半導體(ti) 泵浦圓盤激光器將YAG激光器推向新時代
　　什麽(me) 原因使圓盤形狀如此理想?圓盤激光技術是怎樣突破棒狀激光器光束質量和固有的光纖長度限製的?回答了這些問題，人們(men) 就會(hui) 理解：圓盤激光器是怎樣將YAG激光技術推向一個(ge) 新時代的。
　　在談到半導體(ti) 泵浦圓盤激光器的時候,許多產(chan) 品和處理方法都隱含在“圓盤”一詞之中。它們(men) 的獨特形狀和解決(jue) 棒狀激光器存在的光束質量和傳(chuan) 輸問題的能力，使圓盤激光器成了最具有創新意義(yi) 的選擇。除了改善電效率、光束質量、焦距、離散和光斑大小等性能之外，用半導體(ti) 泵浦圓盤激光器進行材料加工時，還有許多明顯的優(you) 點。
　　圓盤特征
　　從(cong) 半導體(ti) 泵浦圓盤激光器得到的較高光束質量(與(yu) 燈泵和半導體(ti) 泵浦棒狀激光器相比)主要與(yu) 激光介質的散熱能力有關(guan) 。YAG棒(直徑約6毫米，長度150毫米)通常用水通過棒的外圍，進行循環冷卻。這樣做的結果是：棒的外圍相對較冷，而棒的中心部位仍然很熱，中心線的溫度最高。這個(ge) 溫度差會(hui) 在棒中引起熱梯度和熱畸變,從(cong) 而限製了棒狀YAG激光器的光束質量。相比起來，圓盤(直徑約14毫米，厚0.2毫米)裝在水冷的銅塊(熱沉)上麵, 同時，它還作為(wei) 一個(ge) 腔鏡。 因為(wei) 圓盤的麵是裝在熱沉上的，圓盤又很薄(麵積與(yu) 激光受激體(ti) 積之比很高)，因此冷卻效率很高，所產(chan) 生的熱梯度，可以忽略。另外，與(yu) 棒狀激光器一樣，圓盤激光器也可以用串聯的方法耦合在一起，以增加它的輸出功率。
　　除了光束質量好很多之外, 與(yu) 棒狀激光器相比，圓盤激光器還有另一個(ge) 重要的優(you) 點：圓盤激光器允許采用較長的光纖來傳(chuan) 輸光束。盡管要從(cong) 物理上完全解釋這一現象比較複?但我們(men) 可從(cong) 以下幾個(ge) 方麵作一些簡單的說明。首先，背反射(從(cong) 工件或從(cong) 光纖端麵產(chan) 生的)可以返回到激光諧振腔中。這個(ge) 背反射光可用來進一步泵浦激光材料(棒或圓盤)，泵浦量與(yu) YAG材料的體(ti) 積有關(guan) 。在一個(ge) 摻鐿:YAG(Yb:YAG)的圓盤中，激光材料的體(ti) 積，比棒狀Nd:YAG激光材料的體(ti) 積(約為(wei) 4240mm3)小得多。棒的背反射泵浦可能引起極高的峰值功率。這樣的峰值功率可能會(hui) 破壞內(nei) 部光學元件和光纖電纜。背反射量是光纖長度、光纖芯徑和激光功率的函數(光纖越長、纖芯越小、功率越高，產(chan) 生的背反射就越大)。對圓盤激光器來說,因為(wei) 它的YAG體(ti) 積小, 背反射能量產(chan) 生的激射可以忽略,因此光纖長度不再受這種現象限製。
　　圓盤激光器(半導體(ti) 泵浦棒狀激光器也是如此)最後的一個(ge) 優(you) 點是很值得注意的：泵浦圓盤的光能來自半導體(ti) 激光器。這與(yu) 燈(如弧光燈)泵激光器相比，優(you) 點特別突出。它們(men) 之間的差別是：半導體(ti) 激光器產(chan) 生很狹的波長範圍(幾乎全部光能都對激光有用),而燈的波長範圍非常寬,大部分對激光的產(chan) 生無用，反而產(chan) 生沒有用的熱能。這是使圓盤激光器的總電光效率大於(yu) 15%的基本原因,典型燈泵激光器的總電光效率僅(jin) 為(wei) 3%到4%(而半導體(ti) 泵浦棒狀激光器的總電光效率約為(wei) 10%)。
　　光束質量方麵的優(you) 勢
