高速振镜全固态激光打标、系统简介实验目的1、激光器的装调与选模通过装调掌握激光器的基本工作原理 观察激光模式，理解激光模式的概念2、静态激光输出特性的研究 研究静态输出特性，绘制 PI 曲线，计算转换效率3、声光调 Q 实验调节声光盒角度，完成布拉格衍射关门实验研究注入电流对动态激光输出特性的影响 研究重复频率对动态激光输出特性的影响 计算峰值功率，分析影响峰值功率的因素4、激光打标实验 了解当前激光加工技术的应用与前景，能够正确定位打标系统 观察打标过程，理解激光与物质相互作用的原理 学习使用打标机，完成打标的全过程实验仪器设备 控制系统、配电系统、激光器系统、匀光系统和水冷系统 实验原理1 LD泵浦基本原理自从美国的梅曼（Maiman）在I960年研制出了红宝石激光器，激光以其方 向性好、相干性好、高亮度等特性被广泛应用于各行各业。此后，激光器件和技 术获得了突飞猛进的发展，相继出现了种类繁多的激光器。尽管激光器种类繁多， 结构各异，但其组成都包括工作物质、谐振腔和泵浦源三部分。LD泵浦固体激光器以固体半导体激光器发出的激光为泵浦源，集LD和固 体激光器的优势于一体，具有总体效率高、频率稳定性好、使用寿命长、使用简 便、可以全固化等优点。下面以输出波长为808nm的LD泵浦Nd3+:YAG晶体为例，介绍LD泵浦的 基本原理。图 2.1 所示为 Nd3+:YAG 的能级图， Nd3+ 有几个很强的吸收带，分别是 4I9/22G7/2,2G5/2（中心波长在 0.58pm），4I9/24F7/2（中心波长在 0.75pm）和 4I9/2f4F3/2（中心波长在0.87pm），以及吸收能力最强的吸收带4I9/24F5/2（中心波 长在0.81pm的近红外光）。当LD发出808nm近红外光时，Nd3+: YAG能很好的 将其吸收，从而形成大量反转粒子数。7/2图2.1 Nd3+： YAG的能级图当注入半导体激光二极管的电流高于阈值电流时，发射光谱的宽度急剧变 窄，谱线中心波长的强度迅速增加而形成激光输出。它虽然比普通光的单色性好， 但因半导体的特殊电子结构，受激复合辐射发生在由许多子能级组成的导带和价 带之间，故激光谱线宽度比固体或气体激光器的宽得多。在室温下，GaAs激光 器发射的激光谱线宽度约有几个纳米，而且超过阈值电流时激光器发射光谱会出 现多个峰。而且峰值波长会随温度的不同而变化，在低温时为840nm,室温时则 为902nm。实验证明：随着温度的增加，峰值波长向长波移动。所以还可通过改 变温度来实现峰值波长移动，使之与Nd3+: YAG吸收光谱相匹配。由于Nd3+: YAG 激光介质在808nm附近有三个吸收峰，其中808nm处的吸收系数最大，其吸收 宽度约为lnm,而LD激光波长在810nm处有较窄的谱线宽度(0. 02nm2nm)， 与Nd3+:YAG正好匹配；但LD光谱随温度及注入电流变化非常灵敏，为了保证 光谱匹配，可以设置调整LD光谱温度的控制装置。正是由于两者的光谱匹配较 好，所以其总体效率比闪光灯泵浦要提高510倍。可见，在LD泵浦全固态激光器中，LD对输出激光的相关特性有着决定性 的影响。下面介绍一下激光二极管的结构和相关特性。2. LD发光特性LD发射截面小，由于衍射(谐振腔在两个方向上均很小且大小不一致)， 导致LD输出光在两个轴向上发散角较大且不对称，发射光束截面呈椭圆形。如 图2.2将其半发散角分别记为0和0，而且0 =10。20。、0 =30。60。,发射波 丄丄长在806809nm之间。典型的激光二极管慢轴平面内的发散角约为10，快轴平 面内的发散角约为40，为椭圆高斯光束。图 2.2 LD 发光特性图3 LD光谱特性LD发光谱线很窄，且波长随温度漂移率为0.20.3nm/C，当温度下降时， 发射波长向短波方向移动；当温度上升时，发射波长向长波方向移动。