YAG激光器原理普及贴

abuzhu · 发表于 2009-6-14 14:03:03

最近激光的书看了一些，总结了一下YAG的基本结构和原理，跟大家分享。这篇是入门的介绍，有一些细节性的东西没有描述，另外这也是90年代的技术，现在新技术的一些内容并没有列出。

对于铜、铝等热扩散性能较好的金属材料的加工来说，适于进行加工的激光为355nm的YAG激光，对于铜、铝、镍、银、金等的吸收率大于50%，通过调Q技术可进一步提高光束的能量密度，提高加工能力。为了产生大功率的激光，且获得较长的工作寿命，应选择激光二极管泵浦的YAG激光器。
目前基本的激光二极管泵浦的YAG激光器的结构如下图所示：

YAG激光器原理 (原文件名:YAG-LASER.jpg)

Nd：YAG晶体（粉色部分）封装在冷却水套（灰色部分）中，由冷却水进行冷却，一般控制温度低于25摄氏度；
数只激光二极管（黄色部分）的输出直接耦合到晶体上，为晶体提供能量泵浦；
绿色部分为调Q装置，提高激光输出的质量；
两片平镜（蓝色部分）分别为全反镜（调Q装置后部）、半透镜（透射率20~27%）构成谐振腔；
黑色部分为准直镜，将激光输出调整为直径10mm左右的平行光束；

工作原理：激光二级管发出的激光将YAG晶体进行激发，同时调Q装置将谐振腔的Q值调低，使得大量粒子处于反转态，在正确的时候将控制调Q装置反转，谐振腔的Q值迅速升高，产生激光振荡，积累的能量倾泻而出，形成一个能量密度很高的激光脉冲。
在结构上，激光二极管呈一定角度布设，否则发射出的激光有可能损伤正向相对二极管；冷却水套内部除激光二极管入射位置外镀增透膜外，其余位置镀全反膜（两端全透明），使得入射的激光能量充分被晶体吸收。

一般来说，输入二极管激光器的电能有20%左右转换为光能，而激光二级管的光能有10%~30%能够被YAG晶体吸收转换为新的激光能量。也就是说，如果希望获得200W的最终激光输出，则激光二极管的输出应达到1000W。以每只激光二极管输出功率50W计，则应有20只以上的激光二极管提供泵浦能量；

由于有大量的能量被变成热能消耗掉，每个YAG晶体所能承受的输入功率是有限的（100W/cm热负荷，对应激光功率约为25W/cm），则一根160mm长的YAG晶体所能承受的功率约为400W，可以通过将晶体串联获得更大的输出功率，例如3只400W的晶体串联后输出功率可达到1200W。

abuzhu · 发表于 2009-6-14 18:42:21

只有看的，没有回的……

longquan · 发表于 2009-6-14 18:58:31

云里雾里

h2feo4 · 发表于 2009-6-14 19:07:59

貌似是solidworks画的图

xiaolei0428 · 发表于 2009-6-15 08:18:02

好深奥

xiaolei0428 · 发表于 2009-6-26 17:55:56

太深奥，没法回

Prophet · 发表于 2009-6-26 23:57:02

光看书不够，缺乏实践。
另外光学系统的器件加工精度和装配精度要求极高。以微米计。这些相当大程度靠实践的积累。

ct007 · 发表于 2009-6-27 08:56:35

谁要激光资料，偶有一大把！

zwei99999999 · 发表于 2009-6-27 14:29:27

LS的上些看看嘛，玩这东东要有些钱才能玩

jasonzhu8888 · 发表于 2009-6-27 17:53:00

感觉在国内，你有钱某些材料你都不一定买得到
那个调Q装置，原理都没讲。感觉这个东东是关键

wwuchang · 发表于 2009-6-27 18:13:20

楼上的，现在调q技术已经很简单了，有用两块电偏振片调的。有用腔倒空技术调的，加工精度现在也无所谓了。可以人工用一个半导体激光器对着慢慢调，拧螺丝就行了。我最困惑的是1kw的半导体激光器哪里去搞。

abuzhu · 发表于 2009-6-29 07:41:00

1KW的半导体激光器可以通过激光二极管的并联获得，例如50W的激光二极管并联20个，输出通过光纤耦合的方式，最后用来激发YAG晶体。也有把激光二极管做成阵列的（俗称bar条），效果也一样。

