Nd:YAG激光晶体棒的外螺纹的作用

2018-03-17

Nd:YAG激光晶体棒有的客户会发现在一些规格的表面是有一圈外螺纹,那这个外螺纹是起什么作用的?这里大概的简述下YAG激光棒的外螺纹作用

从理论上分析了Nd:YAG晶体棒内热传导过程以及影响冷却效果的因素,给出了表面刻上螺纹后,对Nd:YAG晶体棒的表面积和表面冷却换热方式的影响。对热焦距进行了测量,与普通的棒的实验结果进行了对比,螺纹棒比普通棒的热焦距大12.9%。用刻螺纹的方法可以增大晶体与冷却液的接触面积同时改变了对流传热方式,有效地降低了棒的热透镜效应


 双氙灯泵浦的ms级脉冲Nd:YAG激光器在焊接和切割方面有广泛的应用。闪光灯泵浦Nd:YAG激光棒的时候,只有大约3%〔1〕的泵浦光被有效利用转化为激光输出,其余的大约有14%的能量转化为激光棒组件上的热而散逸掉,这些通过激光棒耗散掉的热使得其温度升高。这些热量将导致热透镜、应力、退偏、双折射等不良反应,这些效应使激光光束质量和输出功率下降,甚至造成工作介质破坏,严重限制了固体激光器的最大平均功率和亮度。热效应现象对激光器的输出的影响进行了研究。为使激光器持续稳定运转,必须及时有效地带走泵浦在工作介质中造成的无用热,一般情况下要对激光晶体棒和灯进行循环水冷却。对影响侧面泵浦Nd:YAG螺纹晶体棒的冷却效果的因素进行理论分析,并对双氙灯泵浦螺纹棒的热焦距进行实验测量,与一般的激光棒进行对比,来验证加工螺纹的方式是否对激光器的热透镜效应有所改善很有意义.

激光棒因吸收泵浦光而产生的热是通过表面流过的冷却液冷却的,假设棒内部发热均匀,在光学无限长的圆柱棒表面的冷却也均匀,则热流限于径向,并且可忽略轴向上冷却温度的端面效应和小的变化 

螺纹棒和普通棒的区别在于其与冷却液的接触表面积不同,以及刻上螺纹后棒表面水流动状态的改变 

 YAG激光晶体棒的热焦距

由于棒内温度场分布的不均匀,内外材料由于温度差的存在而产生机械应力。从而导致棒内各处的折射率由中心向外边缘逐渐减少,与r呈抛物线,即当光通过激光工作物质时,通过棒中心光线的光程大,通过棒边缘光线的光程小。此时光通过激光棒的情况与通过透镜的情况极为相似,故称这种由热引起的效应称为热透镜效应 

首先从理论上分析了在激光晶体棒侧面刻上螺纹来减小Nd:YAG晶体棒热效应的可行性,接着对双氙灯泵浦时螺纹棒的热焦距、用螺纹棒的激光器的平均功率和远场发散角进行了测量,对比普通棒的实验结果发现,螺纹棒比普通棒的平均功率最多可使热焦距最多大了12.9%。总的实验结果说明在激光晶体棒侧面刻螺纹可以有效地降低棒的热透镜效应但是所刻槽的形状不同,冷却效果肯定也会不同。


 YAG激光晶体棒螺纹棒能够显著地增强激光晶体元件的散热性能、降低其工作热效应、提高输出功率和光束质量,但长期以来螺纹棒因加工难度大、周期长,精度差,螺纹深度难以控制,一直没有实现量产。本公司采用自行开发设计的加工设备和加工工艺,实现了螺纹棒的全机械化加工。该晶体螺纹加工技术具有加工速度快、精度高、成品率高的特点,可加工直径在2~18mm、长度在10~250mm之间任意尺寸的螺纹棒,螺纹深度:0.1~0.2mm,螺距:0.6±0.5mm(或根据用户要求确定),加工晶体种类有:Nd:YAG、Tm:YAG、Er:YAG、Ho:Cr:Tm:YAG、Tm:YAP、Nd:YAP、Nd:YLF、Ho:Tm:YLF等。


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