高功率激光器 High-power lasers

2022-11-18 09:32:54 浏览:269

定义

发射极高光功率的激光器。

许多激光应用都需要具有高输出功率的激光器,例如

  • 激光材料加工(激光焊接、切割、钻孔、焊接、打标、硬化、激光表面改性))
  • 大型激光显示器(→RGB光源))
  • 遥感(例如使用激光雷达)
  • 医疗应用(例如手术)
  • 军事应用(如反导武器)
  • 基础科学(例如高强度物理或粒子加速)
  • 激光诱导核聚变(例如在NIF项目中)

使用高功率激光器进行材料加工是涉及全球营业额的第二大激光应用(仅次于通信)。

没有普遍接受的属性“高功率”的定义;在激光材料加工的背景下,它通常意味着几千瓦或至少几百瓦,而对于激光显示器来说,几十瓦可能已经被认为是高功率。 在某些领域,分配此标签只是为了产生比基于相同技术的其他激光器明显更高的输出功率;例如,一些“高功率”激光指示器发射几百毫瓦,而普通激光指示器仅限于几毫瓦。

脉冲激光器的其他方面也发挥着作用。 例如,峰值功率可能与调Q激光器的平均输出功率一样重要。 根据脉冲重复率和脉冲持续时间,即使对于平均输出功率适中的激光器,峰值功率也可能非常高。 通常,高功率激光器需要高平均功率,而不仅仅是高峰值功率。

有相关的术语高能激光器,强调脉冲能量而不是平均功率。

技术挑战

在激光器中产生高光功率涉及许多技术挑战:

  • 一个需要一个或多个强大的泵源。 虽然灯泵浦最初是大多数固态激光器唯一可行的方法,但使用高功率激光二极管(二极管条或二极管堆栈)泵浦已变得越来越普遍。二极管泵浦激光器现在在连续波操作中提供最高的输出功率。 对于非常高的脉冲能量(例如数十焦耳),灯泵浦仍然更实用。
  • 至少对于长期连续波运行,高墙插效率是一个重要的经济因素。 不幸的是,各种技术挑战(例如热效应,见下文)往往使在非常高的功率水平下实现良好的效率变得更加困难。
  • 即使在相当有效的激光增益介质中,泵浦功率的很大一部分也会转化为热量,这可能会产生许多有害的副作用。 在最坏的情况下,热引起的应力会导致激光晶体断裂。 高功率固态激光器还表现出强烈的热透镜,这使得实现高光束质量变得更加困难。 在具有偏振输出的激光器中,去偏振损耗通常会影响效率。 因此,有效的散热和热管理是重要的问题,并且通常需要采取额外的措施(例如在谐振器设计的情况下)来应对各种热效应。
  • 特别是在调Q激光器中,可能会出现非常高的光学强度,这可能导致激光引起的光学元件(如激光反射镜)的损坏,例如通过激光诱导的击穿。 即使光学强度远低于所有光学元件的损伤阈值,微小的尘埃颗粒也会引发损伤现象。 因此,保持激光装置非常干净至关重要,例如,在密封箱中操作,只能在洁净室中打开。 此外,必须使用具有高光学损伤阈值的精密光学器件。
  • 各种类型的非线性效应也可能变得相关,特别是在高功率光纤激光器中。 例如受激拉曼散射、布里渊散射和四波混合。
  • 具有大有效模面积的激光谐振器往往对光学元件的错位和振动敏感。 因此,实现稳健的免维护运行和良好的光束指向稳定性可能更具挑战性。
  • 例如,基于通风机或水流的所需冷却系统会引入振动,从而影响激光操作。 此外,它们可能会降低系统的可靠性,例如通过漏水、水流不足和污垢在水通道中的沉积。

高功率激光器的类型

有几种不同类型的高功率激光器:

  • 上面已经提到高功率二极管条和二极管堆栈是固态激光器的可能泵浦源。 它们允许产生千瓦的输出功率,但光束质量很差。 对于某些光束质量不重要的应用,直接使用高功率激光二极管(→直接二极管激光器)是一个有趣的选择,例如用于激光焊接、焊接和钎焊、熔覆和热处理,提供相对简单、紧凑、经济高效和节能的解决方案。
  • 有各种类型的灯泵浦或二极管泵浦固态体激光器。棒状激光器可以针对几千瓦的输出功率进行优化,但衍射限制的光束质量只能达到几百瓦(需要付出很大的努力)。板条激光器可以开发数十千瓦或更高的光束质量。薄盘激光器很容易产生数百瓦甚至几千瓦的光束质量,具有衍射限制的光束质量,即使在远高于 10 kW 的功率水平下(在激光谐振器中使用多个激光头)也有可能达到这一水平。 它们的功率效率通常相当高,远高于50%的光学对光学。
  • 高功率光纤激光器和放大器可以产生高达几千瓦的功率,具有接近衍射极限的光束和高功率效率。 随着光束质量要求的放宽,甚至可以显著提高功率。 严格来说,这种光纤器件通常不是激光器,而是主振荡器功率放大器(MOPA)配置。
  • 一些气体激光器,例如一氧化碳2激光器而准分子激光器,也适用于数百或数千瓦的输出功率。 它们通常在与固态激光器不同的光谱区域工作,例如在中红外或紫外区域。
  • 有具有数千瓦甚至兆瓦输出功率的化学激光器,例如在反导弹武器的背景下进行探索。
  • 一些自由电子激光器可以产生非常高的输出功率,即使在极端光谱区域,但又大又昂贵。

一个可能不是很实用,但理论上非常有趣的高功率激光器概念是辐射平衡激光器。 在这里,光学制冷基本上消除了增益介质中的热量产生。 然而,功率转换效率相当低。

对于进一步的激光开发非常重要的一个方面是基于某些功率可扩展的激光架构的功率缩放。 即使对于功率不可扩展的激光器类型,了解各种零件或技术的缩放特性也非常有帮助。

安全问题

高功率激光器的使用提出了有关激光安全的重要问题:

  • 输出功率远远高于任何眼睛所能承受的功率,因此即使是微小的寄生反射也必须安全地防止到达眼睛。 即使使用强吸收激光安全眼镜也可能是不够的,因为这种眼镜可能无法承受如此高的光学强度超过一小段时间。
  • 在光功率和强度足够的环境中,例如激光切割金属,工人的皮肤和衣服也处于危险之中。
  • 高功率激光束可能会焚烧塑料或木材等材料。 对于 1 W 量级的激光功率,这种情况已经很容易发生。 因此,消防是一个重要问题。 此外,需要避免有毒烟雾的形成,或者必须有效地去除此类烟雾。
  • 有各种类型的风险与激光束本身无关。 特别是大功率电源通常涉及高电压,这会引起电击。 在恶劣的工业环境中可能会损坏的电源线也会造成危险。

高功率激光器领域的一个重要安全原则是用坚固的外壳封闭激光器设置,理想情况下,还要封闭可能存在危险激光束的整个区域。 联锁可以防止在人员处于危险区域时操作激光。

光学器件

作          者: 泮桥成像光电商城

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