紧凑型大功率端面泵浦NdYAG激光器

抽象

  我们提供了一种紧凑型二极管和端面泵浦Nd：YAG激光器，用于材料加工，输出功率为238 W，光学光学效率为48％，斜率效率为60％。据我们所知，这是高功率端面泵浦Nd：YAG激光器的最高光学效率。

  一，简介

  在许多材料加工领域中使用高功率激光源。紧凑的激光设计使得能够使用自由传播的激光束而不是光纤传输设置。特别是对于紧凑型自动玻璃切割系统，需要功率范围为200-300W的激光源。我们提出了一种紧凑型二极管端面泵浦激光器设计，输出功率为238 W，占位面积小于30×12 cm2。

  2.激光概念

  为了实现高效率的高输出功率，开发了带有复合Nd：YAG激光棒的端面泵浦激光头，见图1a。复合Nd：YAG棒的直径为5mm，具有7mm未掺杂的端盖和40mm长的低掺杂区，掺杂剂浓度为0.1at％。完整的掺杂区域可以在棒表面上有效地水冷，因此由于未掺杂区域，激光棒上的最大温度和表面应力显着降低[1,2]。二极管条堆（Jenoptik Laserdiode，JOLD-400-CAXH-12A）在4.3×3.2mm2焦点中具有500W的最大输出功率，数值孔径为NA = 0.42，用作泵浦源。 80毫米长的谐振器由平面泵镜形成，高度反射1064纳米，对808纳米泵浦辐射和平面输出耦合器具有高透射性。整个激光头的占地面积尺寸为30×12 cm2，高度仅为10 cm。

杆的表面被抛光，因此由于YAG和周围冷却水的折射率的差异，杆由于全内反射而用作泵浦光的波导。为了平滑激光晶体中的纵向温度分布，通过在与泵浦源相对的杆侧使用高反射涂层来施加泵浦光的双通道。计算纵向温度分布为0.1at％双程和0.2at％单程吸收[3]。双通道配置的计算温度梯度为47 K，单通道配置为156 K.结果表明，在双通道配置中，可以在相同的吸收功率下实现降低的温度。

  3.实验结果

  在第一个实验中，验证了优化的输出耦合器传输，见图2a。输出耦合器传输率为18％，最大输出功率为238 W，光 - 光效率为48％，斜率效率为60％，如图2b所示。据我们所知，单棒二极管和端面泵浦Nd：YAG激光器的输出功率和斜率效率最高。为了测量系统的光束轮廓，使用CCD相机。由于矩形泵形状，激光束配置显示出预期的矩形形状。估计的光束参数乘积M2为80.对于玻璃切割应用，这种光束质量是合适的，但是通过优化泵浦光斑形状可以改善光束质量。因此，建议使用玻璃棒作为均化器[3]，以获得圆形泵浦点，随后获得更圆形的激光束。

对于如图1a所示的线性腔，存在临界泵浦功率，在该泵浦功率下增加的热透镜将导致激光腔变得不稳定。为了评估系统的热透镜特性，测量输出耦合器到激光棒的不同距离L的输出功率。因此，可以在激光变得不稳定的点处定义特定腔长度的临界泵浦功率。为了确定热透镜的焦距，使用了ABCD矩阵形式[4,5]。每次发射的泵浦功率的屈光度测量为7dpt / kW。对于直径为5mm且泵浦光斑尺寸为4mm的端泵浦激光棒的理论热透镜计算[6]，对于切向和径向极化方向分别给出7.6和8.5dpt / kW的值。这与测量值非常一致。注意，确定热负荷的准确性受到测量精度，模型值的不确定性以及由未考虑的热导率的温度依赖性引入的误差的限制。因此，系统误差估计为热负荷值的718％[7]。

  4。结论

  我们推出了一款紧凑型二极管和端面泵浦Nd：YAG激光光源，输出功率为238 W，斜率效率为60％，光学效率为48％。系统的光束轮廓显示出矩形形状，这是泵浦光焦点的结果。通过使用泵浦光束均化器可以改善该配置文件。此外，我们提出了设计的屈光度值（7 dpt / kW），这与理论计算非常一致。