de diâmetro com 7 mm de extremidades não dopadas e uma região dopada com 40 mm de comprimento e 0,1% de concentração de dopante. A região dopada completa pode ser eficientemente resfriada a água sobre a superfície da haste e, portanto, a temperatura máxima e a tensão superficial na haste do laser são substancialmente reduzidas devido às regiões não dopadas [1,2]. Uma pilha de barra de diodos (Jenoptik Laserdiode, JOLD-400-CAXH-12A) com potência de saída máxima de 500 W em um foco de 4,3 × 3,2 mm2 com uma abertura numérica de NA = 0,42 foi usada como fonte de bomba. O ressonador de 80 mm de comprimento foi formado por um espelho de bomba plana altamente reflexivo para 1064 nm e altamente transmissivo para a radiação da bomba de 808 nm e um acoplador de saída plana. O tamanho da pegada de toda a cabeça do laser é de 30 × 12 cm2 e apenas 10 cm de altura.

  A superfície da haste foi polida e, portanto, a haste serviu de guia de ondas para a luz da bomba devido à reflexão interna total devido às diferenças dos índices de refração do YAG e da água de resfriamento circundante. Para suavizar a distribuição longitudinal da temperatura no cristal do laser, foi aplicada uma passagem dupla da luz da bomba usando um revestimento altamente reflexivo no lado da haste oposto à fonte da bomba. A distribuição longitudinal de temperatura foi calculada para uma passagem dupla de 0,1 a% e 0,2% de passagem única [3]. O gradiente de temperatura calculado para a configuração de passagem dupla é de 47 K e para a configuração de passagem única 156 K. Os resultados mostram que temperaturas reduzidas com o mesmo poder absorvido podem ser alcançadas dentro da configuração de passagem dupla.

  Resultados 3.Experimental

  Nos primeiros experimentos, a transmissão otimizada do acoplador de saída foi verificada, veja a Fig. 2a. Com uma transmissão acoplada de saída de 18%, a potência máxima de saída de 238 W com uma eficiência ótica para óptica de 48% e eficiência de inclinação de 60% foi alcançada, Fig. 2b. Isso é, até onde sabemos, a mais alta potência de saída e eficiência de inclinação para um laser Nd: YAG bombeado por diodo de haste simples e com bombeamento final. Para medir o perfil do feixe do sistema, foi utilizada uma câmera CCD. O perfil do feixe de laser mostrou uma forma retangular como era esperado devido à forma da bomba retangular. O produto do parâmetro de feixe estimado M2 foi de 80. Para aplicações de corte de vidro, essa qualidade de feixe é adequada, mas, no entanto, a qualidade do feixe pode ser melhorada com a otimização do formato do local da bomba. Portanto, recomenda-se usar uma vareta de vidro como homogeneizador [3] para obter uma mancha de bomba circular e, subsequentemente, um feixe de laser mais circular.

  Para uma cavidade linear, como mostrado na Fig. 1a, existe uma potência crítica da bomba na qual a lente térmica crescente fará com que a cavidade do laser se torne instável. Para avaliar as propriedades das lentes térmicas do sistema, a potência de saída foi medida para diferentes distâncias L do acoplador de saída para a haste do laser. Portanto, a potência crítica da bomba para um determinado comprimento de cavidade pode ser definida no ponto em que o laser se torna instável. Para determinar a distância focal da lente térmica foi utilizado o formalismo da matriz ABCD [4,5]. A potência dióptrica por potência de bombeamento lançada foi medida em 7 dpt / kW. Cálculos de lentes térmicas teóricas [6] para uma haste de laser de bombeamento de extremidade com 5 mm de diâmetro e um tamanho de ponto de bomba de 4 mm de diâmetro fornecem um valor de 7,6 e 8,5 dpt / kW para direções de polarização tangencial e radial, respectivamente. Isso está de acordo com o valor medido. Observe que a precisão na determinação da carga térmica foi limitada pela precisão da medição, pelas incertezas dos valores do modelo e pelo erro introduzido pela dependência da temperatura da condutividade térmica que não é considerada. Portanto, o erro sistemático é estimado em 718% do valor da carga térmica [7].

  4. Conclusão

  Apresentamos uma fonte de laser compacta Nd: YAG bombeada por diodo e final com uma potência de saída de 238 W, uma eficiência de inclinação de 60% e uma eficiência óptica a óptica de 48%. O perfil do feixe do sistema mostrou uma forma retangular que é uma conseqüência do foco de luz da bomba. O perfil pode ser melhorado usando um homogeneizador de feixe de bomba. Além disso, apresentamos o valor de potência dióptrica do projeto (7 dpt / kW) que estava em boa concordância com os cálculos teóricos.