微射流水导激光加工是利用Nd∶YAG激光在微射流击穿阈值中全反射传输作用于加工工件上, 加工激光经过不同轴方向速度的微射流水导传输后以不同模式叠加, 其加工峰值和能量分布得到改变。实验中, 激光在微射流中分布峰值下降, 光强分布均匀, 加工效果相当于提高并展宽脉冲宽度,达到加工阈值。从理论上分析激光在微射流分布影响下能量分布变化, 并模拟水导激光加工及波导传输机理, 分析对于激光加工效率的影响。研究结果对进一步系统地提高改善微射流水导激光加工质量, 尤其在以该加工方式参与的激光精密、超精密加工中, 提高其应用范围有着重要参考价值。

首先介绍了高斯光束平顶整形的应用价值及一些主要整形方法, 由于非球面镜整形的优点, 本文研究非球面镜整形法。选择费米 -狄拉克函数作为平顶光束模型, 并分析了其平顶分布与特性参数之间的关系。理论分析了非球面镜整形原理, 根据能量守恒定律和光线追迹函数推导出非球面面形表达式。考虑到加工因素, 分析了影响非球面度的系统参数, 根据分析, 选择适当的参数, 用 MATLAB软件对映射关系和面形曲线进行数值求解并拟合得到非球面系数。用 ZEMAX光学软件对整形系统进行建模, 通过物理光学传播 POP仿真可以得到输出光束的光强分布和传输特性, 结果输出光束的平顶质量接近理论上的预期效果, 其误差主要来自数值计算精度和孔径边缘衍射。

报道了一台输出功率超过1.5 kW的激光二极管抽运Nd:YAG双薄片激光器。设计了四通光学耦合系统, 通过优化经微柱透镜准直后光束的发散角, 实现了抽运光的近平顶分布。薄片激光介质镀完介质膜后镀Ti, Pt, Au实现金属化, 再采用铟焊工艺焊接在铜微通道冷却器上, 以提高散热效率和冷却的均匀性。采用两片直径40 mm, 厚度1.3 mm的Nd:YAG薄片激光介质, 在两个二极管激光器阵列抽运下, 当每个薄片上的抽运峰值功率为17.7 kW, 占空比10%时, 获得了平均功率1.52 kW的准连续激光输出, 光-光转换效率达到43%, 电-光转换效率超过20%。

激光介质的热效应是高平均功率固体激光器面临的最大挑战,采用薄片激光介质是解决热效应的有效手段之一。当在抽运区尺寸远大于薄片厚度并且抽运光均匀分布的条件下,热流近似为沿厚度方向的一维分布,从而大大降低介质的热透镜效应和热致应力双折射。设计了四通光学耦合系统,通过提高二极管激光器阵列输出激光强度分布的均匀性,并优化经微柱透镜准直后光束的发散角,实现了抽运光的近平顶分布。采用两片1 mm厚的Nd∶YAG薄片激光介质,在两个峰值功率2000 W,占空比为15%的二极管激光器阵列抽运下,获得了峰值功率1440 W,平均功率216 W的准连续激光输出,光光转换效率达到36%,电光转换效率超过16%,在稳腔下测得的光束质量M2因子约为12×13。