什么原因使圓盤形狀如此理想?圓盤激光技術是怎樣突破棒狀激光器光束質量和固有的光纖長度限制的?回答了這些問題，人們就會理解：圓盤激光器是怎樣將YAG激光技術推向一個新時代的。

在談到半導體泵浦圓盤激光器的時候,許多產品和處理方法都隱含在“圓盤”一詞之中。它們的獨特形狀和解決棒狀激光器存在的光束質量和傳輸問題的能力，使圓盤激光器成了最具有創(chuàng)新意義的選擇。除了改善電效率、光束質量、焦距、離散和光斑大小等性能之外，用半導體泵浦圓盤激光器進行材料加工時，還有許多明顯的優(yōu)點。

圓盤特征

從半導體泵浦圓盤激光器得到的較高光束質量(與燈泵和半導體泵浦棒狀激光器相比)主要與激光介質的散熱能力有關。YAG棒(直徑約6毫米，長度150毫米)通常用水通過棒的外圍，進行循環(huán)冷卻。這樣做的結果是：棒的外圍相對較冷，而棒的中心部位仍然很熱，中心線的溫度最高。這個溫度差會在棒中引起熱梯度和熱畸變,從而限制了棒狀YAG激光器的光束質量。相比起來，圓盤(直徑約14毫米，厚0.2毫米)裝在水冷的銅塊(熱沉)上面, 同時，它還作為一個腔鏡。 因為圓盤的面是裝在熱沉上的，圓盤又很薄(面積與激光受激體積之比很高)，因此冷卻效率很高，所產生的熱梯度，可以忽略。另外，與棒狀激光器一樣，圓盤激光器也可以用串聯(lián)的方法耦合在一起，以增加它的輸出功率。

除了光束質量好很多之外, 與棒狀激光器相比，圓盤激光器還有另一個重要的優(yōu)點：圓盤激光器允許采用較長的光纖來傳輸光束。盡管要從物理上完全解釋這一現象比較復?但我們可從以下幾個方面作一些簡單的說明。首先，背反射(從工件或從光纖端面產生的)可以返回到激光諧振腔中。這個背反射光可用來進一步泵浦激光材料(棒或圓盤)，泵浦量與YAG材料的體積有關。在一個摻鐿:YAG(Yb:YAG)的圓盤中，激光材料的體積，比棒狀Nd:YAG激光材料的體積(約為4240mm3)小得多。棒的背反射泵浦可能引起極高的峰值功率。這樣的峰值功率可能會破壞內部光學元件和光纖電纜。背反射量是光纖長度、光纖芯徑和激光功率的函數(光纖越長、纖芯越小、功率越高，產生的背反射就越大)。對圓盤激光器來說,因為它的YAG體積小, 背反射能量產生的激射可以忽略,因此光纖長度不再受這種現象限制。

圓盤激光器(半導體泵浦棒狀激光器也是如此)最后的一個優(yōu)點是很值得注意的：泵浦圓盤的光能來自半導體激光器。這與燈(如弧光燈)泵激光器相比，優(yōu)點特別突出。它們之間的差別是：半導體激光器產生很狹的波長范圍(幾乎全部光能都對激光有用),而燈的波長范圍非常寬,大部分對激光的產生無用，反而產生沒有用的熱能。這是使圓盤激光器的總電光效率大于15%的基本原因,典型燈泵激光器的總電光效率僅為3%到4%(而半導體泵浦棒狀激光器的總電光效率約為10%)。

光束質量方面的優(yōu)勢

在談及光束聚焦能力和激光在工件上的功率密度時，光束質量問題就變得十分重要了。但是，光束必須首先被聚焦到光纖中，在確定傳輸光束的光纖大小時，光束質量是最重要的因素。光束質量, 有時也稱“光束參數積”,或BPP,是光束半徑和光束半發(fā)散角的積,用毫米-毫弧度表達。 對將光束聚焦進光纖而言，光束半徑是指聚焦光束在光纖入口處的半徑，而光束半發(fā)散角則等于耦合光束的半角。為了產生較穩(wěn)定的激光裝置，在光纖入口處的聚焦光斑必須小于光纖芯徑, 要小到可以用即插即用的方式更換光纖(在現場更換光纜，而無需進行任何調節(jié)的能力)。

纖芯直徑(φc)與在工件上的聚焦光斑(d)有直接關系，因此與也功率密度有關，這種關系可用下式表示：

d =φc (f/fc)

其中，f是聚焦光學系統(tǒng)的焦距，fc是準直光學系統(tǒng)的焦距。

因此,纖芯直徑越小,聚焦光斑的直徑也越小。但是，光有聚焦成小光斑的能力是不夠的。還要考慮功率密度問題。功率密度(Pd)是指：單位聚焦光斑面積的激光功率(P)(面積=πd2/4)

Pd =4 P /πd2

所以，當將半導體泵浦圓盤激光器(Trumpf型號HLD 4002, 在工件上的功率高達4千瓦， 直徑光纖為200μm)與燈泵棒狀激光器(Trumpf 模型 HL 4006,在工件上的功率高達4千瓦， 直徑光纖為600μm)進行光斑大小和功率密度比較時，光束質量的優(yōu)越性，就可通過所產生的功率密度或焦距清楚地看出。

較高的功率密度可用來產生高速、較狹的焊縫，或者通過采用長焦距透鏡，產生低速、較寬的焊縫。與短焦距透鏡相比，采用長焦距透鏡的好處是：它使加工光學元件能遠離焊接煙霧和濺污, 而且產生了大得多的聚焦深度(或較大的加工窗口)。

對焊接應用來說，最有意義的聚焦深度關系(景深)是所謂的5%定義。 5%聚焦深度(L5%)定義為這樣的一個范圍，在這個范圍內，光斑大小變化不超過5%。換句話說，如果“在焦點”的光斑為0.1毫米, 聚焦深度為5%的話，則光斑大小不會大于0.105毫米。L5%依賴于聚焦光斑大小(d)、輸出光束質量(BQexit)和激光波長(λ，燈泵YAG為1064nm，半導體泵浦圓盤激光器為1030nm),它們之間的關系可用下式表示：

L5% = d2/(6λBQexit)

因此，任何激光器的光束質量可直接說明它的聚焦能力，及光斑大小、焦距和聚焦深度等相關參數。

遠距離焊接

幾年來，在CO2激光器領域中，焊接零件的獨特概念一直在發(fā)展。這種焊接過程(它以遠距離焊接聞名于世)僅在增加功率并具有很好的光束質量(如Trumpf TLF 6000 HQ,6千瓦激光器，近高斯分布)時，才有可能實現。由于圓盤激光器的光束質量很好，遠距離焊接也可以用YAG激光器實現。

不像CO2激光器遠距離焊接系統(tǒng)那樣，需采用具有飛行光學元件的桶架式結構來傳送光束， YAG遠距離焊接可利用纖維光學的光束傳送能力,將光耦合到裝在機械手上的掃描頭上。在CO2和YAG遠距離焊接之間有許多差別，在評估任何遠距離焊接系統(tǒng)時，這些差別應該考慮。它們也為進一步研究和分析提供了線索。

圓盤激光器的極好光束質量允許光束通過更小直徑的光纜傳送，因此，在給定的焦距，可產生更小的聚焦光斑直徑(用于快速加工的功率密度更高), 或者，對給定的聚焦光斑大小，可產生更大的加工景深(更大的加工窗口，更穩(wěn)定和更遠的焊接能力)。