Nd：YAG调Q脉冲激光器微孔实验研究-中国管理科学.PDF

第36卷第3期 北京工业大学学报 V01．36NO．3 OF UNIVERSITYOFTECHNOLOGY Mar．20lO 2010年3月 JOURNALBElJING Nd：YAG调Q脉冲激光器微孔实验研究 冯 驰，李 强，姜梦华，王宝华 (北京工业大学激光工程研究院，北京100124) 摘要：为了输出高功率、高光束质量的脉冲激光以及制备高质量微孔。对平凸非稳腔结构进行了理论分析，给 出了腔参数变化曲线．设计出了高功率、高光束质量的平凸非稳腔灯泵浦脉冲Nd：YAG调Q激光器．激光脉冲 能量为500mJ，峰值功率达到5MW，光束参数积优于4．2mm·mrad．分别在0．04—0．07mm厚度金属碳钢及1 inm厚度非金属陶瓷上进行了微孔打孔实验，得到了百微米微孔． 关键词：光束质量；Nd：YAG脉冲激光器；激光非稳腔；激光打孔；激光技术 248．1 中图分类号：TN 文献标志码：A 文章编号：0254—0037(2010)03—0420—05 高质量激光打微孔，对激光器有特殊的要求，即在保持高的输出功率的同时，需要有高光束质量．通 常使用的稳定腔，由于各阶横模之间损耗差异小，采用光阑限制模式，会减小模体积，影响输出脉冲的能 量；另外，在腔长一定的情况下，由于稳定腔输出的高斯特性，发散角极不理想，采用非稳腔在保持输出功 率的同时，可大大提高光束质量，以实现高质量的微孔加工． 本文采用平凸非稳腔，通过补偿热透镜效应，获得高光束质量的激光输出，并进行了微孔加工实验，获 得满足应用要求的高质量小孔径的微孔． 1 实验装置 1．1激光器结构 用于打孔的固体激光器不仅要求具有较大的峰值功率，同时还要求输出激光具有较好的光束质量． 非稳腔有较大的可控模体积，即可获得较大激光输出功率．同时，非稳腔对不同横模的几何偏折损耗差异 较大，容易实现基模振荡，可以改善光束质量．为了得到好的光束质量和较大激光功率输出，作者设计了 非稳腔作为激光器谐振腔．在多种非稳腔中，平凸腔因对激活介质的动态折射率畸变不敏感，在腔长一定 的情况下，有更强的模式鉴别力，能输出更高功率且更好质量的光束．图1为激光器腔结构原理． Cp+被动调Q 图1激光器腔结构原理 Theillustrationaboutthestructureoflaserresonator Fig．1 收稿日期：2008-06-26． 基金项目：国家自然科学基金资助项目． 作者简介：冯驰(1986一)，男，北京人，博士研究生；李强(19“一)，男，四川乐山人，教授，博士生导师． 第3期 冯驰，等：Nd：YAG调Q脉冲激光器微孔实验研究 42l 如图I所示，激光器谐振腔为平凸非稳腔，由一个平面镜和凸透镜组成的平凸型非稳腔镜，不考虑增 益介质的影响，在光学上完全同腔长为L’=2L的对称双凸腔等价．平凸型非稳腔与其他非稳腔比较有如 下优点： 1)由非稳腔的自再现光线共轭像点位置公式可以看出，平凸腔的共轭像点即发光像点，位于腔外凸 面镜的一侧，因此不会使球面波在腔内汇聚，也不会引起工作物质的破坏． 2)平凸腔本身限模能力、模式鉴别力较强，其输出发散角比较小；同时，平凸腔腔内震荡波形可以是 球面波，对固体工作介质动态折射率畸变相对不敏感．这样，单端输出一个理想的球面波，然后经过透镜 可以转换成平面波，可使其输出光束发散角等于衍射极限角． 但是，大功率、高重复频率固体激光器运转时，不可避免地会出现热透镜¨刮效应，对光束质量的影响 很大．固体激光器中激光棒‘33的热透镜¨1效应十分复杂，不仅具有随机变化的热扰特征，而且还具有明显 的热畸变特征和热应力引起的双聚焦效应1．需要分析腔参数对光束质量的影响． 由光学变换矩阵阳1及非稳腔G参数可知平凸非稳腔只存在正支非稳腔‘71，