自制大型YAG脉冲激光打钢板实践,方法+调试过程,输出激光(多图+打钢板视频)
最近又到手一台大功率激光泵浦头,搞起,做激光这个计划已经过去一个多月了,在坛里买了一台很大的大功率激光泵浦头7*155的棒子, 但是这台激光灯管坏了, 换了新灯管,但是还缺两个板接式的水冷头,打算重新设计水冷头,出图去加工回来,但苦于没有时间,一直没空,图也还没画好,所以这个要搞的话不知道要拖到什么时候了, 最近到工厂里拆了台激光焊接机,到手一台更大的激光泵浦头,陶瓷椭圆的谐振腔,灯也是好的,非常重,有20多斤重,可以直接搭起实验了,那个黄金腔体的激光头先不搞了,这个先目睹为快吧,若有不足之处,欢迎指导批评!

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实验注意事项及防护措施
Nd:YAG激光属于1064nm 不可见红外激光,非常危险

1,实验时必须佩带专业的指定激光波长的防护护目镜
2,装置不得布置在周围有易燃易爆物的地方,可配备灭火器
3,闲杂人等不得靠近,不得围观,时常有人来往的地方应设立激光及高压危险警示牌
4,电源高压危险

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Part1
1,原理
激光产生的原理和特点就不详解了,网上一搜一堆,坛友也发过一个很详细的帖子, 但是大概的提一下吧。
(1)工作物质
只有能实现粒子数反转的物质才能作为激光的工作物质。在Nd:YAG 激光器中 ,其工作物质是一根Nd:YAG——掺钕钇铝石榴石  晶体棒 ,棒的两端面严格平行且垂直于棒轴
(2)谐振腔
主要作用是使工作物质所产生的受激发射能建立稳定的振荡状态,从而实现光放大。
(3)激励能源
其作用是把工作物质中多余一半的原子从低能级激发到高能级上去,实现工作物质粒子数反转,也就是所说的泵浦啦,这里用的是光激发,陶瓷椭圆谐振腔里将光反射到YAG棒子上
,
2,激光加工的运用及特点
做一个东西出来,要有用途,没有用途做出来就没有意义了。
(1)加工范围广
几乎能加工任何金属和非金属材料,能加工高熔点材料,耐热合金,玻璃、陶瓷、宝石、金刚石、等硬脆材料以及高强度高韧性材料
(2)操作简单方便
激光加工不需要加工工具及刀具,不存在刀具损耗问题,也不需要特殊工作环境,还可以在任意透明环境中操作,如在空气中,惰性气体中、还可以透过电子管玻璃加工电子管内部
(3)适用于精密微小加工
激光聚焦后的光斑直径很小,能形成极细的光束,可以加工细微孔,激光无机械接触,工件几乎不受切削力,能加工刚度较差的零件
(4)能量密度高度集中
加工速度快,效率高,可减少热传导发散带来的热变形,对具有高热传导和高反射率的金属或合金,激光加工效率就低了,比如铜和铝,这个问题后面会验证给大家看
(5)激光不需要过分靠近难于接近的地方去进行加工,甚至可以利用光导纤维进行传导加工,这就是光纤激光器
(6)可控性好,易于实现自动化。例如激光装在机械手上进行薄壁曲面的焊接;将数控龙门式的电主轴改为激光头,就是数控激光切割床,能加工一定厚度的钣金件,加工圆孔,方孔,异形孔等;以圆柱坐标系为系统的数控激光切割能加工任意形状的管材,能将管材割出不同形状的断面。

上图

1,分析方法

YAG激光的典型结构
la1.jpg

调试原理见图
棒子和镜片尽量保持在同一中心轴线上,理论上是这样说,实际上是不可能做到的,因为误差是不可消除
YAGLASER1.jpg

误差产生的原因及出现何种现象
注:示意图采用夸张化的表达方式
YAGLASER2.jpg
YAGLASER3.jpg

若有偏差,实际上大概是这么一个情况,将光斑投影到墙上或者投影屏上,你会发现出现很多光斑
YAGLASER4.jpg
大概是这样
YAGLASER5.jpg

关于全反镜片半反镜片的参数和安装,全反镜表面是有曲率弧度的,去购买镜片时常见的有 R-1000,R-2000的全反镜片,这个参数也是全反镜片的焦点,这里以R-1000的为例,采用夸张的表达方式,光在这里不断来回反射,每次反射会经过棒子,不断地进行光放大,当光累计超过一个阈值时,由半反镜输出激光
所以,镜片安装对里激光棒的端面的距离没有严格要求,合适就行,理论上全反镜离棒子远点,激光输出发散就小点,但实际上看不出,如果R值大点,激光输出也是发散小一点的,但也不要太远了
YAGLASER6.jpg