搞这个东西关键要有钱来烧，还有奉献视力的准备……

如果谁认识国家科研机构、学校什么的有搞这个东东的，倒是可以去蹭着玩玩，自己在家搞太难了。

icer1 · 发表于 2009-10-2 19:09:40

顶abuzhu

问个问题啊，“在正确的时候将控制调Q装置反转，谐振腔的Q值迅速升高，产生激光振荡，积累的能量倾泻而出，形成一个能量密度很高的激光脉冲”

是一个能量积聚的过程么，那是不是积累的时间越久，瞬间功率越大呢？

那么一个1W的LED积累10倍的时间是不是和10W的LED积累1倍的时间发出的瞬间能量一样大呢？

icer1 · 发表于 2009-10-2 19:14:10

百度知识：

“一、YAG系列晶体
　　1、Nd：YAG晶体：
　　Nd：YAG晶体是目前综合性能最为优异的激光晶体。激光波长1064nm，广泛用于军事、工业和医疗等行业。能提供F1-20(D) ´ 10-140（L）mm的激光棒和各种板条元件，Nd浓度为0.6～1.1at.％。”

产生355nm的YAG激光是是那种晶体呢？

hl1200aa · 发表于 2009-10-2 19:35:27

【11楼】 abuzhu 白沙

还有奉献视力的准备……
---------------------------------
白沙兄的这句话说出了要害。
激光有风险，玩耍需谨慎。

icer1 · 发表于 2009-10-2 19:43:34

【14楼】 hl1200aa
积分：1098
派别：
等级：------
来自：
【11楼】 abuzhu 白沙

还有奉献视力的准备……
---------------------------------
白沙兄的这句话说出了要害。
激光有风险，玩耍需谨慎。
---------------------------------

不玩了，吃饭去

armok · 发表于 2009-10-2 20:43:25

还有奉献视力的准备……
－－－－－－－－－－－－
玩电子会有被电死的风险。

玩机械会有被断手断脚的风险。

玩激光会有致盲的风险。。

甚至，玩一夜情，也会有爱滋病的风险。

白沙兄看来对激光有研究，能不能帮我在淘宝或其它地方，找到能在铝合金上雕刻0.3mm左右的深度的激光？

armok · 发表于 2009-10-2 20:45:40

【楼主位】 abuzhu 白沙
对于铜、铝等热扩散性能较好的金属材料的加工来说，适于进行加工的激光为355nm的YAG激光，

【13楼】 icer1 阿客
YAG晶体是目前综合性能最为优异的激光晶体。激光波长1064nm，

-----------------------------
以上两个是否有矛盾？

我找的一份产品资料，是使用1064nm的激光的：

(原文件名:SNAG-0000.jpg)

(原文件名:SNAG-0001.jpg)

abuzhu · 发表于 2009-10-2 21:27:00

12楼：1W的LED积累10倍的时间是不是和10W的LED积累1倍的时间发出的瞬间能量一样大
从道理上讲，是可以这样理解的，调Q就像把小的电流灌到电容里再一次放出异样，照相机的闪光灯就是这样，然而实际中会受到晶体的功率容限，控制的难度等等很多问题；

14楼：关于奉献视力，这是一个不容忽视的问题，搞激光的有很多人存在不同程度的视网膜灼伤。但是最重要的是正视这个问题，做好防护，规范操作，养成良好的操作习惯；

阿莫：
1064nm的激光经过倍频，就是532nm的激光，这两个不矛盾，是我没表述清楚。从我贴的金属材料对激光的吸收情况看，金属材料对更短的波长吸收的更高：

(原文件名:1.jpg)

因此有时候会宁可采用倍频得到更短波长的激光再获取更高的吸收率。

我对激光谈不上有研究，淘宝不要找了，看看这个网站：http://antelaser.com/index.asp 广州的，可能会有用。

abuzhu · 发表于 2009-10-2 21:48:27

推荐几本关于激光的书，在超星图书馆可以找到。超星一年300块，还是有必要花的。有很多不错的老资料。

(原文件名:11.jpg)

(原文件名:12.jpg)

