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资深激光工程师隐藏的超级干货来了!最全调Q激光器知识合集

发布:2022-05-05 09:54作者:www.huyunjituan.com点击:909次

调Q激光器可以产生具有短脉冲的高强度激光器。为了获得高脉冲强度,活性介质必须能够储存足够的能量,这就要求在较高的水平上具有较长的寿命、较高的激光离子密度和不太高的增益功率;如果增益功率太高,自发发射会限制能量的积累,初始损耗必须很大,以免激光器过早调整。寿命为纳秒数量级的气体、半导体和彩色激光器不适用于 Q 开关。
固态激光器是最常见和技术上最重要的 Q 耦合激光器类型,但光纤激光器也可以使用 Q 耦合并通过光纤放大器提高平均功率,而芯片激光器具有非常短的腔体长度和更窄的手腕宽度。
主动和被动Q切换
有源 Q 耦合激光器通过调制器主动调节眼内损失。例如,将声光调制器插入腔体中,当施加射频功率时,部分光束被折射并通过腔体。当激光介质中积累了大量能量时,射频功率会突然被切断。 . .产生和发射激光脉冲。
无源 Q 耦合激光器通过饱和吸收器调制腔损耗。在浸渍吸收器中,低强度的光被吸收而高强度的光通过,因此损耗可以被谐振器的光强度被动调制。
Q耦合中使用的浸渍阻尼器通常是掺杂有过渡金属离子的晶体或玻璃。例如Cr4+:YAG晶体常用于1064 Nm Nd:YAG激光器(包括激光器芯片),而V3+:YAG晶体适用于1.3μm激光器。调制深度取决于掺杂浓度和晶体长度,并且可以将浸渍能量控制在吸收体的模态范围内。饱和吸收离子也可以掺杂到光纤中。
半导体可饱和吸收镜(SESAM)特别适用于几乎不增加腔长的激光芯片,因此脉冲宽度可能太窄,性能可以根据设计和材料进行优化。此外,浸渍吸收剂也可以是玻璃、染料溶液甚至是掺杂有量子点的气体(例如硫化铅)。
Q开关半导体激光器
半导体激光材料一般掺杂有钕、镱、铒等三价稀土离子,也有掺杂钛、铬等过渡金属离子的材料。
当使用 1 至 20 W 激光二极管(例如,1 kHz 重复频率和 10 W 平均功率)连续泵浦时,小型有源 Q 开关半导体激光器可产生高达 10 mJ 的脉冲能量。典型的脉冲宽度范围从几纳秒到几百纳秒,脉冲宽度为 100 ns,10 mJ 的脉冲能量对应于大约 90 kW 的峰值功率。 Q 耦合无源激光器通常具有较低的脉冲能量。
对于能量较高但重复率较低(因此平均功率很常见)的激光器,可以使用脉冲泵,例如准连续二极管或脉冲泵。在一个不是很大的闪光灯中,可以获得几焦耳的脉冲能量。
高到中等功率和中等到高重复密度的高功率激光二极管通常用于连续泵浦。例如,板状 Yb: YAG 激光器可以传输数百瓦特的脉冲宽度,其脉冲宽度大于平均值(例如,1 µs)。掺钕平板激光器具有更短的脉冲和高质量、高功率的光束。另一种提高性能的方法是使用主振荡器功率放大器 (MOPA) 结构。
调Q微芯片激光器
微芯片激光器具有非常短的腔体,尤其是 Q 开关无源半导体 (SESAM) 吸收镜。由于光场很少渗透到 SESAM 中,因此谐振器的长度很大程度上取决于晶体的厚度。下图为无源调Q SESAM激光芯片的基本结构。
如果晶体具有高泵浦吸收率和高增益,如Nd:YVO4晶体,可以产生小于100 ps的脉冲,但脉冲能量通常不能超过1 μJ。这种激光器的困难之一是制造具有高调制深度和不太低的浸渍能量的 SESAM 组件。过多的浸渍能量会损坏 SESAM。
