长脉宽脉冲激光器的实验与输出特性研究

杜 丹，夏 腾

长春中国光学科学技术馆，吉林长春 130117

长脉宽脉冲激光器的实验与输出特性研究

杜 丹，夏 腾

长春中国光学科学技术馆，吉林长春 130117

长脉宽激光器被广泛应用在激光加工行业，它有着重要的实用价值，因而研究其有着十分重要的意义。本论文主要搭建了Nd3+：YAG长脉宽脉冲激光器，研究脉宽可调的Nd3+：YAG长脉宽脉冲激光器在不同条件下的输出特性。并设计制作了扩束聚焦系统，初步进行了脉宽可调脉冲激光器的激光焊接实验。文章通过一系列实验研究，获得了平面平行腔腔长脉宽激光器的输出特性的特点，通过进一步搭建长脉宽脉冲激光焊接机进行焊接实验，得出了该实验系统基本可以满足焊接要求的结论。

长脉宽；Nd3+：YAG；激光器

1 绪论

在固体激光器中，通常采用由气体放电灯放电形成的高亮度辐射源—光泵，作为泵浦手段。光泵是激光器中的一个重要部件，它能泵浦足够高的能量。工作物质的强吸收光谱应落在光泵的辐射光谱带内，即实现光谱匹配。

激光器泵浦方式有很多种，例如光激励、放电激励、化学激励、核能激励等等。采用光激励和放电激励时，激光器必须配有一台与其相适应的电源。固体激光器可分为脉冲、连续以及脉宽可调几种工作方式，则相应的激光电源应与之匹配。长脉宽激光器正是采用了新型脉宽可调谐激光器电源，才使得激光器有了新的输出特性。对固体激光器的电源来说，它的负载为一气体放电器件。例如，Nd3+:YAG激光器的工作物质为一掺钕钇铝石榴石晶体，该晶体就是吸收气体放电器件，脉冲氙灯在弧光放电时，在0.7～0.9μm范围内的光能可以形成受激辐射。为点燃脉冲氙灯，就须具有用电容器做储能器的放电电路，以及储能电容器的充电电路、氙灯的触发电路。它们实际上就组成了一个完整的激光器电源电路。

最早出现的固体激光器的电源采用的是直流电源经过限流电阻R给储能电容C充电，也就是RC充电方式。这样的电源只能在低重复频率下和要求电源充电效率不高的情况下使用。随着新型激光装置的出现，对激光器电源提出例如高效率、高重复频率、低成本以及高可靠性等诸多要求。为满足低频大能量工作下的激光装置，如红宝石激光器、钕玻璃激光器，研制出了LC恒流充电的电路。它的特点就是以恒定电流给储能的电容器充电，提高充电效率和电源的稳定性。为满足高重复频率下的激光装置，从而研制出直流LC谐振充电式电源。有效地解决了激光器电源在高频下工作的充电效率的问题，并且克服了脉冲氙灯连通现象。存在的主要问题就是体积及重量不能明显减小，但是这种类型的电源目前仍广泛应用。

为进一步减小体积及重量并提高充电精度，人们把开关电源技术引入到激光器电源中。80年代，出现用快速晶闸管做电子开光的逆变器充电电路，它的出现解决了电源存在的体积及重量问题。但晶闸管的工作频率限制在10kHz以下，并控制电路比较复杂。

2 实验分析

本实验系统主要由三部分组成：光学部分、激光电源部分以及水冷部分。

激光器前端是LD半导体激光器和小孔光阑，用来调节光路准直。

本实验研究的为Nd3+:YAG长脉宽激光器，是一种固态晶体激光器，它采用Nd3+:YAG晶体作激光介质，Nd3+:YAG晶体是将激光介质钕（Nd）原子掺在晶体钇铝石榴石（YAG）中，钕的原子百分比大约为1％。所以，Nd3+:YAG晶体的全称是掺钕钇铝石榴石晶体，Nd3+:YAG晶体一般被制作成棒状。

本实验系统采用双脉冲氙灯串联泵浦工作物质Nd3+:YAG，腔内为双灯（氙灯）单棒（YAG晶体）结构。由于常用的泵浦灯在空间的辐射都是全方位的，但固体工作物质大多都加工成圆柱棒形状，所以为了泵浦灯发出的光能都聚到工作物质上，必须采用聚光腔，提高泵浦转化效率和泵浦光辐射均匀性。本实验采用的是双灯泵浦，所以最终选择的是双椭圆玻璃聚光腔，工作物质棒放在公共焦点上，激光器谐振腔膜片均由Φ20mm×3mm 的光学玻璃制成，两表面各镀对1064nm波长高反射膜与透射率T=30％的介质膜，分别安装在两个精密二维机械调整架上。

脉宽监测系统：数字示波器、连续探头。

测试系统如下。

1）数字示波器型号：Tektronix TDS2012B。

该示波器的通频带为100MHz，采样速率1GS/s，带有通用USB传输端，可将存储的波形提取并传输到计算机中。

2）连续探头：本实验使用的连续探头为实验室自制，光谱响应范围为0.4-1.1微米。

激光脉宽的监测：

用示波器和连续探头来监测输出脉宽，让输出激光打到挡板上，用连续探头接收漫反射回的少量激光，连接到数字示波器上。调示波器横纵坐标量程，看到较好波形时，按下stop键，将其波形保存就可以了。

单脉冲激光能量的测量：

1）把激光能量计的探头定位在激光器的输出方向上，打开LD激光器，移动激光能量计的探头，使准直光全部进入探头并指示在能量计探头的中心上，接着固定能量计探头位置不动并在能量计前放置一挡板。

2）撤除LD激光器，接好电系统及水系统，检查无误后开启水系统，稍等几秒再开启电系统。

3）开启电系统后，设置激光电源注入能量及脉宽等参数，分别在5ms、10ms时改变注入能量，测量输出能量。每次测量时，将挡板迅速抽开再复位，使得每次只有一个激光巨脉冲进入探头。

4）在能量计上读数。用示波器及连续探头监测到在5ms、10ms时的波形如图1。

3 总结与展望

从整个系统来看，脉宽可调Nd3+:YAG激光器使用的是脉冲氙灯，电源为长脉宽电源，属于脉冲激光器；从输出特性看，脉宽可调Nd3+:YAG激光器的输出相当于连续激光。但是连续激光器的脉宽不可调，而此次我们所研究的长脉宽脉冲激光器可以通过控制脉冲灯光的脉宽来控制其输出的激光脉宽。

由于实验条件有限，对Nd3+:YAG长脉宽脉冲激光器输出激光特性进行的实验研究还不完善，还可将实验条件细致化，研究输出激光的特性。在以后的研究中可将这一部分进行具体研究，了解各部分器件对输出端输出激光特性的影响。

［1］Linford， Gary J， Hill Lowell W . Nd：YAG Long Lasers［J］.Applied Optics，1974 ， 13 （6）：1387-1394.

［2］樊丁，余淑荣.激光焊接发展现状及动向［J］.甘肃工业大学学报，2003，29（1）：15-18.

TN2

A

1674-6708（2015）147-0148-02