長脈寬脈沖激光器的實驗與輸出特性研究

杜 丹，夏 騰

長春中國光學科學技術館，吉林長春 130117

長脈寬脈沖激光器的實驗與輸出特性研究

杜 丹，夏 騰

長春中國光學科學技術館，吉林長春 130117

長脈寬激光器被廣泛應用在激光加工行業(yè)，它有著重要的實用價值，因而研究其有著十分重要的意義。本論文主要搭建了Nd3+：YAG長脈寬脈沖激光器，研究脈寬可調的Nd3+：YAG長脈寬脈沖激光器在不同條件下的輸出特性。并設計制作了擴束聚焦系統(tǒng)，初步進行了脈寬可調脈沖激光器的激光焊接實驗。文章通過一系列實驗研究，獲得了平面平行腔腔長脈寬激光器的輸出特性的特點，通過進一步搭建長脈寬脈沖激光焊接機進行焊接實驗，得出了該實驗系統(tǒng)基本可以滿足焊接要求的結論。

長脈寬；Nd3+：YAG；激光器

1 緒論

在固體激光器中，通常采用由氣體放電燈放電形成的高亮度輻射源—光泵，作為泵浦手段。光泵是激光器中的一個重要部件，它能泵浦足夠高的能量。工作物質的強吸收光譜應落在光泵的輻射光譜帶內，即實現(xiàn)光譜匹配。

激光器泵浦方式有很多種，例如光激勵、放電激勵、化學激勵、核能激勵等等。采用光激勵和放電激勵時，激光器必須配有一臺與其相適應的電源。固體激光器可分為脈沖、連續(xù)以及脈寬可調幾種工作方式，則相應的激光電源應與之匹配。長脈寬激光器正是采用了新型脈寬可調諧激光器電源，才使得激光器有了新的輸出特性。對固體激光器的電源來說，它的負載為一氣體放電器件。例如，Nd3+:YAG激光器的工作物質為一摻釹釔鋁石榴石晶體，該晶體就是吸收氣體放電器件，脈沖氙燈在弧光放電時，在0.7～0.9μm范圍內的光能可以形成受激輻射。為點燃脈沖氙燈，就須具有用電容器做儲能器的放電電路，以及儲能電容器的充電電路、氙燈的觸發(fā)電路。它們實際上就組成了一個完整的激光器電源電路。

最早出現(xiàn)的固體激光器的電源采用的是直流電源經(jīng)過限流電阻R給儲能電容C充電，也就是RC充電方式。這樣的電源只能在低重復頻率下和要求電源充電效率不高的情況下使用。隨著新型激光裝置的出現(xiàn)，對激光器電源提出例如高效率、高重復頻率、低成本以及高可靠性等諸多要求。為滿足低頻大能量工作下的激光裝置，如紅寶石激光器、釹玻璃激光器，研制出了LC恒流充電的電路。它的特點就是以恒定電流給儲能的電容器充電，提高充電效率和電源的穩(wěn)定性。為滿足高重復頻率下的激光裝置，從而研制出直流LC諧振充電式電源。有效地解決了激光器電源在高頻下工作的充電效率的問題，并且克服了脈沖氙燈連通現(xiàn)象。存在的主要問題就是體積及重量不能明顯減小，但是這種類型的電源目前仍廣泛應用。

為進一步減小體積及重量并提高充電精度，人們把開關電源技術引入到激光器電源中。80年代，出現(xiàn)用快速晶閘管做電子開光的逆變器充電電路，它的出現(xiàn)解決了電源存在的體積及重量問題。但晶閘管的工作頻率限制在10kHz以下，并控制電路比較復雜。

2 實驗分析

本實驗系統(tǒng)主要由三部分組成：光學部分、激光電源部分以及水冷部分。

激光器前端是LD半導體激光器和小孔光闌，用來調節(jié)光路準直。

本實驗研究的為Nd3+:YAG長脈寬激光器，是一種固態(tài)晶體激光器，它采用Nd3+:YAG晶體作激光介質，Nd3+:YAG晶體是將激光介質釹（Nd）原子摻在晶體釔鋁石榴石（YAG）中，釹的原子百分比大約為1％。所以，Nd3+:YAG晶體的全稱是摻釹釔鋁石榴石晶體，Nd3+:YAG晶體一般被制作成棒狀。

