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。
1.2 激光器谐振腔参数优化
热效应是影响光束质量的一个重要因素,要实现高功率高光束质量的脉冲激光输出,必须考虑热焦距对光束质量的影响。连续固体激光器在热焦距计算方面有经验公式[6],但自由运转的脉冲激光器与连续固体激光器的热积累效果不同,经验公式不能直接应用于脉冲激光器的热焦距计算,可以用实验方法获得准确的热焦距[7]。经实验测量,确定晶体棒的热焦距随泵浦功率变化的关系曲线,其中,当泵浦灯输入电功率为12 kW时,晶体棒的热焦距f=300 mm。为确定谐振腔内各元件的相对位置,继续进行模拟计算,当泵浦灯输入的电功率由0~12 kW内变化时,基模光束束腰半径、基模光束远场发散角、多模光束远场发散角、光束参数积以及G参数随热焦距变化的关系曲线,见图4~8。
图4~7中的计算表明,当泵浦灯输入电功率为12 kW,即热焦距f=300 mm时,选取d2=260 mm能够获得较好的光束质量的激光束输出。图8表明,当泵浦灯的电功率增加时,热焦距f减小,G参数从点A下降,但并未像平-平对称腔的G参数规律那样经过临界稳定点B,而是经过了一段非稳区后又进入稳定区点C,图4~7中,热焦距f在300~420 mm处无实数解区域正好与图8中的非稳区部分对应。理论计算表明,虽然非对称平-凹腔提高了激光束的光束质量,但却是以牺牲较大的稳定区付出代价的,这也预示着实验中,当增加泵浦灯的电功率到达某一阶段时,输出激光的功率可能会下降少许或者持续不变,经过这段非稳区后,继续增加泵浦功率,激光输出功率继续增加。
2 实验研究
激光器主体部分采用双氙灯泵浦单棒Nd: YAG晶体,聚光腔为双椭圆陶瓷腔结构,晶体的掺杂原子分数为1%,谐振腔结构如图1所示,谐振腔各参数与理论计算中的参数相同,输出镜透射率T=70%,已优化至最佳[8]。泵浦灯的内阻
在工作稳定后基本不变,当泵浦灯电源以恒电流充电工作时必然有一最佳占空比与泵浦灯的内阻匹配,此状态下电源的最大电功率才能全部注入到泵浦灯上,这样能够使激光的输出功率达到最高。实验表明,泵浦灯电源最佳占空比为9%,当选定重复频率为45 Hz,脉宽为2 ms,电源额定功率为12kW时,测量激光输出功率与泵浦灯输入电压的关系曲线见图9。
图9中的轮廓线圈起的区域表明激光器工作在非稳区,电压在70~75 V范围内变化时,功率有所下降,当电压大于75 V后,激光器又进入稳定区工作,随着泵浦灯功率的增加,激光功率继续增加,这与理论计算吻合。实验中还发现,当泵浦灯的电功率加至最大12 kW时,单位电压内激光功率的增加量并未出现明显减少,这说明还可以通过提高泵浦灯电源的额定功率以提高激光输出功率,这一点在理论计算中也有所体现,图8中G参数变化曲线表明当热焦距f= 300 mm时,G参数刚刚到达稳区点C,而稳区中还有一段较长的距离,这说明可继续增加泵浦灯的输入电功率,可以获得更高的激光功率输出,但是从图7看到,当热焦距f<300 mm后,光束参数积逐渐变大,即光束质量开始变差,因此,实现高功率的激光输出还得兼顾好的光束质量。
当泵浦灯输入电功率为12 kW,选定重复频率45 Hz,脉宽为2ms时,激光平均功率最高,达476 W。此时,在距离输出镜面20 cm和120 cm处获取的光斑如图10所示,小光斑直径为3 mm,大光斑直径为20 mm,计算光束参数积为12.7 mm·mrad。但此方法测算的结果较真值大,实际真值要优于此结果。激光器可选用芯径dcore=300μm的光纤进行传输,其不稳定性优于±1%。
对该固体激光进行试切割实验,选定切割材料为不锈钢,厚度3 mm,激光束经扩束后再聚焦,聚焦镜焦距为100 mm,加工气体为压缩空气,气压0.6 MPa,激光脉冲频率为225 Hz,脉宽为0.4 ms,功率450 W,切割速度0.6 m/min,获得的切缝宽度为250μm。当不锈钢厚度为1.5 mm时,同等加工参数下,切割速度可达1.2m/min,切缝宽度仍为250μm。
3 结 论
本文利用非对称平凹谐振腔实现了高激光输出功率的同时得到高光束质量,这是以牺牲G参数临界稳定区的部分区域为代价的,但综合衡量,光束参数积优于12.7 mm·mrad,激光功率近480 W,电光效率近4%,芯径300μm的光纤传输稳定性优于±1%,切割性能优良。
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基金项目:国家自然科学基金项目(60678014)
作者简介:王宝华(1981—),男,硕士,实习研究员,主要从事固体激光技术研究; bhwang@semi.ac.cn。
