===DIY高能脉冲激光器 涉及的理论、经验、器材===
RodTech2013/04/25强激光 IP:北京
=================序言==============

本文初衷在于让各位从实验中深入了解、体会脉冲激光的结构、原理,为了安全,原则上不准许也不需要做成手持模块!


固体脉冲激光器是一种历史悠久,使用广泛,结构简单的激光器,但是由于它的瞬间功率极端大,在没有彻底完善的防护(封闭的实验室,警告标志,全体人员个人防护等)的情况下,绝不允许因非实验目的做成手持装置,原则上只允做成固定在桌面上,不容易改变角度的实验模块。一切违反基本操作规范、偷懒跳过安全检查步骤、出于好玩把激光器做成手持版本等的行为后果自负



由于这周要考期中考,我只把DIY高能脉冲激光器所涉及的理论、经验以及器材选择方法简单的写了一下,让KCer对此有初步的概念,也为我接下来要发的一系列教程、套件做理论铺垫。国内部分爱好者一个致命的错误就是先根据随手查的一点点资料买来各种零件磕磕碰碰地装出来一个有各种问题的作品,再发现理论知识跟不上导致一大堆问题,这样不仅会造成资金、时间的浪费,还养成了一种对新领域的错误探索方式。我个人感觉,先花几天时间看看论文再谷歌谷歌再看看国外的论坛上的作品(如果有)把原理弄清楚,可能遇到的问题弄清楚,再开工,事倍功半。

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DIY高能脉冲激光器所涉及的理论、经验以及器材选择方法

危险!本类制作将涉及到高于普遍致死阀值数百倍甚至数千倍的高电压、大电流,完成本制作的人员必须具备相当的高压防护能力与实验经验。

注意!在调整、使用过程中,此类设备输出能量可以在相当大的距离内引起火灾和致盲。实验过程必需佩戴激光防护眼镜,必须保证周围设备、人员的安全。



所有的光(即传统光源or激光光源),都是原子、分子能级变化所造成的。这些特定能级差别的吸收和释放都表现成为特定波长的光。光子射出的能量(焦耳)等于h*f,其中h是普朗克常数,f是频率的辐射,这适用于激光和传统的发光系统。光辐射能量在原子从高能态掉到低能态的时候放出。然而,一个原子想发光,首先必须吸收的能量,使得低能态原子被打到高能态,这在激光领域叫做“泵浦,pump”。所有光包括自发和激光需要一定量的能量吸收。
显然,没有哪个自发辐射光源能达到激光光源的光谱质量。这是因为传统光源是系统处在各种能级都有的杂乱辐射状态。传统光源的基本特征是宽光谱分布,随机极化,圆形和不规则的波阵面和较低的色温。激光的发射原理不同于常规光,不是各种能级加在一起的自发辐射产生的,而是受激发射,各种能级的原子被泵浦到较高的一个激发态上,由于维持的时间总体正态分布,大部分原子都在一段极短的时间内掉到同一个较低的能态上,这种发射方式导致光处在几乎一致的能量水平,也就是我们平常所说的激光单色性。
为了维持这种翻转的粒子数够多,必须有外部的能量把掉下来的原子搬到激发态上,这就需要脉冲激光(例如本教程要做的固态灯泵脉冲YAG激光器)中的脉冲氙灯,半导体泵浦激光(又叫DPSS激光,例如绿色的激光笔)中的半导体激光器,气体放电激光(例如氦氖激光器、CO2激光器)中的放电,化学激光(例如武器级的氧碘激光)中的化学反应等能量源来提供能量了。
世界上很多物质都能受激发光,但是,只有少部分物质能够发出有用的激光。激光物质必须有特定的粒子结构使得粒子翻转群可以被激发到一定的密度,一般是一些晶体或者气体、液体。这些激光物质一般被放在两个镜子之间,使得能量能够经过多次来回反射而放大达到能够使用的级别。一面镜子是全反镜,反射几乎所有的光,也叫HR,一面镜子是半反镜,也叫输出镜,OC,一般反射20%到80%的光,激光在两个镜子之间多次往返放大后,从这里打出来一部分做输出。
在现在成千上万种激光设备中,红宝石激光器是世界上最早的激光器,它由Schawlow & Townes在60年代制造出来。虽然他的结构极端简单,但是在现在还是一个常见的大能量脉冲激光器。它跟YAG、钕玻璃等同时属于固体激光器。红宝石激光器在脉冲氙灯照射下的工作效率只有大概0.1%, 但是由于荧光寿命很长,可以很容易用机械Q开关(一个旋转的全反棱镜去把脉冲压缩到ns量级,脉冲功率轻松突破兆瓦)。
这里简单解释一下Q开关。最简单的q开关就是一个马达连着一个镜子,没对准的时候没有来回往复的光,可以让高能态粒子的数量慢慢的聚集增多,在对准的瞬间释放,达到很窄而功率很大的脉冲。另外一种适合DIY的Q开关是被动式Q开关(passive q-switch),当光能量密度达到某一个阀值时候,他突然由不怎么透光变得很透光,使得之前聚集的高能态粒子得以瞬间释放,这种晶体比较难找,价格也比较高,只能碰运气。工业上用的比较多的有电光调Q、声光调Q等方式做的q开关,用在进一步压缩脉冲激光的脉冲或者使连续半导体泵浦的激光晶体输出峰值功率很高的脉冲激光,方便打标、切割。


