3.3.1  燈泵浦Nd: YAG激光器

    這種燈激勵(lì)激光器的Nd: YA(.棒通常放在雙橢圓反射器的

公共焦軸卜，兩個(gè)激勵(lì)燈放在兩個(gè)外焦軸一卜。

   I．活性介質(zhì)（品體棒）；2．輸出鏡；3．后鏡；4．泵浦燈；5．泵浦光；

    6．冷卻水；7．反射鏡；8．受激發(fā)射；9．激光束

    大功率激光器中，典型的Nd: YAG棒一般是長(zhǎng)150mm．直徑7～lOmm。泵

浦過(guò)程中激光棒發(fā)熱，限制r每個(gè)棒的較大輸出功率，因此必須保持激光棒晶體

內(nèi)部的產(chǎn)熱和外壁冷卻造成的溫度梯度較低，以確保在晶體棒內(nèi)形成的殘余應(yīng)力

低于晶體的開(kāi)裂極限。在材料加上-fl，單棒Nd：YAG激光器的功率范圍為50～

800W．所產(chǎn)生的光束質(zhì)量為5- 50mm．mrad。這種激光器的控制電路和電源設(shè)

備通常是放在獨(dú)立的控制柜中，激光頭可通過(guò)光纖直接與加工系統(tǒng)安裝在‘起。

3.2.2軸流式COz激光器

    日前，大多數(shù)C02激光器是按照快速軸流的原理設(shè)計(jì)的，主要原因足這種

激光器提供的光束質(zhì)量能夠滿足多種激光加工應(yīng)用。管中產(chǎn)生放電的同時(shí)，激光

氣體混合物沿放電管高速流動(dòng)，以保證熱量的有效散失（圖3-4）。為了獲得較

高的流速，通常使用羅茨排風(fēng)機(jī)、徑向排風(fēng)機(jī)或渦輪機(jī)。

    由圖3-4可以看出，幾個(gè)功能部件在諧振腔中采用了光學(xué)串聯(lián)方式連接，這

樣既提高了功率，同時(shí)又保持了各部分獨(dú)立設(shè)計(jì)的特點(diǎn)。

    岡3-4  直流激勵(lì)快速軸流式()（五激光器的基本結(jié)構(gòu)

1．激光束；2．輸出鏡：3．氣體出口；4．直流激勵(lì)放電；5．直流電極；6．折疊鏡；7．氣體入口；

    8．后鏡

    快速軸流式C(2激光器的功率輸出范圍可以從幾百瓦到20kW以上。它的

一個(gè)典型的特征是控制單元與激光頭分離。大功率快速軸流式a五激光器的主

要優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在：

    (1)采用模塊化設(shè)計(jì)原理；

    (2)諧振腔的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單（反射鏡和光學(xué)元件較少）；

    (3)諧振腔是光學(xué)穩(wěn)定的，從而避免了衍射損耗（可達(dá)20kW功率）；

    (4)諧振腔設(shè)計(jì)采用了特殊的反射鏡排列方式，功率大于lOkW時(shí)具有額外

的光學(xué)穩(wěn)定性；

    (5)功率大于lOkW以上，射頻發(fā)生器集成到諧振腔中，無(wú)須使用高電限電

纜傳輸在外部產(chǎn)牛的射頻功率；

    (6)氣體和光學(xué)系統(tǒng)采用的冷卻回路非常簡(jiǎn)單；

(7)采用常規(guī)電源可獲得良好的1-作效率，降低r運(yùn)行費(fèi)用。

3.2.3擴(kuò)散冷卻COz激光器

    在流動(dòng)式C()2激光器中，激光氣體混合物密封在放電管中，如果只能通過(guò)

熱傳導(dǎo)方式冷卻，盡管外部管壁叮以進(jìn)行有效的冷卻，但此時(shí)h米管長(zhǎng)只能產(chǎn)生

50W的光束能量，因此這種方法難以造出結(jié)構(gòu)緊湊的高功率激光器。

    同快速流動(dòng)式激光器相比，板條式（弛激光器的結(jié)構(gòu)更加緊湊。在兩個(gè)人

面積銅電極之間進(jìn)行射頻氣體放電，見(jiàn)圖3-6，電極之間的間隙很小，通過(guò)水冷

電極放電腔可達(dá)到很好的散熱效果，獲得相對(duì)較高的能量密度。不穩(wěn)定諧振腔采

    圖3-6板條式∞2激光器的基本結(jié)構(gòu)

l．激光束；2．光束整形單元；3．輸出鏡；4．冷卻水出口；5．射頻激

  勵(lì)；6．冷卻水入口；7．后鏡；8．射頻激光放電；9．波導(dǎo)電極用柱狀反射鏡產(chǎn)生高度聚焦的激光光束。在激光器的外部采用水冷反射式光束元

件將矩形光束轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)的光束，光束傳播系數(shù)K≥0.8。