但实际情况要复杂很多,以上分析是有很多实际因素没有考虑进去的

调试总结:
初中几何知识,自己去体会吧,就不多说了
总结一句话:两镜片端面和YAG棒端面平行,与轴线垂直,两镜片中轴线和棒子中轴线全部重合在同一直线上

2,调试
以半导体YAG激光为例,其方法都是一样的,上次DIY的75W半导体激光拆了,再重新装一遍说一下

改装的激光电源做测试, 太乱了
DSCF6052.JPG
DSCF6053.JPG

这里说一下激光调整镜架,二维和四维调整镜架是怎么回事:物体在空间中有6个自由度,分别是X、Y、Z 方向的移动和X、Y、Z 轴线上的转动, 按照自由度限制原则, 一个大平面能限制3个自由度,一个小平面能限制两个自由度, 一个点能限制1个自由度: 二维镜架只有2个旋转自由度,而四维镜架有2个旋转自由度和2个移动自由度
DSCF6054.JPG

安装红光指示器
由于指示器装不上去,直径相差太大,我又去车了个铜套回来装
DSCF6026.JPG
DSCF6027.JPG
DSCF6028.JPG
DSCF6029.JPG
DSCF6030.JPG
DSCF6031.JPG


红激光指示器,安装在4维调整镜架上, 调整的过程全靠它,它可以比喻成中轴线,理论上的中轴线是不存在的,而利用红光指示器可以让中轴线“看得见摸不着”
DSCF6055.JPG

测量好激光棒的中心高度,这个激光头的激光棒中心高度我测得是40mm
DSCF6056.JPG

测量好镜架中心高度,或者由卖你镜架的商家提供给你都行,我的镜架中心高度是30mm ,再测下给大家看, 30mm, 如果不够怎么办,自己想办法吧。。。哈哈
DSCF6057.JPG

不够当然加垫块,加够
DSCF6058.JPG

做实验,方便就行,直接胶水粘其固定
DSCF6060.JPG

点亮红光指示激光器
DSCF6061.JPG

安装泵浦头,调整镜架激光要能顺利过棒子哦,为了能看得到看得明显,我特意粘上胶带
DSCF6062.JPG

激光出来
DSCF6063.JPG

装全反镜,调试
DSCF6064.JPG

看到有两个光斑,要调, 调到光斑全部重合到一个上就OK
DSCF6065.JPG

调好后通电的效果
DSCF6067.JPG

就这点东东了
DSCF6068.JPG
DSCF6069.JPG

最后看看光斑
DSCF6070.JPG
DSCF6071.JPG

实验一下,如果全反镜靠近一些会出现什么情况
DSCF6072.JPG

再看看这时的光斑,感觉光斑是有点变大了,改变距离短了点,只是变化不太明显
DSCF6073.JPG


Part2
开始安装大型激光了,

所需器材

DSCF5955.JPG
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激光棒,φ8*165 ,的激光棒
DSCF6032.JPG
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水泵和水箱制作
DSCF5974.JPG
买了个盒子, 开孔,用铁皮做一圈,烧红一烫就可以开孔了
DSCF5973.JPG
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DSCF5970.JPG
DSCF5969.JPG

激光电源
这个我花了一天时间才修好的,又花了1天时间研究了下怎么启动
DSCF5972.JPG


然后制作激光器的架子

CAD出图
cada1.jpg
cada2.jpg
cada3.jpg
cada4.jpg
cada5.jpg

去加工,师傅没空, 自己动手加工了,就钻孔而已,把零件做回来组装
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DSCF6035.JPG
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DSCF6039.JPG

电源调试中,刚开始用小电容试,用隔离变压器充电
DSCF6038.JPG

调光
DSCF6036.JPG

调好了的样子
DSCF6037.JPG




-

[修改于 5 年前 - 2016-09-16 14:26:41]

