Laser NdYAG compact à pompage terminal haute puissance

Abstrait

Nous présentons un laser compact Nd: YAG à pompage en bout de diode et pour le traitement des matériaux avec une puissance de sortie de 238 W, un rendement optique-optique de 48% et un rendement en pente de 60%. A notre connaissance, il s’agit de la plus haute efficacité optique pour un laser Nd: YAG à pompage terminal haute puissance.

  1. Introduction

  Dans de nombreux domaines du traitement des matériaux, des sources laser de haute puissance sont utilisées. Une conception laser compacte permet d'utiliser le faisceau laser à propagation libre au lieu d'une configuration de livraison de fibres. En particulier pour les systèmes de découpe de verre automatisés et compacts, des sources laser d'une plage de puissances de 200 à 300 W sont requises. Nous présentons une conception laser compacte à pompage terminal à diode avec une puissance de sortie de 238 W et une taille au sol inférieure à 30 × 12 cm2.

  2.Laser concept

  Afin d'obtenir une puissance de sortie élevée avec un ef fi cacité élevé, une tête laser à pompage terminal avec une tige laser composite Nd: YAG a été développée (voir Fig. 1a). La tige composite Nd: YAG avait un diamètre de 5 mm, des embouts non dopés de 7 mm et une région faiblement dopée de 40 mm de long avec une concentration de 0,1% en dopant. La région dopée complète peut être efficacement refroidie à l'eau sur la surface de la tige. Par conséquent, la température maximale et les contraintes de surface sur la tige laser sont considérablement réduites en raison des régions non dopées [1,2]. Une pile de barres de diodes (Jenoptik Laserdiode, JOLD-400-CAXH-12A) avec une puissance de sortie maximale de 500 W dans un foyer de 4,3 × 3,2 mm2 avec une ouverture numérique de ¼ 0,42 a été utilisée comme source de pompage. Le résonateur d'une longueur de 80 mm était formé d'un miroir de pompe plane hautement réfléchissant à 1064 nm et hautement transmissif pour le rayonnement de pompe à 808 nm et d'un coupleur de sortie plane. L'encombrement de l'ensemble de la tête laser est de 30 × 12 cm2 pour une hauteur de 10 cm seulement.

  La surface de la tige était polie et par conséquent, elle servait de guide d'ondes à la lumière de la pompe en raison de la réflexion interne totale due aux différences d'indices de réfraction du YAG et de l'eau de refroidissement environnante. Afin de lisser la distribution longitudinale de la température dans le cristal laser, un double passage de la lumière de pompage a été appliqué en utilisant un revêtement hautement réfléchissant du côté de la tige opposé à la source de pompage. La distribution longitudinale de la température a été calculée pour une absorption à double passage de 0,1 at% et une absorption à un passage de 0,2 at% [3]. Le gradient de température calculé pour la configuration à double passage est de 47 K et pour la configuration à un seul passage, 156 K. Les résultats montrent que des températures réduites à la même puissance absorbée peuvent être atteintes dans la configuration à double passage.

  3. Résultats expérimentaux

  Dans les premières expériences, la transmission optimisée du coupleur de sortie a été vérifiée, voir Fig. 2a. Avec une transmission du coupleur de sortie de 18%, la puissance de sortie maximale de 238 W avec un rendement optique à optique de 48% et un rendement de pente de 60% a été atteinte (Fig. 2b). A notre connaissance, il s’agit de la puissance de sortie et de l’efficacité de la pente les plus élevées pour un laser Nd: YAG à tige unique et pompage terminal. Pour mesurer le pro fi l de faisceau du système, une caméra CCD a été utilisée. Le pro fi l de faisceau laser présentait une forme rectangulaire comme on pouvait s’y attendre en raison de la forme rectangulaire de la pompe. Le paramètre de faisceau estimé pour le produit M2 était de 80. Pour les applications de découpe de verre, cette qualité de faisceau convient, mais vous pouvez néanmoins améliorer la qualité du faisceau en optimisant la forme du point de pompe. Par conséquent, il est recommandé d'utiliser une tige de verre comme homogénéisateur [3] pour obtenir un point de pompe circulaire puis un faisceau laser plus circulaire.

  Pour une cavité linéaire telle que représentée sur la figure 1a, il existe une puissance de pompe critique à laquelle la lentille thermique croissante rend la cavité laser instable. Pour évaluer les propriétés de lentille thermique du système, la puissance de sortie a été mesurée pour différentes distances L du coupleur de sortie au barreau laser. Par conséquent, la puissance de pompage critique pour une certaine longueur de cavité peut être définie au point où le laser devient instable. Afin de déterminer la distance focale de la lentille thermique, le formalisme de la matrice ABCD a été utilisé [4,5]. La puissance dioptrique par puissance de pompe lancée a été mesurée à 7 dpt / kW. Les calculs théoriques des lentilles thermiques [6] pour une tige de laser à pompage terminal de 5 mm de diamètre et de 4 mm de diamètre donnent une valeur de 7,6 et 8,5 dpt / kW pour les directions de polarisation tangentielle et radiale respectivement. Ceci est en bon accord avec la valeur mesurée. Notez que la précision dans la détermination de la charge thermique était limitée par la précision de la mesure, les incertitudes des valeurs du modèle et l'erreur introduite par la dépendance de la conductivité thermique en fonction de la température. Par conséquent, l'erreur systématique est estimée à 718% de la valeur de la charge thermique [7].

  4. Conclusion

  Nous avons présenté une source laser compacte Nd: YAG pompée par diode et extrémité, avec une puissance de sortie de 238 W, un rendement de pente de 60% et un rendement optique-optique de 48%. Le pro fi l de faisceau du systʻeme montrait une forme rectangulaire qui est une conséquence du foyer de lumière de pompe. Le profil peut être amélioré en utilisant un homogénéisateur de faisceau de pompe. En outre, nous avons présenté la valeur de puissance dioptrique de la conception (7 dpt / kW), qui concordait bien avec les calculs théoriques.