欣赏一些图:

经典的红宝石激光器反射腔结构:左边是闪光灯,右边是红宝石棒,周围是反射材料(还没铺上镜面膜,可以YY一下效果)。 2.png

机械Q开关:
1.png

红宝石激光器在350毫焦耳输出光能的情况下,很轻易的打穿剃须刀刀片:
3.png

浏览这段内容需要2学术分内容已隐藏


红宝石激光器的效率虽然不高,只有0.1%,产生的是暗红色的694.3nm光,但是由于它的结构极其简单,有代表性,跟我们要做的YAG激光器结构一致,能级(3能级系统)更加简单,分析起来比较好理解。笔芯粗细,手指那么长的红宝石棒就可以轻松的产生打穿铁皮、从月面上反射回来被检测到的激光束,这些激光器在没有发明效率高得多的YAG激光棒(1%-3%)的时候,被广泛的用在激光切割机、钻孔机上,许多军用的非致命性武器也采用更小的红宝石棒子。
红宝石是一种3能级的激光材料,见figure 2,一般是把光学性能很好的三氧化二铝晶体里面掺上0.03 - 0.4% 的Cr +3,做成人工红宝石,比一般的天然红宝石有好得多的光学性能。常见的红宝石棒尺寸从0.5cm到2cm直径,4cm到16cm长。看上去可能是很浅的粉红色玻璃棒样子或者很深的红棕色,这要看棒子的掺Cr浓度。用绿激光笔打进去会有很特别的颜色出来。详情见下图:
5.png

一束532nm的绿色激光从侧面射入,在切断瞬间拍下荧光,如果有光纤光谱仪看更好:
6.png

   7.png

系统内的4A能级(低能态)原子们有一大半的原子被外部的能量泵到更高的能态,laser才能lase。从figure 2看出, 红宝石激光器的吸收大部分集中在两个区域,T1(紫外)、T2(绿光)。这些吸收范的效率比较高的区域光谱宽度大概1000A。被打到T1/T2状态的离子很快掉到2E能级,造成了2E翻转群体密度增大到能打出激光的阀值。在这个阀值密度以下,红宝石既不能发出激光,也不能用来放大激光(其实两个是一样的原理)。此后,从2E能态到低能态的时候,这些多出来的能量就以波长为6943A的光的形式发出。一个2E能级的离子掉到低能态时候发出的6943光促使了周围的2E也跟着掉,可以理解成一种比较低成功率的连锁反应。这幅图是一个极端简这幅图是一个极端简化、不准确的非比例模型。化、不准确的非比例模型,它没有展示出一些2E/4A能级里的精细能级, 我记得2E中文好像叫做亚稳态,具体细节可以谷歌一下。这些精细能级会把6943A的激光参杂进一些附近的杂峰。这个问题不影响一般的实验。如果需要特别纯净的光谱可以把激光棒冷却到大概75K,这时候线宽就会变成大概10-15 GHz窄了。  
8.png

