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光学应用知识干货:光纤激光器输出准直光斑

来源:半岛综合平台app下载    发布时间:2023-11-17 23:52:44
光纤激光器是指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器,光纤激光器可在光纤放大器的基础上开发出来:在泵浦光的作用下光纤内极易形成高功率密度,造成激光工作物质的激光能级“粒子数反转”,当适当加入正反
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  光纤激光器是指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器,光纤激光器可在光纤放大器的基础上开发出来:在泵浦光的作用下光纤内极易形成高功率密度,造成激光工作物质的激光能级“粒子数反转”,当适当加入正反馈回路(构成谐振腔)便可形成激光振荡输出。

  光纤激光器应用场景范围十分普遍,包括激光光纤通讯、激光空间远距通讯、工业造船、汽车制造、激光雕刻激光打标激光切割、印刷制辊、金属非金属钻孔/切割/焊接(铜焊、淬水、包层以及深度焊接)、军事国防安全、医疗器械仪器设施、大型基本的建设,作为其他激光器的泵浦源等等。

  光纤激光器是指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器,光纤激光器可在光纤放大器的基础上开发出出来。在泵浦光作用下光纤内很容易形成功率密度升高,造成激光工作物质的激光能级“粒子数反转”,当适当加入正反馈回路(构成谐振腔)便可形成激光振荡输出。

  光纤激光器的输出头规格跟随激光器的工作体制和功率等级各不相同,对大功率连续激光器,主要是采用QBH接头,低功率连续激光器,有些采用自带准直的QCS接头,对脉冲激光器多采用准直隔离器接头,对低功率直接半导体激光器常常采取D80接头。

  无论采用哪种接头规格,激光器输出的光束作用于靶材之前都要经过准直和聚焦过程。准直光斑的尺寸往往会直接影响聚焦光斑的尺寸,进一步影响聚焦功率密度和工艺效果。以脉冲光纤激光器为例,一般会用准直隔离器输出,输出光斑的直径一般在6mm~9mm范围内。准直光斑直径具体什么含义?以及光斑直径对后续聚焦光斑形态的影响如何?本文尝试做一些简易的梳理。

  光束质量高的光纤激光器输出的输出光斑接近高斯型分布,其光强分布用如下公式表示

  其中I0表示中心光强,w表示光强下降到峰值1/e2(峰值的13.5%)的位置的半径。r表示距离光斑圆心的距离(半径)。对任意光束分布,有几种光束直径的定义方式,例如:

  对高斯光束以半径轴做积分,得到功率比例的变化曲线所示。不同意义下的光斑直径D与高斯光束特征半径w之间的比值如图1所示,可见D/w = 2时对应的环围功率占比为86%,工业激光器一般会用86%的环围功率占比来确定光斑尺寸。

  准直后的光斑还需要经过振镜和场镜最后作用于靶材表面。波长为λ和光束质量为M2的激光,光束经准直为直径为D的光斑后经过焦距为f的场镜聚焦,则焦点位置的光斑直径为

  在典型的准直光斑直径和场镜焦距参数下计算焦斑直径如图2所示。可见,光束质量越差,场镜焦距越大,焦斑的尺寸也越大。典型的光斑直径范围在30um到300um之间,焦点位置的激光功率密度相差100倍,根据不同的材料和工艺技术要求需要匹配合适的激光器和场镜参数配置。

  在通常的焊接和标记领域,输出准直隔离器一般都会采用7mm的标准光斑直径,适配10mm的振镜镜片,可以以较高的性价比完成普通的工艺要求。

  光研科技南京有限公司自去年九月份推出自主研发的光束质量仪以来,产品质量和功能得到市场一致认可。标准版产品的功能也越发全面,始终为购买客户提供软件免费升级服务,在原有功能上新增了对平顶光检验测试参数,新增WEB通信接口数据交换等。系列新产品上,新增大光斑光束质量分析仪,双光楔衰减器等。

  近期,光研科技南京有限公司自主研发的高功率微米级的光束质量分析仪即将震撼上市!该产品大多数都用在激光切割,激光3D打印等设备的光束检测。标准版产品能检测响应波段190~1100nm,聚焦光斑4~400μm,最大检测功率30W(UV)~100w(IR)的光束。此次产品质量完全可取代进口产品,完全国产自主研发致使价格不到进口产品的一半,具有超高性价比。

  标准版产品配有10X有限远物镜,采用ZEMAX仿真设计软件进行,设计MTF接近衍射极限,畸变小于0.2%。能完美放大测试光斑。

  机械结构采用模块化设计,空间尺寸,结构更合理。能够准确的通过客户具体的需求,快速匹配相关结构,降低了客户使用成本。物镜系统,衰减系统,成像系统,都可以按照每个客户的需求及时响应。体积更小,设计使用更加合理,轻便。

  此次高功率微米级光束质量分析仪产品的研发设计打破了国外产品对此领域的垄断。为国内激光加工行业光束质量的稳定性提供了强大的检测依据,价格也不到进口产品的一半,极大提升了客户在激光加工设施市场中的竞争力。

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