Láser NdYAG de bombeo extremo compacto de alta potencia

Abstracto

  Presentamos un láser compacto Nd: YAG con diodo y bombeo terminal para el procesamiento del material con una potencia de salida de 238 W, una eficiencia óptica a óptica del 48% y una eficiencia de pendiente del 60%. Según nuestro mejor conocimiento, la mayor eficiencia óptica para un láser Nd: YAG de bombeo extremo de alta potencia.

  1. Introducción

  En muchos campos de procesamiento de materiales, se utilizan fuentes de láser de alta potencia. Un diseño láser compacto permite el uso del rayo láser de propagación libre en lugar de una configuración de entrega de fibra. Especialmente para sistemas de corte de vidrio automatizados compactos, se requieren fuentes láser en un rango de potencia de 200-300W. Presentamos un diseño láser de diodo compacto con extremo de bombeo con una potencia de salida de 238 W y un tamaño de huella inferior a 30 × 12 cm2.

  2. Concepto láser

  Para lograr una potencia de salida alta con alta eficiencia, se desarrolló un cabezal láser bombeado en el extremo con una varilla de láser Nd: YAG compuesta, véase la Fig. 1a. La varilla de Nd: YAG compuesta tenía 5 mm de diámetro con tapas de extremo no dopadas de 7 mm y una región de bajo dopado de 40 mm de largo con una concentración de dopante de 0,1 a%. La región dopada completa puede enfriarse eficientemente con agua sobre la superficie de la varilla y, por lo tanto, la temperatura máxima y la tensión superficial sobre la varilla láser se reducen sustancialmente debido a las regiones no dopadas [1,2]. Se utilizó una pila de barras de diodos (Jenoptik Laserdiode, JOLD-400-CAXH-12A) con una potencia de salida máxima de 500 W en un foco de 4.3 × 3.2 mm2 con una apertura numérica de NA ¼ 0.42 como fuente de la bomba. El resonador de 80 mm de longitud estaba formado por un espejo de bomba plano altamente reflectante para 1064 nm y altamente transmisivo para la radiación de la bomba de 808 nm y un acoplador de salida plana. El tamaño de la huella de toda la cabeza del láser es de 30 × 12 cm2 y solo 10 cm de altura.

La superficie de la varilla se pulió y, por lo tanto, la varilla sirvió como guía de ondas para la luz de la bomba debido a la reflexión interna total debido a las diferencias de los índices de refracción del YAG y el agua de refrigeración circundante. Para suavizar la distribución longitudinal de la temperatura en el cristal láser, se aplicó un doble paso de la luz de la bomba utilizando un revestimiento altamente reflectante en el lado de la varilla opuesto a la fuente de la bomba. La distribución longitudinal de la temperatura se calculó para un 0.1 en% de doble paso y 0.2 en un solo paso de absorción [3]. El gradiente de temperatura calculado para la configuración de doble paso es 47 K y para la configuración de paso único 156 K. Los resultados muestran que se pueden lograr temperaturas reducidas a la misma potencia absorbida dentro de la configuración de doble paso.

  3. Resultados experimentales

  En los primeros experimentos, se verificó la transmisión optimizada del acoplador de salida, ver Fig. 2a. Con una transmisión del acoplador de salida del 18% se alcanzó la potencia de salida máxima de 238 W con una eficiencia óptica a óptica de 48% y 60% de eficiencia de pendiente, Fig. 2b. De acuerdo con nuestro conocimiento, la mayor potencia de salida y la mayor eficiencia de pendiente para un solo diodo de varilla y un láser Nd: YAG bombeado en el extremo. Para medir el perfil del haz del sistema, se utilizó una cámara CCD. El perfil del rayo láser mostró una forma rectangular como se esperaba debido a la forma rectangular de la bomba. El producto de parámetro de haz estimado M2 fue de 80. Para aplicaciones de corte de vidrio, esta calidad de haz es adecuada, pero no obstante, la calidad del haz se puede mejorar optimizando la forma de la mancha de la bomba. Por lo tanto, se recomienda utilizar una varilla de vidrio como homogeneizador [3] para lograr una mancha circular de la bomba y, posteriormente, un rayo láser más circular.

  Para una cavidad lineal, como se muestra en la figura 1a, existe una potencia de bombeo crítica a la cual la lente térmica creciente hará que la cavidad del láser se vuelva inestable. Para evaluar las propiedades de lente térmica del sistema, se midió la potencia de salida para diferentes distancias L del acoplador de salida a la barra de láser. Por lo tanto, la potencia crítica de la bomba para una cierta longitud de cavidad se puede definir en el punto donde el láser se vuelve inestable. Con el fin de determinar la distancia focal de la lente térmica se utilizó el formalismo de matriz ABCD [4, 5]. La potencia dióptrica por potencia de bombeo lanzada se midió en 7 dpt / kW. Los cálculos teóricos de lentes térmicas [6] para una barra de láser bombeada con un diámetro de 5 mm y un tamaño de punto de bomba de 4 mm de diámetro dan un valor de 7.6 y 8.5 dpt / kW para direcciones de polarización tangencial y radial, respectivamente. Esto está en buen acuerdo con el valor medido. Tenga en cuenta que la exactitud en la determinación de la carga térmica estuvo limitada por la precisión de la medición, las incertidumbres de los valores para el modelo y el error introducido por la dependencia de la temperatura de la conductividad térmica que no se considera. Por lo tanto, se estima que el error sistemático es del 718% del valor de la carga térmica [7].

4. Conclusión

  Presentamos una fuente de láser Nd: YAG compacto bombeado por diodos y extremos con una potencia de salida de 238 W, una eficiencia de pendiente del 60% y una eficiencia óptica a óptica del 48%. El perfil del haz del sistema mostró una forma rectangular que es consecuencia del foco de la luz de la bomba. El perfil puede mejorarse utilizando un homogeneizador de haz de bombeo. Además, presentamos el valor de potencia dióptrico del diseño (7 dpt / kW), que estaba en buen acuerdo con los cálculos teóricos.