　　在談及光束聚焦能力和激光在工件上的功率密度時，光束質量問題就變得十分重要了。但是，光束必須首先被聚焦到光纖中，在確定傳(chuan) 輸光束的光纖大小時，光束質量是最重要的因素。光束質量, 有時也稱“光束參數積”,或BPP,是光束半徑和光束半發散角的積,用毫米-毫弧度表達。 對將光束聚焦進光纖而言，光束半徑是指聚焦光束在光纖入口處的半徑，而光束半發散角則等於(yu) 耦合光束的半角。為(wei) 了產(chan) 生較穩定的激光裝置，在光纖入口處的聚焦光斑必須小於(yu) 光纖芯徑, 要小到可以用即插即用的方式更換光纖(在現場更換光纜，而無需進行任何調節的能力)。
　　纖芯直徑(φc)與(yu) 在工件上的聚焦光斑(d)有直接關(guan) 係，因此與(yu) 也功率密度有關(guan) ，這種關(guan) 係可用下式表示：
　　d =φc (f/fc)
　　其中，f是聚焦光學係統的焦距，fc是準直光學係統的焦距。
　　因此,纖芯直徑越小,聚焦光斑的直徑也越小。但是，光有聚焦成小光斑的能力是不夠的。還要考慮功率密度問題。功率密度(Pd)是指：單位聚焦光斑麵積的激光功率(P)(麵積=πd2/4)
　　Pd =4 P /πd2
　　所以，當將半導體(ti) 泵浦圓盤激光器(Trumpf型號HLD 4002, 在工件上的功率高達4千瓦， 直徑光纖為(wei) 200μm)與(yu) 燈泵棒狀激光器(Trumpf 模型 HL 4006,在工件上的功率高達4千瓦， 直徑光纖為(wei) 600μm)進行光斑大小和功率密度比較時，光束質量的優(you) 越性，就可通過所產(chan) 生的功率密度或焦距清楚地看出。
　　較高的功率密度可用來產(chan) 生高速、較狹的焊縫，或者通過采用長焦距透鏡，產(chan) 生低速、較寬的焊縫。與(yu) 短焦距透鏡相比，采用長焦距透鏡的好處是：它使加工光學元件能遠離焊接煙霧和濺汙, 而且產(chan) 生了大得多的聚焦深度(或較大的加工窗口)。
　　對焊接應用來說，最有意義(yi) 的聚焦深度關(guan) 係(景深)是所謂的5%定義(yi) 。 5%聚焦深度(L5%)定義(yi) 為(wei) 這樣的一個(ge) 範圍，在這個(ge) 範圍內(nei) ，光斑大小變化不超過5%。換句話說，如果“在焦點”的光斑為(wei) 0.1毫米, 聚焦深度為(wei) 5%的話，則光斑大小不會(hui) 大於(yu) 0.105毫米。L5%依賴於(yu) 聚焦光斑大小(d)、輸出光束質量(BQexit)和激光波長(λ，燈泵YAG為(wei) 1064nm，半導體(ti) 泵浦圓盤激光器為(wei) 1030nm),它們(men) 之間的關(guan) 係可用下式表示：
　　L5% = d2/(6λBQexit)
　　因此，任何激光器的光束質量可直接說明它的聚焦能力，及光斑大小、焦距和聚焦深度等相關(guan) 參數。
　　遠距離焊接
　　幾年來，在CO2激光器領域中，焊接零件的獨特概念一直在發展。這種焊接過程(它以遠距離焊接聞名於(yu) 世)僅(jin) 在增加功率並具有很好的光束質量(如Trumpf TLF 6000 HQ,6千瓦激光器，近高斯分布)時，才有可能實現。由於(yu) 圓盤激光器的光束質量很好，遠距離焊接也可以用YAG激光器實現。
　　不像CO2激光器遠距離焊接係統那樣，需采用具有飛行光學元件的桶架式結構來傳(chuan) 送光束， YAG遠距離焊接可利用纖維光學的光束傳(chuan) 送能力,將光耦合到裝在機械手上的掃描頭上。在CO2和YAG遠距離焊接之間有許多差別，在評估任何遠距離焊接係統時，這些差別應該考慮。它們(men) 也為(wei) 進一步研究和分析提供了線索。
　　圓盤激光器的極好光束質量允許光束通過更小直徑的光纜傳(chuan) 送，因此，在給定的焦距，可產(chan) 生更小的聚焦光斑直徑(用於(yu) 快速加工的功率密度更高), 或者，對給定的聚焦光斑大小，可產(chan) 生更大的加工景深(更大的加工窗口，更穩定和更遠的焊接能力。