本實驗系統(tǒng)采用雙脈沖氙燈串聯(lián)泵浦工作物質Nd3+:YAG，腔內為雙燈（氙燈）單棒（YAG晶體）結構。由于常用的泵浦燈在空間的輻射都是全方位的，但固體工作物質大多都加工成圓柱棒形狀，所以為了泵浦燈發(fā)出的光能都聚到工作物質上，必須采用聚光腔，提高泵浦轉化效率和泵浦光輻射均勻性。本實驗采用的是雙燈泵浦，所以最終選擇的是雙橢圓玻璃聚光腔，工作物質棒放在公共焦點上，激光器諧振腔膜片均由Φ20mm×3mm 的光學玻璃制成，兩表面各鍍對1064nm波長高反射膜與透射率T=30％的介質膜，分別安裝在兩個精密二維機械調整架上。

脈寬監(jiān)測系統(tǒng)：數(shù)字示波器、連續(xù)探頭。

測試系統(tǒng)如下。

1）數(shù)字示波器型號：Tektronix TDS2012B。

該示波器的通頻帶為100MHz，采樣速率1GS/s，帶有通用USB傳輸端，可將存儲的波形提取并傳輸?shù)接嬎銠C中。

2）連續(xù)探頭：本實驗使用的連續(xù)探頭為實驗室自制，光譜響應范圍為0.4-1.1微米。

激光脈寬的監(jiān)測：

用示波器和連續(xù)探頭來監(jiān)測輸出脈寬，讓輸出激光打到擋板上，用連續(xù)探頭接收漫反射回的少量激光，連接到數(shù)字示波器上。調示波器橫縱坐標量程，看到較好波形時，按下stop鍵，將其波形保存就可以了。

單脈沖激光能量的測量：

1）把激光能量計的探頭定位在激光器的輸出方向上，打開LD激光器，移動激光能量計的探頭，使準直光全部進入探頭并指示在能量計探頭的中心上，接著固定能量計探頭位置不動并在能量計前放置一擋板。

2）撤除LD激光器，接好電系統(tǒng)及水系統(tǒng)，檢查無誤后開啟水系統(tǒng)，稍等幾秒再開啟電系統(tǒng)。

3）開啟電系統(tǒng)后，設置激光電源注入能量及脈寬等參數(shù)，分別在5ms、10ms時改變注入能量，測量輸出能量。每次測量時，將擋板迅速抽開再復位，使得每次只有一個激光巨脈沖進入探頭。

4）在能量計上讀數(shù)。用示波器及連續(xù)探頭監(jiān)測到在5ms、10ms時的波形如圖1。

3 總結與展望

從整個系統(tǒng)來看，脈寬可調Nd3+:YAG激光器使用的是脈沖氙燈，電源為長脈寬電源，屬于脈沖激光器；從輸出特性看，脈寬可調Nd3+:YAG激光器的輸出相當于連續(xù)激光。但是連續(xù)激光器的脈寬不可調，而此次我們所研究的長脈寬脈沖激光器可以通過控制脈沖燈光的脈寬來控制其輸出的激光脈寬。

由于實驗條件有限，對Nd3+:YAG長脈寬脈沖激光器輸出激光特性進行的實驗研究還不完善，還可將實驗條件細致化，研究輸出激光的特性。在以后的研究中可將這一部分進行具體研究，了解各部分器件對輸出端輸出激光特性的影響。

［1］Linford， Gary J， Hill Lowell W . Nd：YAG Long Lasers［J］.Applied Optics，1974 ， 13 （6）：1387-1394.

［2］樊丁，余淑榮.激光焊接發(fā)展現(xiàn)狀及動向［J］.甘肅工業(yè)大學學報，2003，29（1）：15-18.

TN2

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1674-6708（2015）147-0148-02