+1  学术分    QQQQQQQ   2016-11-18   成功的DIY
来自:科创广场 / 极客DIY
 
2
adj1202 作者
5年2个月前 修改于 5年2个月前
1楼
弄了一天了,天已经黑了,继续弄,做完实验为止吧

水冷循环泵
DSCF6136.JPG

坑爹的,有多处漏水
DSCF6137.JPG

DSCF6138.JPG
DSCF6139.JPG

水冷镜架, 主要功率太高了,长时间工作,怕镜片很容易就废掉了;短时间试验,就不通水进去了,做实验不想搞得太麻烦
DSCF6140.JPG

水冷镜架的结构,剖面图
tttc.jpg
DSCF6141.JPG
DSCF6142.JPG
小电容试好后,换大电容,二倍压工作方式, 感觉好危险
为了确保安全才用隔离变压器给电容充电的,隔离变压器功率不大,因此充电时间较长,所以脉冲间隔较长, 直接充电我真的怕那电容炸了,就算电容不炸,电容刚充电是估计会跳闸而且会一直跳闸,这大电容炸了可不得了啊
DSCF6143.JPG

电压指示表
DSCF6191.JPG
DSCF6192.JPG


激光电源
DSCF6144.JPG
DSCF6145.JPG
DSCF6146.JPG
DSCF6147.JPG
DSCF6148.JPG
DSCF6149.JPG
采用单片机写了个小程序发脉冲
DSCF6150.JPG

脉冲氙灯点火OK
DSCF6154.JPG
DSCF6153.JPG


Part3

激光试验,我试了常见的不同几种材料,看看效果如何

拿了一刀片来式, 之前聚焦烧过木头,未发现镜片已经被熏黑坏了,而且焦点不太拿得准, 刀片还是能打穿,但要几个脉冲才能打穿
DSCF6152.JPG
DSCF6157.JPG
DSCF6158.JPG

烧木头的样子,最大那个坑旁边那个小坑是聚焦打了几个脉冲的,不过没打穿呢,浅色木头对1064nm激光的吸收效率其实不是很高
DSCF6161.JPG
DSCF6162.JPG
DSCF6163.JPG

后面换了好的聚焦镜,聚焦后刀片轻松打穿
DSCF6164.JPG

未聚焦激光打到钳子上,留下一个印子
DSCF6165.JPG

聚焦后一个脉冲就能打出个不浅的洞洞
DSCF6166.JPG
放大看看
DSCF6167.JPG

拿把菜刀来试试,厚1mm多点,同样轻松打穿
DSCF6168.JPG
DSCF6169.JPG
DSCF6170.JPG

试验过程中发现威力又小了,又不行了,查看发现又废了个凸透镜
DSCF6174.JPG
DSCF6175.JPG
DSCF6177.JPG



调光片不能用,激光打上去就会烧, 哪怕没聚焦照样烧
DSCF6176.JPG

试了亚克力,这个牛逼了, 激光打上去喷出的火大概有10厘米那样,响声非常大,亚克力板直接被打飞了,可惜没录视频
DSCF6182.JPG

玻璃片,载玻片,最后一个凸透镜,用来保护镜片的, 挨不到几下脉冲,就烧坏了,然后聚焦试了下,轻松打穿
DSCF6184.JPG
DSCF6186.JPG


铝,  效果不是很理想, 但这个火花是最大的,一个火花喷了大概20多厘米长
DSCF6185.JPG
DSCF6190.JPG



紫铜, 这个效果就更差了, 几个脉冲下来,只是表面出一个小坑而已
DSCF6187.JPG
DSCF6188.JPG
DSCF6189.JPG

硬盘里的那个铁,厚2mm那样, 一次性打穿
DSCF6172.JPG
DSCF6171.JPG
DSCF6173.JPG





最后是4mm多的钢板, 聚焦镜刚换上时,调好焦点,一个脉冲一次性就打穿,而且打穿的孔非常细小,好不容易拍到了那个打穿的沙眼, 但后面聚焦镜片不行了,焦点也不太对, 几个脉冲都没能打穿这块钢板
DSCF6195.JPG
DSCF6194.JPG
DSCF6193.JPG
DSCF6196.JPG
DSCF6197.JPG

