馮 馳,李 強,姜夢華,王寶華

(北京工業(yè)大學(xué)激光工程研究院,北京 100124)

高質(zhì)量激光打微孔,對激光器有特殊的要求,即在保持高的輸出功率的同時,需要有高光束質(zhì)量.通常使用的穩(wěn)定腔,由于各階橫模之間損耗差異小,采用光闌限制模式,會減小模體積,影響輸出脈沖的能量;另外,在腔長一定的情況下,由于穩(wěn)定腔輸出的高斯特性,發(fā)散角極不理想,采用非穩(wěn)腔在保持輸出功率的同時,可大大提高光束質(zhì)量,以實現(xiàn)高質(zhì)量的微孔加工.

本文采用平凸非穩(wěn)腔,通過補償熱透鏡效應(yīng),獲得高光束質(zhì)量的激光輸出,并進行了微孔加工實驗,獲得滿足應(yīng)用要求的高質(zhì)量小孔徑的微孔.

1 實驗裝置

1.1 激光器結(jié)構(gòu)

用于打孔的固體激光器不僅要求具有較大的峰值功率,同時還要求輸出激光具有較好的光束質(zhì)量.非穩(wěn)腔有較大的可控模體積,即可獲得較大激光輸出功率.同時,非穩(wěn)腔對不同橫模的幾何偏折損耗差異較大,容易實現(xiàn)基模振蕩,可以改善光束質(zhì)量.為了得到好的光束質(zhì)量和較大激光功率輸出,作者設(shè)計了非穩(wěn)腔作為激光器諧振腔.在多種非穩(wěn)腔中,平凸腔因?qū)せ罱橘|(zhì)的動態(tài)折射率畸變不敏感,在腔長一定的情況下,有更強的模式鑒別力,能輸出更高功率且更好質(zhì)量的光束.圖 1為激光器腔結(jié)構(gòu)原理.

圖1 激光器腔結(jié)構(gòu)原理Fig.1 The illustration about the structure of laser resonator

如圖 1所示,激光器諧振腔為平凸非穩(wěn)腔,由一個平面鏡和凸透鏡組成的平凸型非穩(wěn)腔鏡,不考慮增益介質(zhì)的影響,在光學(xué)上完全同腔長為 L′=2L的對稱雙凸腔等價.平凸型非穩(wěn)腔與其他非穩(wěn)腔比較有如下優(yōu)點:

1)由非穩(wěn)腔的自再現(xiàn)光線共軛像點位置公式可以看出,平凸腔的共軛像點即發(fā)光像點,位于腔外凸面鏡的一側(cè),因此不會使球面波在腔內(nèi)匯聚,也不會引起工作物質(zhì)的破壞.

2)平凸腔本身限模能力、模式鑒別力較強,其輸出發(fā)散角比較小;同時,平凸腔腔內(nèi)震蕩波形可以是球面波,對固體工作介質(zhì)動態(tài)折射率畸變相對不敏感.這樣,單端輸出一個理想的球面波,然后經(jīng)過透鏡可以轉(zhuǎn)換成平面波,可使其輸出光束發(fā)散角等于衍射極限角.

但是,大功率、高重復(fù)頻率固體激光器運轉(zhuǎn)時,不可避免地會出現(xiàn)熱透鏡[1-2]效應(yīng),對光束質(zhì)量的影響很大.固體激光器中激光棒[3]的熱透鏡[4]效應(yīng)十分復(fù)雜,不僅具有隨機變化的熱擾特征,而且還具有明顯的熱畸變特征和熱應(yīng)力引起的雙聚焦效應(yīng)[5].需要分析腔參數(shù)對光束質(zhì)量的影響.

由光學(xué)變換矩陣[6]及非穩(wěn)腔 G參數(shù)可知平凸非穩(wěn)腔只存在正支非穩(wěn)腔[7],不存在負支情況.通過非穩(wěn)腔條件及相關(guān)理論推導(dǎo)可得出:

幾何放大率為

式中 G1、G2均為腔鏡 G參數(shù).

遠場發(fā)散角為

式中,M為幾何放大率;l1為腔鏡到晶體的距離;l為腔長;a2為腔鏡光徑.

共軛點位置為

式中 R為凸透鏡曲率光徑.