闪光灯

显然,要产生激光的先决条件是有一束富含紫外和绿光的强光束照射到激光棒内,使得离子翻转密度达到阀值。一种被广泛使用的方法就是用脉冲氙灯做强光源。结构很简单,只要把氙灯的光投射到棒子上就可以了。
闪光灯,有几个重要的参数。我们关心的其实就两个,弧长和1800v、电解电容下的炸灯能量。一般的,闪光灯为了适应工业用途,datasheet标称的工作电压是1500v以上的一个值,只有满足这个储能电压才能达到标称的光能密度和脉冲宽窄(主峰0.5ms以下,满足打孔的需要)。
9.png

但是,对爱好者而言,最重要的参数不是光斑质量、脉冲宽度,而是一个脉冲所携带的能量。所以,把一个1800v的灯降到400V左右依然能够维持类似的适合YAG、红宝石吸收优良光谱特性(YAG在红外段有强烈吸收峰,降低能量使得闪光光谱分布偏向红外更能提高效率),脉冲宽度延续长到5ms甚至10ms量级,可以把1800v炸灯能量400J的灯安全地在2000J左右的脉冲储能下工作。降压驱动还有很多好处,获得几十倍的输出脉冲能量情况下仍然保持同样的器件要求,例如,一个YAG棒能够承受10J@1ms的功率密度,大概是10KW,如果保持同样的氙灯脉冲宽度,用10倍大能量的灯,粗略估算会造成棒子内有100KW的峰值功率,同样尺寸的YAG显然无法hold住,这就要用10倍体积的YAG了,同时造成了10倍甚至更高倍数的价格。然而,当我把同一个灯储能电压降低,使得脉冲宽度延长到10倍,能量增加十倍,同样的尺寸的灯在很低重复率的时候(EG, 100S/PULSE)可以很轻松的hold住同样的小棒子内的瞬间功率依然是10KW,但是输出能量就达到了恐怖的10倍。(↑重要)

主流的闪光灯有以下两种:
1、环形闪光灯
世界上第一个激光器用的是一种多圈环形闪光灯。效率没有直线闪光灯高但是耐受能量大得多。这种闪光灯一般难以买到,管长太大难以触发、脉冲整形网络难做、电容储能电压高,但是适合做可以承受非常大能量的闪光灯。这种闪光灯建模很难, datasheet数据很大区别,没什么普遍总结的规律。一般工作耐受能量超过2KJ。
10.jpg
2直线闪光灯。
现在绝大部分工业激光器和业余激光器都采用这种氙灯结构。泵浦效率高,水冷方便,制造工艺简单,触发容易,是大部分激光采用这种结构的原因。这些闪光灯可以在淘宝上搜索“脉冲氙灯”买到工业配件氙灯,一个典型的值是10cm弧长8mm直径的氙灯在400V储能下可以轻易hold住2200J的能量。
11.jpg


反射腔
实际上方法有很多,效率从80%到95%都有,在业余的条件下60%以上都可以接受。要知道用白纸把闪光灯和激光棒裹一圈都能达到60%。
1、椭圆镜面反射腔体(适合水冷,但是比较难加工。棒子的光分布不是特别均匀)
可以用好加工的材料做一个支架,蒙上一层镜面膜例如抛光后的铝箔纸or镀银的铜皮。或者直接用一截内部略微抛光带点漫反射的铝管压扁凑合用。除非你有很高的加工精度,或者想要达到很密的脉冲,不然不建议采用这种方式。
12.png
1.1一种椭圆腔的变式-双椭圆反射腔,可以装两个灯,同时方便的水冷,达到很好的大能量准连续输出效果,许多80年代的激光武器都是这样做的。有能力加工的同志们可以考虑一下这种形式。下图是截面结构和一篇论文里用ZEMAX软件模拟出来的棒子截面光密度,光斑质量不是太好但是能够达到很大的能量,例如40mm直径90cm长的钕玻璃棒用这种结构做到2000J脉冲输出,这需要100kJ的电容储能,每一根闪光灯分担50KJ能量,易于减小体积同时方便水冷。
13.png

