eng
Выпуск #6/2008
В.Махнюк, А.Тер-Мартиросян, С.Будишевский, С.Дремов.
Компактный импульсный твердотельный лазер с диодной накачкой для маркировки
Компактный импульсный твердотельный лазер с диодной накачкой для маркировки
Просмотры: 2607
Представлены результаты разработки компактного импульсного твердотельного лазера на основе иттрий-алюминиевого граната с неодимом (YAG:Nd). В приборе устранено влияние возникающей в гранате тепловой линзы благодаря использованию кристалла с неактивированным Nd-слоем со стороны глухого зеркала и оптической схемы с рассеивающей линзой. Лазер АТС 106-7И предназначен для маркировки поверхностей непрозрачных материалов: пластика, органического стекла, дерева, полупроводников. Минимальная толщина маркировочной линии 50 мкм.
Прецизионный раскрой различных материалов, сварка миниатюрных металлических деталей, сверление отверстий микронных размеров, маркировка и обработка деталей из сверхпрочных материалов [1–3] предъявляют разнообразные требования к расширению функциональных возможностей лазеров, методам управления режимами генерации, возможности управления лучом, толщине дорожки, образуемой им на поверхности. Значительные успехи достигнуты в последние годы в физике твердотельных лазеров с полупроводниковой накачкой. Это связано главным образом с достижением высокого КПД и снижением тепловых нагрузок на активные элементы таких лазеров. Рассмотрим один из таких приборов – разработанный нами компактный импульсный твердотельный лазер с диодной накачкой, предназначенный для маркировки различных непрозрачных материалов (рис.1).
Для улучшения КПД всего прибора была выбрана оптическая схема с продольной торцевой накачкой активного элемента (YAG:Nd) лазерной полупроводниковой линейкой. При отработке конструкции применялись линейки собственного изготовления. В дальнейшем использовались аналогичные изделия фирм Limo и Jenoptic Laserdiode мощностью до 30 Вт. Полный КПД прибора достигает 3–4%.
Максимальная средняя мощность лазера составляет 7 Вт. Была разработана и модификация прибора с водяным охлаждением активного элемента. Дополнительное водяное охлаждение оправы граната позволило получить на 15–20% большую мощность излучения. Главной задачей при разработке прибора явилось устранение влияния тепловой линзы, возникающей в гранате при работе лазера. Снизить его удалось, применяя композиционный (bonded) кристалл граната, имеющий со стороны глухого зеркала неактивированный Nd-слой [4] и рассеивающую линзу, расположенную непосредственно вблизи от граната. Таким образом, удалось получить относительно малую (130 мм) длину резонатора и уменьшить размеры излучающей головки лазера до 100×150×55 мм.
В качестве затвора использовались акустооптические модуляторы российского ООО "СпецТехИнвест" и французского производства AA opto-electronic. При данных параметрах резонатора длительность импульса составила 15–20 нс. Фиксируемое значение энергии в импульсе на длине волны 1,06 мкм достигает 1,2 мДж, а частота следования импульсов лазера составляет 0,004–32 кГц. В целом характеристики разработанного лазера АТС 1,06-7И и приборов аналогичного класса сходны (см. таблицу).
На рисунках 2 и 3 приведены графические зависимости средней мощности излучения и энергии в импульсе от тока накачки и частоты следования импульсов в разных режимах, соответствующих работе на длинах волн 1,06 и 0,53 мкм. Излучение прибора на λ = 1,06 мкм в инфракрасном диапазоне спектра легко может быть переведено в видимый диапазон на λ = 0,53 мкм. В лазере с длиной волны 0,53 мкм использовались нелинейные кристаллы КТР размером 1,5×1,5×5 мм. При этом были получены максимальные значения энергии в импульсе 0,4 мДж без фокусировки и 0,6 мДж с незначительной фокусировкой, во втором случае средняя энергия достигает 1,5 Вт.
