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高功率脉冲yag泵浦染料激光器的维修分析
摘 要 本文介绍高功率脉冲yag泵浦染料激光器的构成及相关参数,分析进口激光器长期使用后造成输出能量下降的原因,介绍在实验室条件下用氦-氖激光定位的维修与调整.
关键词 yag激光器 染料激光器 漫反体 光栅
1 yag泵浦染料激光器的构成该激光器由泵浦激光(tag2580)和染料激光 (tdl250)两部分组成(见图1).yag2580是双灯泵图1 tdl 50染料激光器光路原理示意图浦的二级调q激光器.放大后的1106μm激光通过 kdp二倍频晶体转化为0153μm激光,尔后由二个 45°双色片滤掉1106μm基频光,可得到0153μm泵浦光.tdl250染料激光部分是由一级振荡,二级放大组成.振荡级谐振腔中采用2400线/ mm的光栅作为波长调谐元件,固定在机械承载平台上,光栅平面与平台的夹角为24°是掠入射工作方式,其优点:(1) 增大激光束覆盖光栅面积,避免过于集中的激光束对光栅表面产生损伤;(2)提高光栅的分辨率,获得较窄的激光线宽.腔内还有一扩束棱镜放置在一个可移动平移台上,当棱镜组平移到光路中时,组合成 "扩束棱镜2光栅系统",可获得到0105cm21的激光线宽.由振荡级出射的激光经两级放大后输出.
2 yag泵浦染料激光器的故障分析该激光器是使用多年的大精设备,整机输出能量及分辨率严重下降,已不能正常使用(见表1). 表1 新机维修前后参数对照表单位:mj 项目 yag振荡级 (1106μm) 倍频 (0153μm) 染料 (01603μm) 新机验机指标39036072 修机前指标26022021 修机后指标37031845 注:测试用染料: r610/ r640 从故障现象看,似是整个激光系统的老化.最简单的方法就是逐一更新激光器件.由于大部分器件是非标准件价格昂贵,全部更新几乎接近新购整机价格.显然没有必要.通过多次对系统的光学,电气部分的检测后,分析认为泵浦激光器(yag2580)的漫反射体和染料激光器(tdl250)的光栅是对激光器参数影响最大的两个器件. 211 漫反体为一圆柱型夹层腔体,夹层内充氧化镁.安装在圆型保护套内,由硅胶将保护套和它固定密封为一体.与其它组件装配成聚光腔.它的水平轴线上排列三圆型孔,圆心孔安装激光晶体,其余二孔安装氙灯.在氧灯长时间,高功率的照射下氧化镁易严重氧化,造成光能不能充分汇聚到yag 棒,使泵浦激光输出能量严重下降. 212 光栅本身就是一种色散元件对激光有一定的损耗,高质量的光栅在闪耀波长的效率能够达到 95 % ,而大多数的光栅效率较低,实际的数值一般是 65 % ,因此,光栅插入损耗是显著的3.加之该光栅为2400线/ mm高分辨率光栅已应用多年,在高功率激光照射下氧化和灼伤严重,致使染料激光器振荡级输出能量严重损耗.未对放大级形成足够的激励,造成输出能量和分辨率大幅度下降.针对上述分析,决定在实验室条件下进行更换两器件的尝试性维修. 85 现代仪器二○○四年 第四期
