激光设备固体激光器
气体激光器使用的激光工作物质由原子、离子或分子组成，而固体激光器使用晶体作为工作物质。原子在固体材料里密度更大，因此与气体相比不易移动，但能吸收更多的激发能。在激光制造领域，钇铝石榴石占有重要地位。钕离子和镱离子被加人到晶体内部空隙中，这些离子充当激活介质，相应的离子与钇铝石榴石晶格结合为Nd: YAG激光器或Yb: YAG。激光器。这两种激光器是在激光制造中使用最多的固体激光器。还有一些其他的激光晶体，如钒酸盐等，但它们在激光制造中用得不多。大部分固体激光器采用钕作为激活介质，但是最近镱作 为激活介质的使用也越来越多，特别是片状激光器的引入。激光器的波长为1064mm或1030mm，位于近红外光谱范围。这与气体激光器相比，无论是光学元件的选择，还是光纤传输，都具有很大的优越性。1064mm的近红外激光可以 使用光纤传输激光到工件。很多材料，尤其是金属，都具有吸收红外光的特性，而对于波长为10. 6um的C02激光的吸收较差。按照固体激光工作介质的形状可以将固体激光器分为棒状固体激光器、片状固体激光器和光纤激光器等。固体激光器也可以脉冲或连续工作。
棒状固体激光器
最早出现且至今仍普遍应用的激光晶体是圆柱形的。其典型的特点是直径为2~8mm，长度为20~200mm，最高可以获得1000W的输出功率。激光器的泵浦采用气体放电灯或二极管激光器泵浦。
1.灯泵浦棒状脉冲激光器
在脉冲激光器中光学激励一般由闪光灯产生。在工业中，常用100W以下的脉冲 Nd: YAG激光器。这种激光器可以在低的平均功率下获得高峰值脉冲输出，可以在大约500W的输出功率下工作，获得超过20KW的峰值，特别适合于焊接或切割厚金属或高反射率的金属。
精密机械零件的点焊使用的激光输出功率为20 ~100KW，脉冲功率可达5KW。 在这种设计中，脉冲的形状随泵浦的脉冲变化而变化，脉冲长度为0.06 ~20ms，频率由单脉冲到400Hz，用于这种激光器的光纤直径为200 ~600um。
2.灯泵浦棒状连续激光器
CW(Continuous Wave)激光器即连续波激光器。这种激光器仅适用于加工过程的输出功率均匀或有微小波动的场合。由于输出光束连续，CW识激光器系统与脉冲系统相比可以获得更高的加工速度。
CW激光器有一种特殊工作模式，称为Q开关工作。在这种模式下，连续产生的激光束被光路中的元件（Q开关）所阻挡。激光晶体能存储泵浦能量，一旦Q开关打开，存储的能量以非常短促的脉冲被释放出来，之后光路再次关闭。这是 一个重复的过程，脉冲持续的时间在10~500ns不等。这些短的脉冲峰值可达数百千瓦功率，频率最高可达100KHz。Q开关技术主要应用在激光标刻和微型机械加工中。
在灯管泵浦棒状激光器中，Nd: YAG圆棒通常安放在一个椭圆反射镜的焦点线上。泵浦灯管则安放在另一个焦点线上。为达到冷却效果，灯和晶体棒安放在玻璃管中，玻璃管被去离子水流包围。为达到高功率目的可放置两个灯管在双椭圆排列 中，如图1-9所示。
图1-9灯泵浦棒状激光器结构图
在高功率激光器中,Nd: YAG激光器棒的长度最大可达200mm，直径为4~8mm,每根棒可获得的功率受泵浦过程中的热效应限制。由晶体内部热量的散失和外表的冷却而引起的温度梯度必须很小，以确保其导致的机械张力永不会达到破裂的限度。为了达到机械加工的目的，当前提供的单棒 Nd: YAG激光器的功率约为50~800W，光束参数为 5 ~ 50mm X mrad。高功率可由多 Nd: YAG棒连续获得。每根棒按规则排列，组成透镜波导。所有晶体棒可以安放在谐振腔内，附加放大棒则安放在谐振腔外。
在谐振腔内安装多个晶体棒已被证明是高功率现激光器的最有效设计方案，有多达8个泵浦排列的这种系统应用在工业加工中，光束参数为25mmXmrad，连续波输出功率4KW。在绝大多数应用中，这种类型的激光器仅用于光纤系统传输。
3.纵向二极管泵浦棒状激光器由于制造成本低，原来为激光器提供泵浦光源的气体放电灯现正被 二极管所取代，在低功率Nd: YAG激光器中，激光器二极管的耦合光源由激光棒 的一个端面获得(端面泵浦或轴向泵浦)。这种设计的实现使结构更紧凑，更灵活，功率可高达20W，晶体棒的一端有808mm波长抗反射镀膜，它同时也是对1064mm波长具有高反射率的镀膜。换句话说，这个端面同时也扮演着共振镜片的角色。另一面共振镜片，与其他激光器一样，安装在离晶体棒一端一定距离的位置，其距离与激光器的功率及其他参数有关。由于其短小的直径和低功率输出，这种激光器结构可达到很高的光束传输比，最高可达到基模的水平质量。纵向二极管泵浦棒状激光器的结构如图1-10所示。
图1-10纵向二极管泵浦棒状激光器的结构
4.横向二极管泵浦棒状激光器
为获得更高的输出功率，常用侧向或横向泵浦Nd: YAG激光器。横向泵浦Nd: YAG激光器的结构与灯泵浦激光器的结构基本相同。不过，这种激光器不使用气体放电灯而使用砷化铝镓激光二极管，这些激光二极管按一定规则放在晶体表面。二极管泵浦激光器不使用灯泵浦的椭圆反射镜，而是呈现一种紧密结 合的结构设计。在这种结构中使用的二极管阵列紧靠激光棒放置，如图1-11所示。砷化铝镓激光二极管发射的激光在很窄的波长范围内，通过精确地调整铝的含量，可使其发出的波长在808mm附近，也就是钕离子的吸收波长。激光二极管的 光电效率最高可达50%，用于泵浦的Nd: YAG激光器，其光耦合效率大于35%。二极管泵浦激光器的较高总功率(大约是10%)是合理调节激光二极管的发射和Nd: YAG晶体吸收的产物。泵浦灯发出的光，只有图1-12中所示的灰色部分才能能被晶体吸收，这就可以解释为什么灯泵浦激光器的总效率低了（小 于3%）。
另一方面，很好地调节激光二极管的发射和Nd: YAG晶体吸收，可以减少温
度负载和Nd: YAG晶体的类似透镜特性，从而增加激光器的输出功率和泵浦速度
(单位体积晶体的泵浦性能)，同时显著增加光束传输比。与灯泵浦激光器光束参
数25mm xmrad相比，二极管泵浦激光器在同等输出功率下是其两倍(为12mm xmrad).
在脉冲操作下（Q开光操作），二极管泵浦Nd: YAG激光器可获得10MW的峰值功率和超过100kHz的脉冲频率。此外，二极管泵浦Nd: YAG激光器与灯泵浦激光器相比的一个主要优点是高效率，伴随着较长使用寿命的激光二极管，激光二极管连续工作的时间超过10000h(标刻应用超过20000h。这种状况使其具有更长的服务间隔，是很大的技
术突破。
对于制造大功率二极管泵浦Nd: YAC激光器来讲，首选方案是在谐振腔内安
装多个晶体棒。二极管泵浦Nd: YAG激光器在当前工业加工中应用于标刻和显徽
结构的功率范围趋于3 -100W或更高.而用于切割和焊接的功率在550一6000W.
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