    除了緊湊與堅(jiān)固的設(shè)計(jì)之外，這種激光器較大的優(yōu)點(diǎn)是氣體消耗小。流動(dòng)式

氣體激光器需每隔‘定時(shí)間添加新的激光氣體。擴(kuò)散冷卻激光器只需將裝有10

升混合氣體的小氣瓶放在激光頭內(nèi)部，就能持續(xù)上作1年以上，而不需要再安裝

外部的供氣系統(tǒng)。圖3-7所示為2.5kW的板條式C()2激光器外觀。

鵪3-7 2.5kW板條式（’【k激光器

    擴(kuò)散冷卻板條式C02激光器的激光頭尺寸較小，容易與加工機(jī)床集成在一

起，系統(tǒng)可設(shè)計(jì)為與激光頭·起運(yùn)動(dòng)，用于船廠或車(chē)間里的大型龍門(mén)架時(shí)，在整

個(gè)工作區(qū)域中都可以保證較好光束質(zhì)量，這對(duì)于激光切割尤為重要。其技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

如下：

    (1)結(jié)構(gòu)緊湊；

    (2)光束質(zhì)量好；

    (3)無(wú)氣體換熱要求；

    (4)光損失低；

    (5)熱穩(wěn)定性高；

    (6)氣體消耗量低，無(wú)需外部氣體；

    (7)沒(méi)有氣體流動(dòng)，囚此光學(xué)諧振腔無(wú)污染；

    (8)維護(hù)-[作量少。

    表3-1給出了上述幾種(X)2 7 C體激光器的性能比較。表3-1  不同類(lèi)型C02激光器性能比較

3.3  Nd: YAG固體激光器

    0Q激光器是以CQ混合氣體作為激光活性介質(zhì)，通過(guò)放電產(chǎn)生激勵(lì)。固

體激光器中，是采用摻有釹(Nd)或釔(Yb)金屬離子的YAG晶體作為激光

活性介質(zhì)，主要通過(guò)光泵浦來(lái)發(fā)射激光。

    Nd: YAG激光器發(fā)射的激光波長(zhǎng)為1.06Um，通過(guò)氣體放電燈來(lái)激勵(lì)時(shí)，電

效率約為3960激光活性物質(zhì)釹（Nd3+離子）位于釔一鋁一石榴石( Y-A-G)組成

的固態(tài)晶體中，通常呈棒狀，當(dāng)光束質(zhì)量較高時(shí)，也有可能為片狀或碟狀。脈沖

激光器(P激光器)通過(guò)氪閃光燈產(chǎn)生光學(xué)激勵(lì)，而大功率連續(xù)激光器(CW激

光器)中，則是使用氪弧光燈。在新近開(kāi)發(fā)的連續(xù)激光器中，應(yīng)用了激光二極管

產(chǎn)生光學(xué)激勵(lì)。同燈式泵浦激光器相比，它能夠?qū)⒐馐|(zhì)量和總效率提高3倍

左右。

    工業(yè)應(yīng)用的脈沖Nd: YAG激光器的電源系統(tǒng)較為特殊，可輸出較高的脈沖

功率，但平均功率較低，峰值功率可以是平均功率的15倍。

    目前工業(yè)上應(yīng)用的連續(xù)Nd: YAG激光器的輸出功率已經(jīng)可以達(dá)到SkW以

上。連續(xù)Nd: YAG激光器由于是連續(xù)的發(fā)射激光，與脈沖系統(tǒng)相比可達(dá)到更高

的加工速度。此外，連續(xù)Nd: YAG激光器還具有Q開(kāi)關(guān)的特殊工怍模式。

    同CQ激光器相比，YAG激光器主要優(yōu)勢(shì)是光束可通過(guò)光纖進(jìn)行傳輸，且

材料對(duì)YAG激光的波長(zhǎng)范圍具有較高的吸收率，可用于加工高反射率的材料

（如鋁和銅）。