3 yag泵浦染料激光器的维修与调整 311 氦2氖激光定位下更换漫反体 在激光器设计时,为防止自激振荡,而往往把激光晶体棒的两端面做成相互平行,并与标准端面有一个2°的夹角.因此,更换漫反体后,恢复晶体棒原始机械位置,使更换前,后的输出光轴一致,是保证激光器输出精度的关键.首先,在yag2580激光器主体上做好振荡级聚光腔的原始安装标记,取下它与氦2氖激光器固定在一个载物平台上,使氦2氖激光束从yag晶体棒轴心穿过.在距2～3m处设置一固定屏幕,出射的激光在屏幕上产生一光斑仔细做好位置屏幕标记后.才能打开聚光腔取出漫反体与保护套开始更换 (基座固定不动),结束后再用硅胶将二者胶结,密封,重新装好yag聚光腔.在氦2氖激光束的定位下,仔细调整晶体棒位置,使光斑与原屏幕光斑位置重合.紧固后,装回主体原位置. 312 氦2氖激光定位下更换光栅 在tdl250染料激光器谐振腔中,光栅是掠入式光栅,与全反镜配合构成选频调谐部件.由标准光栅方程mλ=d(sinα ±sinβ)可知1,式中m是光栅衍射级,λ为波长,d为光栅常数,α为入射角,β为衍射角.在谐振腔中,光栅通常以自准直状态工作,也称littow装置,这时衍射角等于入射角,既α=β=ψl则上式可写成mλ= 2dsinψl或λ= 2d/msinψl通常称为调谐方程.当旋转光栅时光入射角和衍射角发生连续变化,这时满足littrow条件的波长,既完成正弦变化.由调谐方程可知:不同波长的光其衍射角与波长一一对应. 调整调谐全反镜,只有唯一的波长被全反射后沿着原光路返回,能够满足激光振荡的谐振关系.此时的光路对这个唯一的波长是可逆的,输入,输出是共轴的.假定此时光栅发生掠入角位移和平面旋转位移时,必然破坏这种共轴关系.依据上述原理可在激光定位下保证更换光栅的精度.首先,调整tdl2 50染料激光器的选频输出在62318nm波长上(氦2氖激光器的波长).然后,固定氦2氖激光器,使它的激光束从染料激光器的放大输出级输出镜18的轴心穿过(见图1).由于光路的可逆性,这时透镜15上的入射光与反射光共轴.其后,做一小孔光阑固定在透镜15的凹面处.此时才可更换新光栅,仔细调整光栅的机械位置,使反射光斑与光阑小孔完全重合后,用硅胶粘接固定.
4 结论更换维修结束后,激光器工作状态良好,稳定. 实测yag2580振荡输出能量以及tdl250染料激光器输出能量有大幅度提高,性能改变明显(见表1).
从而证实yag2580振荡级的漫反体与2400线/ mm 光栅是造成该激光器输出能量及分辨率严重下降的故障原因.由于是探索性地维修,未对yag2580放大级漫反体更换,致使放大后的0153μm泵浦光能量偏低, 不能充分地泵浦染料,所以染料激光的输出能量没有接近新机验机时指标.通过维修验证,对于长期使用的同类进口激光器,可以用通过更换关键部件的办法使其发挥最佳效能,延长使用寿命.激光器的输出能量可以达到或接近新机验机时指标.
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1 yag泵浦染料激光器的构成该激光器由泵浦激光(tag2580)和染料激光 (tdl250)两部分组成(见图1).yag2580是双灯泵图1 tdl 50染料激光器光路原理示意图浦的二级调q激光器.放大后的1106μm激光通过 kdp二倍频晶体转化为0153μm激光,尔后由二个 45°双色片滤掉1106μm基频光,可得到0153μm泵浦光.tdl250染料激光部分是由一级振荡,二级放大组成.振荡级谐振腔中采用2400线/ mm的光栅作为波长调谐元件,固定在机械承载平台上,光栅平面与平台的夹角为24°是掠入射工作方式,其优点:(1) 增大激光束覆盖光栅面积,避免过于集中的激光束对光栅表面产生损伤;(2)提高光栅的分辨率,获得较窄的激光线宽.腔内还有一扩束棱镜放置在一个可移动平移台上,当棱镜组平移到光路中时,组合成 "扩束棱镜2光栅系统",可获得到0105cm21的激光线宽.由振荡级出射的激光经两级放大后输出.