Исследования показали, что при маркировке металлических предметов энергия импульса не должна превышать 0,5 мДж, иначе качество линии ухудшается выбросами расплавленного вещества на ее границе. Минимальная толщина линии при маркировке объектов составляет около 50 мкм. Лазер АТС 106-7И (рис.4) показал хорошие результаты при маркировке поверхностей из пластика, органического стекла, дерева, полупроводников и различных металлов. Одно из основных достоинств этого прибора – относительно низкая стоимость, а также простота и удобство в эксплуатации.
Литература
1. Кравцов Н.В. – Квантовая электроника, 2001, т.31, с.661.
2. Голубев В.С., Лебедев Ф.В. Инженерные основы создания технологических лазеров. – М.: Высшая школа, 1998.
3. Горный С.Г., Юдин К.В. – Индустрия, 2006, №1(43), с.20–21.
4. R.Weber. Neuenschwander etc. – IEEE J.Quantum Electron., 1998, v.34, p.1046.
Для улучшения КПД всего прибора была выбрана оптическая схема с продольной торцевой накачкой активного элемента (YAG:Nd) лазерной полупроводниковой линейкой. При отработке конструкции применялись линейки собственного изготовления. В дальнейшем использовались аналогичные изделия фирм Limo и Jenoptic Laserdiode мощностью до 30 Вт. Полный КПД прибора достигает 3–4%.
Максимальная средняя мощность лазера составляет 7 Вт. Была разработана и модификация прибора с водяным охлаждением активного элемента. Дополнительное водяное охлаждение оправы граната позволило получить на 15–20% большую мощность излучения. Главной задачей при разработке прибора явилось устранение влияния тепловой линзы, возникающей в гранате при работе лазера. Снизить его удалось, применяя композиционный (bonded) кристалл граната, имеющий со стороны глухого зеркала неактивированный Nd-слой [4] и рассеивающую линзу, расположенную непосредственно вблизи от граната. Таким образом, удалось получить относительно малую (130 мм) длину резонатора и уменьшить размеры излучающей головки лазера до 100×150×55 мм.
В качестве затвора использовались акустооптические модуляторы российского ООО "СпецТехИнвест" и французского производства AA opto-electronic. При данных параметрах резонатора длительность импульса составила 15–20 нс. Фиксируемое значение энергии в импульсе на длине волны 1,06 мкм достигает 1,2 мДж, а частота следования импульсов лазера составляет 0,004–32 кГц. В целом характеристики разработанного лазера АТС 1,06-7И и приборов аналогичного класса сходны (см. таблицу).
На рисунках 2 и 3 приведены графические зависимости средней мощности излучения и энергии в импульсе от тока накачки и частоты следования импульсов в разных режимах, соответствующих работе на длинах волн 1,06 и 0,53 мкм. Излучение прибора на λ = 1,06 мкм в инфракрасном диапазоне спектра легко может быть переведено в видимый диапазон на λ = 0,53 мкм. В лазере с длиной волны 0,53 мкм использовались нелинейные кристаллы КТР размером 1,5×1,5×5 мм. При этом были получены максимальные значения энергии в импульсе 0,4 мДж без фокусировки и 0,6 мДж с незначительной фокусировкой, во втором случае средняя энергия достигает 1,5 Вт.
Исследования показали, что при маркировке металлических предметов энергия импульса не должна превышать 0,5 мДж, иначе качество линии ухудшается выбросами расплавленного вещества на ее границе. Минимальная толщина линии при маркировке объектов составляет около 50 мкм. Лазер АТС 106-7И (рис.4) показал хорошие результаты при маркировке поверхностей из пластика, органического стекла, дерева, полупроводников и различных металлов. Одно из основных достоинств этого прибора – относительно низкая стоимость, а также простота и удобство в эксплуатации.
Литература
1. Кравцов Н.В. – Квантовая электроника, 2001, т.31, с.661.
2. Голубев В.С., Лебедев Ф.В. Инженерные основы создания технологических лазеров. – М.: Высшая школа, 1998.
3. Горный С.Г., Юдин К.В. – Индустрия, 2006, №1(43), с.20–21.
4. R.Weber. Neuenschwander etc. – IEEE J.Quantum Electron., 1998, v.34, p.1046.
Отзывы читателей