(原文件名:13.jpg)

ece123 · 发表于 2011-7-18 14:24:38

mark

king802005 · 发表于 2011-7-19 22:54:08

这东东有买不？

armku · 发表于 2011-7-20 10:15:34

mark,比较先进的资料YAG激光器

ssaweee · 发表于 2011-7-20 10:59:20

回复【18楼】abuzhu 白沙
-----------------------------------------------------------------------

光学中还有一些现象
比如激光的功率大过一定的阀值，照射一些不透明的晶体，比如砷化镓就会变透明。

changjing · 发表于 2011-7-20 13:06:46

回复【17楼】armok 阿莫
【楼主位】 abuzhu 白沙
对于铜、铝等热扩散性能较好的金属材料的加工来说，适于进行加工的激光为355nm的yag激光，
【13楼】 icer1 阿客
yag晶体是目前综合性能最为优异的激光晶体。激光波长1064nm，
-----------------------------
以上两个是否有矛盾？
我找的一份产品资料，是使用1064nm的激光的：

(原文件名:snag-0000.jpg)
引用图片

<center>......
-----------------------------------------------------------------------

不矛盾，加工金属的YAG激光器是在1064输出的基础上加上倍频晶体得到532激光实现的，532激光器可以对铜铝等金属进行切削，阿莫说的355激光是用1064三倍频得到的，不过三倍频晶体的效率很低所以目前国内用这个波长进行金属加工的不多
顺便一提，阿莫找到的那份资料应该是用的脉冲YAG激光器，一般这种激光器都是使用脉冲氙灯泵浦的（应该还要主动调Q），和楼主说的LD泵浦的还不太一样，大功率连续YAG激光器一般用氪灯泵浦，氪灯的成本要比LD的低。

changjing · 发表于 2011-7-20 13:19:05

回复【11楼】abuzhu 白沙
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1064激光器还是比较安全的因为这个波长几乎会被水全部吸收，所以一般调试YAG激光器的时候都不需要带防护镜，而且激光的漫反光也不会对眼睛造成什么伤害，但是倍频以后的532激光以及泵浦用的LD发出的808激光都是可以顺利穿过水的，所以危险性很大，尤其是808激光它的波长已经进入近红波段，人眼对它非常的不敏感，往往被照射到了眼睛也不会有太大的察觉，等发现时已经对视网膜造成了很大伤害，所以一定要小心再小心

changjing · 发表于 2011-7-20 13:33:30

还有白沙楼主位的资料不知道是哪里的，貌似有些错误，你一开说的原理是LD泵浦主动调Q型YAG的原理，但是如果是这种YAG那没你后面的功率计算方法就有错误了，因为脉冲激光器一般情况关心的是他的功率峰值，这个功率可以做到很大，并且串联的话，后级YAG主要做光放大器用，并不是简单的串联既可以的，并且这里不但要考虑泵浦光损伤还要考虑1064激发光的损伤阈值，因此两只400W的晶体穿起来用，后面用于放大的那个晶体是会损坏的

af00 · 发表于 2011-7-20 13:47:59

淘宝能买到的都是小功率的激光二极管

heart080811126 · 发表于 2012-4-8 15:32:35

看不懂的天书，想回也回不了。。。

Eric.Hu · 发表于 2012-4-9 13:13:54

看的一知半解，云里雾里。
敬仰一下。
据说激光加工的时候是用振镜(没写错吧？我猜是这两个字)来移动光斑的，不是机加工常用的滑台平移技术。有没有人可以在这方面普及一下？

skycheung · 发表于 2012-7-27 16:02:53

我们公司是生产激光打标机的，关于YAG激光设备说明一下：
1、我们的实际应用中对于硬光路的谐振腔来讲总体效率很难到达20％。
2、激光加工中其实更重要的参数是能量密度，就好比相同条件下所使的刀越锋利所能切入材料的深度就越深。
3、回Eric.Hu，激光加工的确使用的是叫振镜的部件来带动激光束偏转，让激光定位于要加工的点，
但大幅面加工也有用移动加工平台的，两种结合的也有。振镜是国类的叫发，国外通常叫SCANNER。
4、我们在深圳沙井，有想了解的朋友可以过来看看，有产品上面要打标识的只要数量不多一定费用全免，碰到吃饭时间一律我请客。

YAG激光器原理普及贴

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