2、    紧裹漫反射腔体
效率不必椭圆腔差多少,水冷的话可以用陶瓷、橡胶做,无需抛光,大大降低工艺,成为市面上90%以上工业用途所采用的方法。业余条件下一般不需要连续工作,没有必要水冷。一个比较好的方法是用铝箔纸紧裹,轻松达到90%以上的效率,如果有条件的话,铜皮镀膜银能进一步增高效率,结构一样简单。
14.jpg
一篇论文中模拟出来的结果还不错,光斑质量已经让人满意。
15.png

考虑到有些设备齐全的人会选择自己镀反射腔,给出两种常用抗腐蚀、光学性能优良的镀层材料(金、银)的反射率vs波长,请根据自己的棒子所需要的波长选择。
16.png

金从500多纳米开始反射,这就使得他不适合红宝石激光器(大部分在紫外、绿光吸收),而适合YAG激光器(紫外会抑制激光的效率)。然而银在红外范围不如金,但是差别不是太大。可以根据自己的技术能力抉择。
水冷可以参照下图的结构做两端的防水结构(参考网上的作品):
17.png

储能与触发
    对于入门级爱好者:储能部分跟线圈炮、轨道炮类似,尽量多的350-450v电解电容并联,鉴于高压电的危险性以及氙灯爆炸的破坏力,储能不要超过500焦耳,建议400v时候容量不超过7000uF, 450v不超过6000uF,350v闪光灯电容不超过8000uF。充电线路就用普通的zvs+EE变压器即可,与线圈炮不同的是,闪光灯在冷态(没有高压激发的时候)对于几百伏的直流电是近乎绝缘的,所以充电的时候电容阵可以连接在闪光灯两端,也就是说可以把电容永久的焊在闪光灯上,不需要开关、可控硅之类的东西,闪光灯本身就是一个触发开光。触发其实也很简单,在外壳上加一个瞬间的高压脉冲就可以了。如果没有了解过的同志们可以找一个一次性照相机拆开研究一下闪光灯管的触发结构。对于骨灰级爱好者,请自行斟酌你的灯能够承受多大能量的脉冲。提醒一下,处理这种量级的闪光灯务必戴好防护器具,充高压气体的玻璃管要是碎了碎片不是一般的厉害。
18.png

实际上,触发高压产生方法有很多,只要满足1、脉冲够尖(例如zvs拉弧肯定不行,不把灯管烧炸也会把电容搞坏)2、电压够高(直接拆相机几cm长度,几mm直径的闪光灯触发线路显然不够击穿10cm长度,玻璃壁厚2mm的灯管)3、容易驱动(做一大堆控制线路结果触发器比整个激光还大不划算)。在这里举几个例子:
19.png

(附件:183502)
+50  科创币    darkorochi    2013/04/25 强烈顶!!!!今天分都给你了
+29  科创币    vocal@ルカ    2013/04/25
+25  科创币    闪电侠007    2013/04/26 终于盼到教程了,嘿嘿。
+50  科创币    justinpiggy    2013/04/26 终于来了,果断顶!
+200  科创币    ehco    2013/04/26 无敌碉堡!
+50  科创币    托尼史塔克    2013/04/26 非常棒
+50  科创币    10班陈大葱22号    2013/04/26 喜闻乐见
+100  科创币    拔刀斋    2013/04/26 专业!
+1  科创币    自由的野牛    2013/04/26 真的是极高质量发帖 不但有理论 还有实际的经验  实在佩服 楼主真是难得的人才啊!
+25  科创币    的卢宝马    2013/04/26 高质量发帖
+50  科创币    tyl961115    2013/04/26
+50  科创币    nhlijiaming    2013/04/26 高质量发帖
+25  科创币    maxlongint    2013/04/27 高质量发帖
+50  科创币    delete    2013/04/27
+50  科创币    大仙    2013/04/28 强人
+200  科创币    任某人    2013/04/28 强强强
+50  科创币    badboy-fly    2013/05/03
+20  科创币    wanghailan9    2013/05/13 高能业余爱好者的先驱
+1  科创币    delete    2013/06/17 我一直想做的,终于有人发出来了
+25  科创币    0x00000000    2013/10/25 感谢分享
+25  科创币    左哥    2014/07/28 高质量发帖
+1  学术分    虎哥    2013/04/26 高质量发帖
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来自:物理高能技术 / 强激光
396
 
