Laser compatto NdYAG a finezza compatto ad alta potenza

Astratto

  Presentiamo un laser Nd: YAG compatto a diodi e fine pompato per l'elaborazione di materiali con una potenza di uscita di 238 W, un'efficacia ottico-ottica del 48% e un'efficienza di pendenza del 60%. Ciò è al meglio delle nostre conoscenze la massima efficienza ottica per un laser Nd: YAG ad alta potenza con pompante finale.

  1. Introduzione

  In molti campi di lavorazione del materiale si utilizzano sorgenti laser ad alta potenza. Un design laser compatto consente l'utilizzo del raggio laser di propagazione libero invece di una configurazione di consegna in fi bra. Soprattutto per sistemi di taglio di vetro automatizzati compatti sono richieste sorgenti laser con una gamma di potenza di 200-300W. Presentiamo un design laser a diodo pompato compatto con una potenza di uscita di 238 W e una dimensione di ingombro inferiore a 30 × 12 cm2.

  2. Concetto di laser

  Al fine di ottenere un'elevata potenza di uscita con alta efficienza, è stata sviluppata una testa laser pompata a estremità con un'asta laser composita Nd: YAG, vedere la Fig. 1a. La bacchetta composita Nd: YAG aveva un diametro di 5 mm con cappucci di estremità non rivestiti da 7 mm e una regione con drogaggio basso di 40 mm con concentrazione di drogante allo 0.1%. La regione completa drogata può essere ef fi cientemente raffreddata ad acqua sulla superficie dello stelo e pertanto la temperatura massima e lo sforzo superficiale sull'asta laser sono sostanzialmente ridotti a causa delle regioni non rivestite [1,2]. Una pila di barre a diodi (Jenoptik Laserdiode, JOLD-400-CAXH-12A) con potenza di uscita massima di 500 W in una messa a fuoco 4,3 × 3,2 mm2 con apertura numerica di NA ¼ 0,42 è stata utilizzata come sorgente della pompa. Il risonatore lungo 80 mm era formato da uno specchio a pompa piana altamente riflettente per 1064 nm e altamente trasmissivo per la radiazione della pompa a 808 nm e un accoppiatore di uscita piano. La dimensione del footprint dell'intera testa laser è 30 × 12 cm2 e solo 10 cm di altezza.

  La superficie della barra è stata lucidata e pertanto l'asta ha funto da guida d'onda per la luce della pompa a causa della riflessione totale interna a causa delle differenze degli indici di rifrazione dello YAG e dell'acqua di raffreddamento circostante. Per uniformare la distribuzione della temperatura longitudinale nel cristallo del laser, è stata applicata una doppia passata della luce della pompa utilizzando un rivestimento altamente riflettente sul lato dello stelo opposto alla sorgente della pompa. La distribuzione della temperatura longitudinale è stata calcolata per un doppio passaggio di 0,1% e un assorbimento di passaggio singolo di 0,2% [3]. Il gradiente di temperatura calcolato per la con fi gurazione a doppio passaggio è di 47 K e per la configurazione a singola passata di 156 K. I risultati mostrano che all'interno della con fi gurazione a doppio passaggio è possibile ottenere temperature ridotte con la stessa potenza assorbita.

3. Risultati sperimentali

  Nei primi esperimenti, la trasmissione ottimizzata degli accoppiatori di uscita è stata verificata, vedi Fig. 2a. Con una trasmissione con accoppiatore di uscita del 18% è stata raggiunta la potenza massima in uscita di 238 W con un'efficacia ottico-ottica del 48% e 60% di efficienza di inclinazione, Fig. 2b. Per quanto ne sappiamo, la massima potenza in uscita e l'efficienza di pendenza per un laser a diodo a singola asta e Nd: YAG con estremità pompata. Per misurare il pro fi lo del raggio del sistema è stata utilizzata una telecamera CCD. Il profilo del raggio laser mostrava una forma rettangolare come previsto a causa della forma rettangolare della pompa. Il prodotto M2 del parametro del raggio stimato era 80. Per le applicazioni di taglio del vetro questa qualità del fascio è adatta, ma tuttavia la qualità del fascio può essere migliorata con l'ottimizzazione della forma dello spot della pompa. Pertanto, si raccomanda di usare una bacchetta di vetro come omogeneizzatore [3] per ottenere un punto circolare della pompa e successivamente un raggio laser più circolare.

Per una cavità lineare come mostrato nella figura 1a esiste una potenza critica della pompa in corrispondenza della quale la lente termica crescente farà sì che la cavità del laser diventi instabile. Per valutare le proprietà di lensing termico del sistema è stata misurata la potenza di uscita per diverse distanze L dell'accoppiatore di uscita sull'asta laser. Pertanto, la potenza critica della pompa per una determinata lunghezza della cavità può essere definita nel punto in cui il laser diventa instabile. Per determinare la lunghezza focale della lente termica è stato usato il formalismo della matrice ABCD [4,5]. La potenza diottrica per potenza della pompa avviata è stata misurata in 7 dpt / kW. I calcoli teorici delle lenti termiche [6] per un'asta laser pompata fine con diametro di 5 mm e una dimensione spot della pompa di 4 mm di diametro danno un valore di 7,6 e 8,5 dpt / kW per le direzioni di polarizzazione tangenziale e radiale, rispettivamente. Questo è in buon accordo con il valore misurato. Si noti che l'accuratezza nella determinazione del carico termico è stata limitata dalla precisione della misurazione, dalle incertezze dei valori per il modello e dall'errore introdotto dalla dipendenza dalla temperatura della conduttività termica che non viene considerata. Pertanto, l'errore sistematico è stimato pari al 718% del valore del carico termico [7].

  4. Conclusione

  Abbiamo presentato una sorgente laser Nd: YAG compatta ea diodo con potenza di uscita di 238 W, un'efficienza di pendenza del 60% e un'efficacia ottico-ottica del 48%. Il profilo del fascio del sistema ha mostrato una forma rettangolare che è una conseguenza della messa a fuoco della pompa. Il pro fi lo può essere migliorato utilizzando un omogeneizzatore del raggio della pompa. Inoltre abbiamo presentato il valore di potenza diottrica del progetto (7 dpt / kW) che era in buon accordo con i calcoli teorici.