2 yag泵浦染料激光器的故障分析该激光器是使用多年的大精设备,整机输出能量及分辨率严重下降,已不能正常使用(见表1). 表1 新机维修前后参数对照表单位:mj 项目 yag振荡级 (1106μm) 倍频 (0153μm) 染料 (01603μm) 新机验机指标39036072 修机前指标26022021 修机后指标37031845 注:测试用染料: r610/ r640 从故障现象看,似是整个激光系统的老化.最简单的方法就是逐一更新激光器件.由于大部分器件是非标准件价格昂贵,全部更新几乎接近新购整机价格.显然没有必要.通过多次对系统的光学,电气部分的检测后,分析认为泵浦激光器(yag2580)的漫反射体和染料激光器(tdl250)的光栅是对激光器参数影响最大的两个器件. 211 漫反体为一圆柱型夹层腔体,夹层内充氧化镁.安装在圆型保护套内,由硅胶将保护套和它固定密封为一体.与其它组件装配成聚光腔.它的水平轴线上排列三圆型孔,圆心孔安装激光晶体,其余二孔安装氙灯.在氧灯长时间,高功率的照射下氧化镁易严重氧化,造成光能不能充分汇聚到yag 棒,使泵浦激光输出能量严重下降. 212 光栅本身就是一种色散元件对激光有一定的损耗,高质量的光栅在闪耀波长的效率能够达到 95 % ,而大多数的光栅效率较低,实际的数值一般是 65 % ,因此,光栅插入损耗是显著的3.加之该光栅为2400线/ mm高分辨率光栅已应用多年,在高功率激光照射下氧化和灼伤严重,致使染料激光器振荡级输出能量严重损耗.未对放大级形成足够的激励,造成输出能量和分辨率大幅度下降.针对上述分析,决定在实验室条件下进行更换两器件的尝试性维修. 85 现代仪器二○○四年 第四期
3 yag泵浦染料激光器的维修与调整 311 氦2氖激光定位下更换漫反体 在激光器设计时,为防止自激振荡,而往往把激光晶体棒的两端面做成相互平行,并与标准端面有一个2°的夹角.因此,更换漫反体后,恢复晶体棒原始机械位置,使更换前,后的输出光轴一致,是保证激光器输出精度的关键.首先,在yag2580激光器主体上做好振荡级聚光腔的原始安装标记,取下它与氦2氖激光器固定在一个载物平台上,使氦2氖激光束从yag晶体棒轴心穿过.在距2～3m处设置一固定屏幕,出射的激光在屏幕上产生一光斑仔细做好位置屏幕标记后.才能打开聚光腔取出漫反体与保护套开始更换 (基座固定不动),结束后再用硅胶将二者胶结,密封,重新装好yag聚光腔.在氦2氖激光束的定位下,仔细调整晶体棒位置,使光斑与原屏幕光斑位置重合.紧固后,装回主体原位置. 312 氦2氖激光定位下更换光栅 在tdl250染料激光器谐振腔中,光栅是掠入式光栅,与全反镜配合构成选频调谐部件.由标准光栅方程mλ=d(sinα ±sinβ)可知1,式中m是光栅衍射级,λ为波长,d为光栅常数,α为入射角,β为衍射角.在谐振腔中,光栅通常以自准直状态工作,也称littow装置,这时衍射角等于入射角,既α=β=ψl则上式可写成mλ= 2dsinψl或λ= 2d/msinψl通常称为调谐方程.当旋转光栅时光入射角和衍射角发生连续变化,这时满足littrow条件的波长,既完成正弦变化.由调谐方程可知:不同波长的光其衍射角与波长一一对应. 调整调谐全反镜,只有唯一的波长被全反射后沿着原光路返回,能够满足激光振荡的谐振关系.此时的光路对这个唯一的波长是可逆的,输入,输出是共轴的.假定此时光栅发生掠入角位移和平面旋转位移时,必然破坏这种共轴关系.依据上述原理可在激光定位下保证更换光栅的精度.首先,调整tdl2 50染料激光器的选频输出在62318nm波长上(氦2氖激光器的波长).然后,固定氦2氖激光器,使它的激光束从染料激光器的放大输出级输出镜18的轴心穿过(见图1).由于光路的可逆性,这时透镜15上的入射光与反射光共轴.其后,做一小孔光阑固定在透镜15的凹面处.此时才可更换新光栅,仔细调整光栅的机械位置,使反射光斑与光阑小孔完全重合后,用硅胶粘接固定.
4 结论更换维修结束后,激光器工作状态良好,稳定. 实测yag2580振荡输出能量以及tdl250染料激光器输出能量有大幅度提高,性能改变明显(见表1).
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