Kompakter Hochleistungsend-gepumpter NdYAG-Laser

Abstrakt

  Wir präsentieren einen kompakten Dioden- und endgepumpten Nd: YAG-Laser für die Materialbearbeitung mit einer Ausgangsleistung von 238 W, einer optisch-optischen Effizienz von 48% und einer Steigungseffizienz von 60%. Dies ist nach unserem besten Wissen die höchste optische Effizienz für einen endgepumpten Nd: YAG-Laser mit hoher Leistung.

  1. Einleitung

  In vielen Bereichen der Materialbearbeitung werden Hochleistungslaserquellen eingesetzt. Ein kompaktes Laserdesign ermöglicht die Verwendung des frei ausbreitenden Laserstrahls anstelle eines Faserlieferungsaufbaus. Insbesondere für kompakte automatisierte Glasschneidesysteme sind Laserquellen im Leistungsbereich von 200–300 Watt erforderlich. Wir präsentieren ein kompaktes Diodenendpumpen-Design mit einer Ausgangsleistung von 238 W und einer Grundfläche von weniger als 30 × 12 cm2.

  2. Laser konzept

  Um eine hohe Ausgangsleistung bei hohem Wirkungsgrad zu erreichen, wurde ein endgepumpter Laserkopf mit einem zusammengesetzten Nd: YAG-Laserstab entwickelt, siehe Abb. 1a. Der zusammengesetzte Nd: YAG-Stab hatte einen Durchmesser von 5 mm mit 7 mm undotierten Endkappen und einen 40 mm langen niedrigdotierten Bereich mit einer Dotierstoffkonzentration von 0,1 at%. Der gesamte dotierte Bereich kann effektiv über die Staboberfläche wassergekühlt werden, und daher werden die maximale Temperatur und Oberflächenbelastung des Laserstabes aufgrund der undotierten Bereiche wesentlich verringert [1,2]. Als Pumpquelle wurde ein Diodenbarrenstapel (Jenoptik-Laserdiode, JOLD-400-CAXH-12A) mit einer maximalen Ausgangsleistung von 500 W in einem 4,3 × 3,2 mm2-Fokus mit einer numerischen Apertur von NA ¼ 0,42 verwendet. Der 80 mm lange Resonator wurde durch einen ebenen Pumpspiegel gebildet, der für 1064 nm stark reflektiert und für die 808 nm-Pumpstrahlung hoch durchlässig ist, sowie einen ebenen Ausgangskoppler. Die Grundfläche des gesamten Laserkopfes beträgt 30 × 12 cm2 und ist nur 10 cm hoch.

  Die Oberfläche der Stange wurde poliert, und daher diente die Stange aufgrund der gesamten internen Reflexion aufgrund der unterschiedlichen Brechungsindizes des YAG und des umgebenden Kühlwassers als Wellenleiter für das Pumplicht. Um die longitudinale Temperaturverteilung im Laserkristall zu glätten, wurde ein doppelter Durchgang des Pumplichts unter Verwendung einer hochreflektierenden Beschichtung an der der Pumpquelle gegenüberliegenden Stangenseite aufgebracht. Die longitudinale Temperaturverteilung wurde für einen Doppeldurchgang von 0,1 at% und eine Absorption mit einem einzigen Durchgang von 0,2 at% berechnet [3]. Der berechnete Temperaturgradient für die Doppelpass-Konfiguration beträgt 47 K und für die Single-Pass-Konfiguration 156 K. Die Ergebnisse zeigen, dass reduzierte Temperaturen bei derselben aufgenommenen Leistung innerhalb der Doppelpass-Konfiguration erreicht werden können.

  3.Experimentelle Ergebnisse

  In den ersten Versuchen wurde die optimierte Transmission des Ausgangskopplers verifiziert, siehe Abb. 2a. Bei einer Übertragung des Ausgangskopplers von 18% wurde die maximale Ausgangsleistung von 238 W mit einer optisch-optischen Effizienz von 48% und einer Steigungseffizienz von 60% erreicht (Abb. 2b). Dies ist nach unserem besten Wissen die höchste Ausgangsleistung und Steigungseffizienz für einen einzigen Stabdioden- und endgepumpten Nd: YAG-Laser. Zur Messung des Strahlprofils des Systems wurde eine CCD-Kamera verwendet. Das Laserstrahlprofil zeigte eine rechteckige Form, wie sie aufgrund der rechteckigen Pumpenform erwartet wurde. Das geschätzte Strahlparameterprodukt M2 betrug 80. Für Glasschneideanwendungen ist diese Strahlqualität geeignet, jedoch kann die Strahlqualität durch Optimierung der Pumpfleckform verbessert werden. Es wird daher empfohlen, einen Glasstab als Homogenisator [3] zu verwenden, um einen kreisförmigen Pumppunkt und anschließend einen kreisförmigeren Laserstrahl zu erzielen.

  Für einen linearen Hohlraum, wie in Fig. 1a gezeigt, gibt es eine kritische Pumpleistung, bei der die zunehmende thermische Linse den Laserhohlraum instabil werden lässt. Um die thermischen Linseneigenschaften des Systems zu bewerten, wurde die Ausgangsleistung für verschiedene Abstände L des Ausgangskopplers zum Laserstab gemessen. Daher kann die kritische Pumpleistung für eine bestimmte Hohlraumlänge an dem Punkt definiert werden, an dem der Laser instabil wird. Zur Bestimmung der Brennweite der thermischen Linse wurde der ABCD-Matrix-Formalismus verwendet [4,5]. Die Dioptrienleistung pro abgegebener Pumpenleistung wurde mit 7 dpt / kW gemessen. Theoretische thermische Linsenberechnungen [6] für einen endgepumpten Laserstab mit 5 mm Durchmesser und einer Pumpfleckgröße von 4 mm Durchmesser ergeben einen Wert von 7,6 bzw. 8,5 dpt / kW für tangentiale bzw. radiale Polarisationsrichtungen. Dies stimmt gut mit dem Messwert überein. Es ist zu beachten, dass die Genauigkeit bei der Bestimmung der Wärmebelastung durch die Messgenauigkeit, die Unsicherheiten der Werte für das Modell und den Fehler aufgrund der Temperaturabhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit, die nicht berücksichtigt wird, begrenzt wurde. Daher wird der systematische Fehler auf 718% des Wertes der thermischen Belastung geschätzt [7].

  4. Fazit

  Wir präsentierten eine kompakte, dioden- und endgepumpte Nd: YAG-Laserquelle mit 238 W Ausgangsleistung, einem Steigungswirkungsgrad von 60% und einem optisch-optischen Wirkungsgrad von 48%. Das Strahlprofil des Systems zeigte eine rechteckige Form, die eine Folge des Pumplichtfokus ist. Das Profil kann durch Verwendung eines Pumpstrahl-Homogenisators verbessert werden. Des Weiteren haben wir den dioptrischen Leistungswert des Designs (7 dpt / kW) vorgestellt, der mit den theoretischen Berechnungen gut übereinstimmt.