8
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~~空空如也
小杰谈笑无声
8年11个月前 IP:广东
770056
红宝石的好,还是CO2的好
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iamusb
8年8个月前 IP:广东
790138
看到晚了
手头曾有几个镀金反射腔,唉,没留下来
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小科学
8年7个月前 IP:江苏
792234
引用 RodTech:
补充: 由于rmb的神圣不可侵犯不能拿来打, 特找了些350mj能量(算极其小的了)打穿某国硬币、勺子的图片
  
要知道,YAG是一种效率非常高的晶体,随随便便100焦耳储能电容就能轻易打出2000mJ的能量,希望各位对YAG脉冲激光的...
一个非常成功的帖子,鄙人已经看了5次了
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FormulaX
8年7个月前 IP:澳大利亚
792292
问下大神那个储能电容用法拉电容可不可以。。。感觉法拉体积小方便做。。。还有棒子的能量极限怎么算,谢谢
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kenking2536
8年6个月前 IP:北京
793691
看来能在这里混的都是些土豪呀!!!怎么YAG激光都是非常烧软妹的!!
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yarnn
8年3个月前 IP:广西
804483
看了两三遍,刚好手里有点钱,一冲动,入手了一根镀了半透膜的棒子,然后七七八八,一大堆,全在路上了,上千大洋没有了。可怜我皮鞋还破的,考虑了两个月还没下决心是买100块的还是100以上的。
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鹰头猫
8年1个月前 IP:广西
814625
引用 觅光:
请问对于自制激光的业余爱好者来说,想自己动手做一个激光器,选择做哪种类型的比较好啊
N2激光器吧
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Pb_207
8年1个月前 IP:四川
814969
引用 RodTech:
补充: 由于rmb的神圣不可侵犯不能拿来打, 特找了些350mj能量(算极其小的了)打穿某国硬币、勺子的图片
  
要知道,YAG是一种效率非常高的晶体,随随便便100焦耳储能电容就能轻易打出2000mJ的能量,希望各位对YAG脉冲激光的...
请问一下8mm外径,125mm弧长,270mm总长的氙灯,5000uF储能,400V驱动会不会炸,谢谢。
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觅光
8年1个月前 IP:天津
815057
引用 韦某某:
N2激光器吧
谢谢
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FormulaX
7年10个月前 IP:澳大利亚
821704

一个小问题,既然氪灯在连续工作的时候效率高,可不可以用氪灯泵浦,然后加Q晶体做到窄脉冲?这样也不怕窄脉冲伤灯,也能保证峰值功率,去了Q晶体还能做CW激光

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MTL
7年10个月前 IP:北京
821727

@FormulaX 老式打标机就是这么做的,Kr灯泵浦,声光主动调q

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FormulaX
7年10个月前 IP:澳大利亚
821729

引用 tc_learner : @FormulaX 老式打标机就是这么做的,Kr灯泵浦,声光主动调q

老式打标机。。。现在不用是因为能量上不去吗?我在某宝上根本找不到弧长超过150mm的氪灯,可是弧长170mm的氙灯倒是一大堆。不过如果是用Q晶体来压脉宽的话,能量应该能保证,就是工作频率上不去

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Skunk1379
7年10个月前 IP:江苏
821786

