三、從國(guó)內(nèi)千瓦光纖激光試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,高功率單模固體激光仍然沒(méi)有實(shí)現(xiàn)
圖一是網(wǎng)上提供的一張照片,科學(xué)院某研究所1000瓦全光纖激光器作的一次損傷試驗(yàn),從圖我估計(jì)切縫大概1——2毫米,激光束會(huì)聚光斑也應(yīng)在這范圍;最多大約6毫米的景深,錐度明顯。下面是簡(jiǎn)單的推論;
第一、全光纖激光的增益光纖芯直徑20微米,NA0.06,輸出激光的光斑直徑20微米,全角度小于120毫弧度。
第二、使用有效通光孔徑120毫米的透鏡,將20微米直徑激光會(huì)聚成1或2毫米光斑,會(huì)聚鏡頭與會(huì)聚點(diǎn)的距離大約50或100米;會(huì)聚鏡頭為12毫米時(shí),距離5或10米。
第三、會(huì)聚光斑的錐度是千分之1.2或0.6,疑問(wèn)一是圖一所示的試驗(yàn),切縫應(yīng)該幾乎看不出錐度,而圖一中的切縫錐度明顯。
第四、激光束的直徑20微米、發(fā)射全角小于120毫弧度即小于2.4毫米毫弧度,這樣的激光相當(dāng)于56千瓦單模CO2激光器,即使3000瓦近單模CO2激光的切縫遠(yuǎn)小于2毫米,錐度也比這個(gè)試驗(yàn)效果要好。
第五、我們可以認(rèn)為這臺(tái)光纖激光器,由于泵光吸收不充分,其它各種因素影響,1000瓦激光中還有相當(dāng)一部分是400微米包層中發(fā)出的光。我把這種不利因素夸大,1000瓦光功率中,僅有100瓦是直徑20微米增益光纖中發(fā)出的激光,即使這樣這100瓦的激光也相當(dāng)于3000瓦單模CO2激光器發(fā)出的光,這已經(jīng)是目前最好的單模CO2激光器了,但是這臺(tái)全光纖激光器的試驗(yàn)結(jié)果,遠(yuǎn)比這差。
反過(guò)來(lái)我們考慮400微米直徑、NA0.46光纖發(fā)出的1000瓦激光,會(huì)聚成直徑1或2毫米的光斑后:
第一、會(huì)聚成直徑1或2毫米的光斑,光斑擴(kuò)大2.5倍或5倍,束散角半角變?yōu)?00毫弧度或100毫弧度。
第二、考慮鋼柱直徑13毫米,這束會(huì)聚光束傳輸6毫米以后,光束直徑增加為3.4毫米或3.2毫米。這樣,這個(gè)試驗(yàn)結(jié)果和400微米包層光纖輸出的1000瓦激光相符。
根據(jù)上述分析,可以初步考慮該1000瓦全光纖激光器的輸出光束,近似400微米、NA0.46光纖輸出的光束。
四、結(jié)束
激光在工業(yè)加工中,取決定作用的是激光器的亮度,單位(毫米*毫弧度)2輸出功率,而不是單一的激光器輸出功率指標(biāo)。單模固體激光(燈泵、DPL、DISK和光纖激光器)是1.35毫米*毫弧度,CO2激光是13.5毫米*毫弧度,相同功率時(shí)固體激光器的極限亮度是CO2激光器的100倍,現(xiàn)實(shí)激光加工市場(chǎng)中的固體激光器遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到1.35毫米*毫弧度極限,甚至還達(dá)不到CO2激光器的光束質(zhì)量。盡管IPG公司的千瓦光纖激光器、SPI公司的200瓦光纖激光器、通快公司的3000瓦DISK激光器,樣本上報(bào)道的數(shù)據(jù)是單模或近單模,但是在實(shí)際切割金屬材料中,并沒(méi)有被用戶接受,即使這些公司自己報(bào)道的數(shù)據(jù)也不過(guò)和CO2激光實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)在一個(gè)數(shù)量級(jí)。事實(shí)是從幾十瓦至千瓦單模固體激光仍然是一個(gè)沒(méi)有達(dá)到的難題。至少是在激光加工應(yīng)用中,30瓦以上的單模固體激光器加工技術(shù)有待研究開(kāi)發(fā)。
從公式(一)可見(jiàn),激光武器也取決于激光器的亮度和發(fā)射天線有效通光面積(D2),有效通光孔徑1500毫米的發(fā)射天線,100公里處單模Nd:YAG激光會(huì)聚光斑直徑90毫米,10公里處9毫米。這就告訴我們幾兆瓦的氧碘激光器,摧毀100公里外的起飛段的導(dǎo)彈幾乎沒(méi)有可能。第一、氧碘激光要達(dá)到單模,增益直徑需要小于0.8毫米,輸出2個(gè)兆瓦這是很困難的,增益區(qū)的功率密度達(dá)到了十的9次方瓦/平方厘米;第二、即使是單模,這樣的功率密度還不能夠瞬間摧毀目標(biāo),需要跟蹤一段時(shí)間,跟蹤同樣是一個(gè)成像的極限分辨率,幾乎沒(méi)有實(shí)現(xiàn)的可能。但是將這樣的激光器用于10公里以內(nèi)的近地防空,單模會(huì)聚光斑直徑是10毫米,功率密度達(dá)到2兆瓦,就可以在瞬間摧毀飛行目標(biāo)。
中篇我將分析燈泵固體激光、端泵和側(cè)泵固體激光、DISK激光器為什么沒(méi)有不能夠?qū)崿F(xiàn)單模大功率輸出。比較詳細(xì)分析光纖激光器,回答為什么會(huì)出現(xiàn)上述現(xiàn)象。下篇根據(jù)中篇分析得出的固體激光器的缺陷提出幾種全新的固體激光器的設(shè)計(jì)。
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