當(dāng)泵浦電壓及重復(fù)頻率在一定值做微小范圍變化時,f基本保持不變,可得光強 G參數(shù)(G=G1G2)與凸面鏡曲率半徑 R的對應(yīng)關(guān)系以及遠場發(fā)散角分別與熱透鏡等效焦距 f和凸面鏡曲率半徑 R的對應(yīng)關(guān)系.經(jīng)模擬計算和優(yōu)化,給出激光器結(jié)構(gòu)參數(shù),圖 1中激光器為 Nd:YAG被動調(diào) Q[8]脈沖激光器,圖 1左邊為凸面反射鏡,其曲率半徑為 R,右邊為平面輸出鏡,其曲率半徑為∞,透過率為 50%,l1=d1+h=145 mm,l2=d2+h=165mm,L=110mm為晶體棒的長度,n=1.823為晶體折射率.優(yōu)化后的關(guān)系曲線如圖2、3所示.

圖 2 G1G2隨輸出功率 P的變化曲線Fig.2 G1G2 curve as a function of output power

圖 3 G參數(shù)穩(wěn)定分布區(qū)與激光器處于工作狀態(tài)G參數(shù)變化曲線Fig.3 The stable curve of parameter Gwhen laser works

由圖 2可知,G1G2與泵浦輸出功率 P成反比.當(dāng)輸出功率 P在小于 10.5W范圍內(nèi)取值(即 G1G2＞1)時,可以滿足非穩(wěn)腔的光學(xué)設(shè)計需求.由圖 3可知,在 G2∈[0,1]時,選擇G1∈[1.1,1.4]亦可滿足非穩(wěn)腔設(shè)計條件.

1.2 激光器參數(shù)

激光器的工作波長為 1 064 nm,激光脈沖重復(fù)頻率為 1/30/40/50/60Hz可調(diào)節(jié);在激光諧振腔內(nèi)采用 Cr4+:YAG可飽和吸收晶體被動調(diào) Q,其初始透過率為 87%,晶體厚度為 0.5mm(即通光厚度為 0.5 mm)[9].子脈沖寬度約為 100 ns(30Hz下測得),平均激光功率約為 15W,激光脈沖能量為 500mJ,單脈沖峰值功率可達到 5MW,用相紙大光斑法測得遠場發(fā)散角半角半寬值為0.56mrad,光束參數(shù)乘積 BPP值為 4.2mm·mrad.同時測定了在不同重復(fù)頻率 30/40/50/60 Hz調(diào)節(jié)時不同的匹配功率參數(shù),如表 1所示.

輸出激光光束經(jīng)過 6倍擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)進行擴束,而后使用焦距為 160mm聚焦鏡進行聚焦,最后輸出接近 TEM00的光束.圖 4為整個激光打孔系統(tǒng)裝置示意.

表 1 不同頻率變化下的功率匹配參數(shù)Tab le 1 The power-matched param eters at different frequency

圖4 激光打孔系統(tǒng)示意Fig.4 The chart of laser drilling system

2 實驗結(jié)果及分析

采用自主研制的平凸非穩(wěn)腔激光器分別在金屬、非金屬、二者混合材料上進行了激光打孔試驗.實驗工件厚度為 0.04～1mm,工作時激光脈沖重復(fù)頻率為 30Hz,脈沖寬度約為 100 ns,激光單脈沖能量約為500m J.打孔過程中所添加的輔助氣體為 1個大氣壓的壓縮空氣.打孔離焦量為 -0.1～-0.3 mm.圖 5～8為不同實驗條件下的微孔照片.

圖 5 0.04mm碳鋼,t=1 s,孔徑差為 18.382 4μmFig.5 0.04mm of carbon-steel,t=1 s,18.3824μm of aperture difference

圖 6 0.05mm碳鋼,t=1 s,孔徑差為 0μmFig.6 0.05mm of carbon-steel,t=1 s,zero of aperture difference

圖 7 0.07mm碳鋼,t=1 s,孔徑差為 11.029 4μmFig.7 0.07mm of carbon-steel,t=1 s,11.0294μm of aperture difference

圖 8 1mm陶瓷,t=2 s,孔徑差為 11.0294μmFig.8 1mm of ceramic,t=1s,11.029 4μm of aperture difference

由圖 5～8看出,可以使用該激光器分別在厚度為 0.04～1mm不等的金屬、非金屬等材料上進行激光打孔試驗;孔徑均在 0.1mm左右,有比較小的孔徑差,基本上可以認為是柱形微孔;孔型較好,尤其陶瓷材料的微孔加工,孔周圍幾乎不存在熱影響區(qū),而對于碳鋼材料,微孔圓度較好,但存在較大熱影響區(qū)及孔邊燒傷現(xiàn)象.經(jīng)分析得出,孔周圍會產(chǎn)生黑色區(qū)域有以下 2個方面原因:

1)由激光高溫加工過程中產(chǎn)生的材料汽化噴濺物附著在微孔周圍的熔融物造成.一般采用的百納秒量級的激光脈沖屬于長脈沖激光熱加工方式,長脈沖[10]激光與物質(zhì)作用時,產(chǎn)生很高的熱量,足以破壞金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)并使其短時間融化、蒸發(fā),因此,會向孔周圍噴濺大量金屬熱熔物質(zhì)[11],冷卻后就會留在孔周邊,即在微孔周圍形成一圈黑色附著物.

