绿色的光芒——碟片激光器

绿色的光芒 

Yb：YAG 碟片激光器的激光波长是红外的、不可见的，但是晶体在工作时会发出绿光，那么这个绿光从何而来？这是晶体中双重激发的杂质引起的，当其转移到基态时，就会发出绿光。绿光是一个有用的附带产物：这些碟片上抽运斑发出的绿光，能够在无需光学仪器帮助下调整激光。因此只需要确保绿色光斑尽可能刺眼，抽运光就会处于最理想状态。

碟片激光器的开发思路和光纤激光器的开发思路是截然相反的：它们不是用又细又长的光纤代替晶体棒，而是用又薄又圆的碟片来取代晶体棒。1999 年，通快公司在一次展会上展示了第一台1 kW 碟片激光器，短短时间内，其功率达到了工业应用所需的几千瓦级别。

如今，已经有数千台碟片激光器应用在各个领域，证明了这种激光器设计的可靠性。标准配置的碟片激光器可以产生6 kW或者更高的功率。

 

 

设计和运转模式

 

碟片激光器的激光增益核心是很小的超薄掺镱钇铝石榴石制成的碟片晶体。它的直径略小于15 mm，厚度只有0.05 mm。碟片放置在能够散热、冷却碟片的热沉上。冷却的碟片后端有一个反射面，可以反射激光和抽运光。

半导体激光器用作抽运光。它聚焦到几毫米的直径上，然后作用到碟片上。碟片太薄，以至于只能吸收抽运光的一小部分。因此，为了提高吸收效率，需要使用一些折反镜、后端镜以及抛物面镜，让抽运光通过碟片48 次，如图1和图2  。

图1  碟片激光器内部一窥

图2 用于多个激光输出的集成光束导引系统

 

 

应用

 

碟片激光器的工作模式十分灵活：它们既可以在连续模式下工作，也可以在脉冲模式下工作，这使得它们成为在宏观加工和微观应用上非常引人注目的一种加工方式。如今碟片激光器成为了高功率激光器的代表，例如，汽车行业或者钣金行业。越来越多的碟片激光器也在微加工应用中建立了自己的先进理念。

 

 

 

前途光明

 

碟片激光器结合了两种光源的优点：半导体激光器的高效率以及碟片激光器的高光束质量。有专家预言，碟片激光器未来可期。

有两种方式可以提高碟片激光器的激光功率。一种途径是扩大抽运面积，如此，碟片上就会有更多的镱离子被激发，辐射更多的光子，激光功率就会提高。

另外一种方法是将多个腔耦合起来，那么所有碟片的功率会被耦合成一个激光束。这些单个腔不是像光纤激光器那样并行耦合的，而是串成一排，一个挨着一个，通过一个谐振腔在光学上连接起来。这个方法可以获得高光束质量。

 

 

模块化的激光器设计保证了最大的正常运行时间

 

碟片激光器的设计将运营成本将至最低：长寿命的被动冷却激光二极管能够承受极端条件而且在整个谐振腔中不需要耗材。

但是需要维修时会发生什么呢？同光纤激光器相比，碟片激光器是模块化的。由于不需要拼接点，激光系统所有的部件（光束发生器，光束管理、控制和冷却装置）可以随时替换和升级，这在严酷的工业环境中保证了最大的正常运行时间。

在光纤激光器概念中，需要使用所谓的光纤-光纤耦合器，用来更换光纤或至少是从其他冗余激光器中交换激光线缆。对于碟片激光器，无需对准，即插即用激光光缆就可以了。

 

 

市场领导者:更好的正常运行时间和质量

 

通快公司的碟片激光器“TruDisk”配备了一个独特的控制系统，实现了专业人员主动干预的远程服务。在这个平台内，超过90 %的技术问题可以在不需要现场操作的情况下立即解决。

此外，闭环功率反馈控制确保碟片激光器最大程度上的加工稳定性。实际值和参考值的偏差在几微秒内得以测量和校正。闭环功率反馈系统可以确保激光器在外界环境长期影响下，安全运行功率仍稳定在±1%。

 

 

模块化激光器设计升级

 

 

在碟片激光器较长的使用期限内，激光输出功率的可升级性，让其在一些特殊市场的应用中具有极强的灵活性。事实证明，功率升级是可行的，例如如果过渡阶段之后需要进一步提高产量，可以不用增加一个全新的生产线。

 

 

针对背反射的稳健性设计

 

碟片激光器专门针对背反射的设计，有着非常高的稳健性和不敏感性。碟片激光器是一个所谓的“低放大谐振腔”。谐振腔内的总激光功率，只有非常小的部分被输出镜解耦。

因此回到谐振腔的后向反射光对整个系统没有影响——这是相较于高功率光纤激光器的一个优势。极端条件下（高功率90°角高反射材料）的激光加工任务用碟片激光器可以很容易地处理，如图3。

图3  碟片激光谐振腔

来源：通快集团