解决办法 是利用热敏电阻、热电控制元件（调节 LD 温度），使其峰值发射波长与激活粒 子的吸收带匹配。4 LD 泵浦方式用 LD 作为泵浦源时，通常有两种泵浦方式：端面泵浦和侧面泵浦。（1）端面泵浦所用的激光二极管或激光二极管阵列出射的泵浦光，经由会 聚光学系统将泵浦光耦合到晶体棒上，在晶体棒的泵浦耦合面上为减少耦合损失 而镀有对激光二极管波长的增透膜。同时，该端面也是固体激光器的谐振腔的全 反端，因而端面的膜也是输出激光的谐振腔，起振后产生的激光束由输出镜耦合 输出2。端面泵浦的效率最高3，其原因为：在泵浦激光模式不太差的情况下， 泵浦光都能由会聚光学系统耦合到工作物质中，耦合损失较少；另一方面，泵浦 光也有一定的模式，而产生的振荡光的模式与泵浦光模式有密切关系，匹配的效 果好，因此，工作物质用泵浦光的利用率也相对高一些。然而，端面泵浦虽然效 率高，但固体激光的输出功率受端面限制，因为端面较小时只能采用单元的激光 二极管，这就限制了泵浦光的最大功率。（2）侧面泵浦板条固体激光器采用泵浦功率较大的阵列型激光二极管可获 得更高的激光功率输出。由于阵列二极管的发光面较大，不可能利用端面泵浦， 因此，大多采用侧面泵浦方式。这种结构的特点是，在工作板条的一侧用激光二 极管阵列，另一侧是全反器，使泵浦光尽量集中到工作物质中。板条状激光器结 构的特点是，激光通过工作物质后经全反器反射传输，这样，激光经过工作物质 的长度就大于工作物质的外形长度，即提供了更长的有效长度4。在有效长度内， 工作物质可直接吸收到由激光二极管发射的泵浦光，从而较易获得大功率输出。 并可以根据所要得到的输出功率要求而改变激光二极管泵浦功率。目前大功率输 出的全固态激光器多采用侧面泵浦。5 LD侧泵结构(1)板条结构目前，国际上商品化的高功率线阵二极管激光条(diode laser bar)几何参数 已统一标准为10mm (长)*0.61.2mm (腔长方向)*0.10.15mm (厚)。连续输 出功率10W40W,工作电流1560A，电压1.8V；高占空比约为20%，准连续 输出60W100W，占空比小于2%,输出120W，工作电流70A120A。输出功 率及激光工作特性与二极管条的微观结构有关，二极管激光条内部由多个微阵列 二极管激光器组成，微阵列宽度约100200pm。二极管条的平均功率越高，要求 微阵列间距越大，则发光区填充因子越小。图2.3是连续线阵二极管激光板条实 物图，图2.4为原理图。填充因子为20%50%。二极管激光条的激活层距离PN 结P面的厚度为2pm。距离N面的厚度即GaAs基底厚度约120卩m。图2.3含有四条线阵的板条占空比20%微阵列本身又由多个宽度35pm，间距10pm的发光单元阵列组成。微阵列 内各发光单元之间的光场根据耦合方式的不同，输出激光为相干或部分相干，而 微阵列之间是非相干的。(2)模块结构在侧泵结构中，激光二极管阵列沿着激光棒的长度方向排列，使激光通过工 作物质的有效长度时，皆可直接吸收到由激光二极管发射的泵浦光，从而较易获 得大功率输出。如果需要更高的功率，可在激光棒的周围使用更多的激光二极管阵列。如图2.5泵浦腔内的三个激光二极管板条两两之间呈120。，围绕着激光 棒，阵列安装在长的散热结构上，并使用了一些圆柱光器件，使阵列与激光晶体 有一定的间隔。用石英套包住激光棒，采用液冷方式。实物图如图2.6。图2.5模块原理图图2.6模块实物图电路连接方式：每个板条上的LD阵列之间串联，三个板条之间并联。如图2.7所示（注：图中每个激光二极管代表一个激光二极管阵列）。6 LD泵浦优点（1）效率：DPSSL的效率要比闪光灯泵浦的固体激光器高一个数量级。