2)由于激光器增益介質(zhì)內(nèi)存在熱透鏡效應(yīng),其產(chǎn)生的徑向、切向 2個等效熱焦距有一定差距,同時輸出光束采用同一聚焦系統(tǒng)后,有 2個焦點位置,因此,在工件表面上打孔聚焦時,當(dāng)聚焦到其中一個焦點時,另一個必不在焦點位置,進而造成聚焦到焦點的一束光束打穿工件,微孔成形,未聚到焦點的一束光則只能形成光暈,即一定的熱影響區(qū).因而,在工件表面上會留有光暈圈,即一圈深色影響區(qū).

3 結(jié)束語

本文設(shè)計的激光器可以在厚度為 0.04～1mm不等的金屬、非金屬等材料上進行孔徑為 0.1mm左右的激光打孔,可以得到有較小孔徑差且孔型較好的柱形微孔.對于文中所述孔周圍熱影響區(qū)問題,其與激光脈寬、雙焦點和打孔方式密切相關(guān),如果能進一步壓窄脈寬、補償雙折射效應(yīng)即可以提高打孔質(zhì)量.

[1]周炳琨,高以智.激光原理[M].第 5版.北京:國防工業(yè)出版社,2007:70-98.

[2]WALTER K.固體激光工程[M].孫文,程國祥,譯.北京:科學(xué)出版社,2002:286-332.

[3]余本海,倪永軍,婁國營,等.Nd:YAG激光器的熱透鏡效應(yīng)及其對激光輸出的影響[J].信陽師范學(xué)院學(xué)報,2004,17(2):166-169.YU Ben-hai,NIYong-jun,LOUGuo-ying,et al.The influence of laser output from the thermal lens effect of Nd∶YAG Laser[J].Journal of Xinyang Normal University,2004,17(2):166-169.(in Chinese)

[4]李強,王志敏,王智勇,等.大功率連續(xù)Nd:YAG激光器熱透鏡焦距測量[J].中國激光,2004,31(9):1117-1120.LIQiang,WANG Zhi-min,WANG Zhi-yong,et al.Thermal lens focal length measurement of high power lam p pumped CW Nd:YAG Laser[J].Chinese Journal of Lasers,2004,31(9):1117-1120.(in Chinese)

[5]周良智,張珊珊,張守都,等.Nd:YAG中晶體取向?qū)嶂码p折射的影響[J].物理學(xué)報,1980,29(5):594-601.ZHOU Liang-zhi,ZHANG Shan-shan,ZHANG Shou-du,et al.Influence of orientations on thermally induced birefringence in Nd:YAG cystals[J].ACTA,1980,29(5):594-601.(in Chinese)

[6]呂百達.激光光學(xué)[M].第 3版.北京:高等教育出版社,2003:89-125.

[7]夏瑞東,孫茂權(quán).Nd∶YAG激光器非穩(wěn)腔設(shè)計與性能研究[J].應(yīng)用激光,1995,15(6):271-274.XIA Rui-dong,SUN Mao-quan.The design of unstable resonator and analysis of Nd∶YAG solid laser[J].App lied Laser,1995,15(6):271-274.(in Chinese)

[8]王之桐.Nd:YAG激光精密環(huán)切噴油嘴噴孔實驗研究[J].現(xiàn)代車用動力,2005,8(3):16.WANG Zhi-tong.Experimental study of fine trepanning drilling hole by Nd:YAGLaser[J].Modern Vehicle Power,2005,8(3):16.(in Chinese)

[9]藍信鉅.激光技術(shù)[M].2版.北京:科學(xué)出版社,2005:35-64.

[10]陳虹.激光光束質(zhì)量對光束傳輸聚焦和加工質(zhì)量的影響[D].北京:北京工業(yè)大學(xué)激光工程學(xué)院,2006.CHEN Hong.In fluence of beam quality on propagation and focus of laser beam and quality of lasermaterials processing[D].Beijing:Institute of Laser Engineering,Beijing University of Technology,2006.(in Chinese)

[11]晏緒光,高文斌,楊水其,等.激光脈沖和工件參數(shù)對激光微孔加工質(zhì)量的影響[J].應(yīng)用激光,1994,14(3):127-130.YAN Xu-guang,GAO Wen-bin,YANG Shui-qi,et al.Effect of laser pulse and workpiece parameters onmicrohol equality in laser drilling[J].Applied Laser,1994,14(3):127-130.(in Chinese)