激光芯片也可以与使用小型电光调制器的有源 Q 耦合一起使用,但随着腔长度的增加,脉冲宽度也会增加。使用激光芯片可以实现非常高的脉冲重复率,例如无源 Q 开关可能有几兆赫兹,但脉冲宽度会随着脉冲重复率的增加而增加。
短谐振器在单输出模式下更容易获得。尽管脉冲能量低,但由于脉冲宽度小,峰值功率足够高,可以实现高效的非线性频率转换。因此,激光芯片可以在一个非常紧凑的系统中发射可见光、紫外光或中红外光。
光纤激光器
光纤激光器也可以与有源或无源调Q一起工作,但实施有局限性:
适用于全光纤器件的调制器范围有限,主要用于空间场很小的单模光纤,因此非线性效应、光纤分解和放大自发发射(ASE)受到限制。
使用高电荷的壳泵光纤可以显着增加能量(例如大于 1 mJ),但此类系统需要在腔中使用大型光学元件,从而牺牲了光纤的整体技术优势。性能达不到半导体激光器的水平。
然而,高功率光纤放大器即使在平均脉冲能量的情况下也可以放大脉冲并增加平均功率。放大器可能会出现非线性脉冲失真,但在使用时是可以接受的。
使用 Q-linked 激光器,材料处理:切割、钻孔、打标、光刻;距离,激光雷达(LIDAR);激光诱导衰减光谱(LIBS);医疗应用:皮肤病、去除纹身;非线性变频源泵;荧光光谱
持续讨论可持续和现代机动性的概念,用替代用途取代内燃机等传统驱动装置。当然,这需要各种设备和制造工艺,无论是切割、焊接、清洁还是涂层,激光都是必不可少的。这大约是生产电池和光盘成本的一半。
氢燃料电池需要相对较长的密封焊缝。电池单元之间的结合必须始终保持较高,因为变化会直接影响电池性能。电机最复杂的部件之一是定子 - 必须精确制造并大量放置以进行焊接的销不仅需要稳定的工艺,还需要高生产率。为了减少旋转时间,增加了激光功率并引入了新的激光源,例如激光环。
优化切割或焊接的激光工艺 理想情况下,当指定的功率密度到达待加工表面时,激光束将切割或焊接。由于激光焦点不是恒定的,因此组件的功率密度会随着时间而变化。此更改是有效的,只要它保留在处理窗口中就可以处理。然而,保护窗的任何污染都会立即将激光的焦点从这个“弱点”转移。除了激光功率的损失外,焦点位置的变化也会导致区域深度的变化,这是由于焊接或热量的影响,可能是由于玻璃中的吸收增加,导致镜片褪色. .加热并改变聚焦位置朝向聚焦透镜。 .因此,如果不采取应对措施来防止方向改变,损失生产的风险就会增加。内部系统参数没有定期监测,可能导致自发的制造错误。如何随时间改变激光的焦点。方向变化的影响是已知的,但到目前为止,这个数字一直很缺乏。只有严格的过程控制才能告诉用户何时需要维护,以便该过程可以在其特定的过程窗口中继续进行。
只有污染会产生图 2 所示的情况。在前 20 秒内,焦点位置“相对”稳定。然而,由于保护窗的自发污染,焦点的变化显着增加了 20 秒。虚线对应于过程窗口中的阈值。因此,该过程在污染后立即留下最佳位置。通过不断监控方向的变化,可以立即进行干预。
新的 FocusTracker FT 监控生产过程中的焦点变化,并在与过程相关的功率水平下以高时间分辨率测量焦点位置。可实时监测前进位置的移动,以监测治疗头的状况。可以监控和测试屏幕磨损和光学磨损,从而简化预防性维护计划。可以最大限度地减少计划外停机时间或工作延误。
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