相 比于闪光灯泵浦源，半导体激光器（又称为二极管激光器）的发射光谱很窄，如 图2.8，而且恰好落在Nd3+离子的峰值吸收谱线内如图2.9。实际上，闪光灯的 电光效率高达70%，比半导体激光器的电光效率2550%更高，但是闪光灯的发 光谱线很宽，而其中只有很窄一部分谱线内的辐射可以被Nd3+离子吸收，相比 之下，半导体激光器的输出波长则完全与常用固体激光材料的吸收谱线匹配，这 就使得它具有高效率、易冷却和热稳定性好等优点。图2.8激光二极管与氪灯发射谱图2.9 Nd3十离子的峰值吸收谱线(2) 光束质量：作为泵浦源的半导体激光器发射光谱与Nd3+吸收谱线相匹 配的另一优点就是它可以显著减少激光晶体内所积累的热量，减轻激光晶体内的 热效应，从而保证输出光束质量。另外，在端面泵浦结构中，泵浦光和激光低阶 模之间模式可以很好地匹配，这也保证了激光输出的高效率和高光束质量。典型 的DPSSL的输出光束是接近衍射极限的基模高斯光束，端面泵浦固体激光器的 光束质量很好，一般可以做到光束质量因子M2小于1.5。(3) 寿命：相对于闪光灯泵浦固体激光器系统，二极管泵浦固体激光器系 统的寿命和可靠性也要高得多。半导体激光器在连续工作状态下寿命达可达一万 小时，在脉冲工作状态下脉冲次数高达109次，而且当半导体激光器运行在额定 工作电流的90%以下时，其寿命还可以大幅度提高。相比之下，闪光灯在脉冲 和连续工作状态下的寿命分别是只有108次和500小时，而且在闪光灯的发光谱 线中有大量紫外光成份，这将引起激光晶体质量的下降，使得系统工作不稳定， 导致需要频繁维修，而这些问题在二极管泵浦的固体激光器系统中却并不存在。(4) 稳定性：由于半导体激光器输出功率的高稳定性，使得半导体泵浦的 固体激光器的不稳定度通常可以保持在百分之一以下。相比之下，闪光灯输出功 率存在很大噪声和不稳定性，这也导致了输出功率的不稳定。(5) 新激光材料：尽管大多数固体激光材料都可以用闪光灯作为泵浦源， 但某些激光材料，像Nd3+:YVO4，Yb:YAG和Tm:YAG等一系列理想的激光材 料只有在二极管泵浦时才能体现他们的优异性能刀。(6) 结构紧凑与多样性：半导体激光器发射谱线与激光材料吸收谱相匹配， 使得热损耗降低，减少了外围冷却设备，从而打破了传统灯泵浦激光器系统体积 庞大的局限，可以获得高效率、结构紧凑的全固态激光器。相对于灯泵浦源，半 导体激光器输出光束的方向性较好，使得新的泵浦结构成为可能，比如端面泵浦激光器、微片激光器、板条激光器和光纤激光器等。当然，相对于直接使用半导 体激光器，DPSSL也有它突出的优点，包括发射谱线窄，光束质量好，峰值功 率高，波长范围广等优点。(7) 峰值功率：因为半导体激光器中电子和空穴复合寿命太小，限制了能 量的有效存储，而且激活区损伤阈值低，所以半导体激光器不适合用来得到高峰 值功率。相反，固体激光介质中激活离子的上能级寿命一般大于几百个微秒， 使得它能够通过调Q技术获得高脉冲峰值功率。实际上，采用锁模技术，固体 激光器可以得到低于10飞秒的脉冲输出，峰值功率超过万亿瓦，这些特点使得 它们被应用于许多领域，有助于更深入地了解许多物理化学过程。实验装置图LM-DP1激光打标系统主要由五部分组成：控制系统、配电系统、激光器系统、匀光系统和水冷系统。1、控制系统控制系统控制、协调着激光打标系统的各组成部分，可以说是整个系统的中 枢。控制系统又可分为：硬件控制与软件控制。(1) 硬件控制：包括半导体泵浦模块控制部分与声光调Q驱动控制部分。对 于半导体泵浦模块控制部分，主要是通过控制半导体泵浦两端的注入电流来实现 的，其控制面板如图1所示电压值显示表电流值显示保护指示灯工作状态指示灯VOLTAGE (VCURRENT (A)PROTECTIONWKINGIGTD