8cm弧长氙灯,刚开始没敢试大能量,350v2000uf电容储能,15kv高压包触发。 高压包接通瞬间能打出亮蓝色的光,然后不能自己继续发光,储能电容电压也没有明显变化。 是储能电容能量不够的原因吗。

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MTL
7年10个月前 IP:北京
822284
内触发试一下@skunk1379,就是通过触发电容对触发变压器放电来产生瞬间高压击穿氙灯
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Skunk1379
7年9个月前 IP:江苏
822807
引用 tc_learner:
内触发试一下@skunk1379,就是通过触发电容对触发变压器放电来产生瞬间高压击穿氙灯
现在已经可以点亮了,效果和大号闪光灯一样。怎么延长他的发光时间?增加电容容量就行了吗?
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Skunk1379
7年9个月前 IP:江苏
822809
那外触发是什么?
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MTL
7年9个月前 IP:北京
822921
经过玻璃壁进行电容耦合放电。就是灯管缠点金属丝,在金属丝和灯管间加脉冲高压或者高频电压
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Skunk1379
7年9个月前 IP:江苏
823039
明白了。现在灯能稳定触发,但是装进去加棒子不能出光,正在调。
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Skunk1379
7年9个月前 IP:江苏
823053
灯还是跟闪光灯一样的效果。我是直接用储能电容直接接氙灯两极,我想是连续脉冲持续发光才对。还是需要加额外电路满足恒流或者恒压?
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maxiaoyan-fa
7年9个月前 IP:广东
823495
你好,我最近,关于弧长90cm的脉冲直流3.5kv的高压紫外线氙灯,,引弧老是不稳定,不知能否指导一下。
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HEGE
7年8个月前 IP:吉林
825297
从头看到尾,我就奇怪一个问题,激光的眼睛防护不难啊 随便找个千元智能机,做成VR眼镜那种密封式的戴头上 只把摄像头露出来 人只要通过屏幕观察外界就好了 万一激光不慎反射 损害的也只是摄像头 人眼根本受不到伤害啊
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虎哥
7年8个月前 修改于 7年5个月前 IP:四川
825298
引用 HEGE:
从头看到尾,我就奇怪一个问题,激光的眼睛防护不难啊 随便找个千元智能机,做成VR眼镜那种密封式的戴头上 只把摄像头露出来 人只要通过屏幕观察外界就好了 万一激光不慎反射 损害的也只是摄像头 人眼根本受……
这是一个好办法,希望楼上出详细方案,出套件。
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gmcg
6年10个月前 IP:广东
834915
简直厉害的不得了,出入门槛,只能膜拜
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Pb_207
6年8个月前 IP:四川
837999
请教一下,外触发时高压脉冲电源放电会打回储能电容里去,请问这个怎么解决呢?是直接接二极管吗?谢谢。
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YaHWeH
6年0个月前 IP:陕西
845164
好东西,学习了
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冷血
5年6个月前 IP:新疆
851323

楼主,钕玻璃还能买到吗。或是你的二手件

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goty2000
5年2个月前 IP:江苏
853914

非常认真的学习了,谢谢楼主!

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大宇宙时代
4年5个月前 IP:浙江
866248

来看看新一代光纤激光器的威力.输出功率3000W洞穿10MM铁板


6b6426d3579b91defc10293b59ce717c.mp4 点击下载


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RodTech作者
4年5个月前 IP:英国
866251
引用大宇宙时代发表于393楼的内容
来看看新一代光纤激光器的威力.输出功率3000W洞穿10MM铁板

这个距离新一代光纤激光还远着,就拿ipg举例,单柜500kw平均功率多的是,单模都能做到几十kw了,相干合路成若干兆瓦很常见。。。

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zhlmnetv587
3年8个月前 IP:四川
883715

yag跟现在的光纤激光到底啥区别?

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吴天锦
2年5个月前 IP:湖北
898304
引用zw1235发表于103楼的内容
我也已经着手开始组织材料了,[s:274]

老师您好,请问您的激光器做出了吗


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