激光打到东西上面的时候啪啪响的, 但如果激光不打到东西上,触发的时候几乎是静音的。

搞完实验了,整个装置又要拆掉了

视频地址

激光打刀片
XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/w_XXXXXXXXXXXXXml



激光打木头
XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/w_XXXXXXXXXXXXXml



激光打钢板
XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/w_XXXXXXXXXXXXXml
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改装pcp
5年2个月前
2楼
mmexport1473760606061.jpg
激光器还可以串联加大功率的。
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adj1202作者
5年2个月前 修改于 5年2个月前
3楼
引用 改装pcp:
mmexport1473760606061.jpg
激光器还可以串联加大功率的。
灿哥那激光器可真多啊, 在你这也买了不少激光了,现在我这也有好几个了
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jackwu
5年2个月前
4楼
加Q开关和不加效果区别是什么?
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改装pcp
5年2个月前
5楼
还有一个,你的凸透镜要专用的,要镀膜的才行。用普通的没几下就废了的。这个早就试验过了。
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adj1202作者
5年2个月前 修改于 5年2个月前
6楼
引用 改装pcp:
还有一个,你的凸透镜要专用的,要镀膜的才行。用普通的没几下就废了的。这个早就试验过了。
专门的聚焦场镜我有,扩束镜我也有,不敢用, 很贵,怕搞坏了
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smith
5年2个月前
7楼
这算是坛内比较成功的diy作品了吧
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RodTech
5年2个月前 修改于 5年2个月前
8楼
引用 adj1202:
专门的聚焦场镜我有,扩束镜我也有,不敢用, 很贵,怕搞坏了
聚焦要用镀1064nm增透膜的聚焦镜片,不要用洋垃圾,淘宝非常便宜,几十块,可以自己选焦距。

像这种
Screenshot_20160917-154722.png
Screenshot_20160917-154733.png
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RodTech
5年2个月前
9楼
聚焦不需要f-theta场镜,那是配合振镜扫描,得到平的焦平面用的,用普通双面增透镀膜的球面镜即可。
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po65718
5年2个月前
10楼
不知道你的半透鏡用的是多少透光率的!!?
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adj1202作者
5年2个月前
11楼
引用 jackwu:
加Q开关和不加效果区别是什么?
你可以这样理解, Q开关阻断和导通激光全/半反回路,调Q可以将连续激光变成脉冲激光,脉冲频率在一个范围内连续可调,可把脉冲压缩到纳秒级的高峰值输出,还可以打开和关闭激光输出。
一般用得比价多的就是声光Q开关了,其实只有把玩过Q开关才更容易理解其中的作用。
比较有趣的是,Q开关能将超声波通过激光“发射”出去,所以声光调Q激光的激光束打到一块薄钢片上时,如果频率不高的话,能听到钢片发出吱吱的振动声
个人感觉调Q输出的激光非常危险, 因此在做实验的时候务必非常小心!!!
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adj1202作者
5年2个月前
12楼
引用 smith:
这算是坛内比较成功的diy作品了吧
您过奖了,谢谢!  算不上很成功, 有成功当然也有失败的, 成功总比失败多一点,方法也总比困难多一点,也走了很多弯路啦。
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adj1202作者
5年2个月前 修改于 5年2个月前
13楼
引用 RodTech:
聚焦要用镀1064nm增透膜的聚焦镜片,不要用洋垃圾,淘宝非常便宜,几十块,可以自己选焦距。

像这种
Screenshot_20160917-154722.png
Screenshot_20160917-154733.png
好,改天买几个试试, 谢谢
但是这么防止火花溅射到镜片上或者防止烟熏到镜片上,镜片主要都是被熏雾和火花贱坏的, 我做实验时基本上镜片都是这样坏掉的,激光打到钢板上那火花爆出来10多个厘米远呢,而镜片焦点又太短,烟一熏镜片又雾了,再开激光镜片就废了,而焦点长的镜片聚焦不是很理想,焦点光斑比较大。

原来XY振镜上用的才叫场镜, 受教了,谢谢!,XY振镜出来的光束等焦点区域是一个弧面区域,而工作台是平整的,场镜是将等焦点弧面区域展平,让XY的扫描区域内打到工作台(工件)上的焦点处处相等, 也就是您说说的焦平面,对吧!
我那聚焦镜是激光切割机上用的,不是XY振镜的那种, 其实看上去就是一个放大镜,可以用做聚焦, 用在50W半导体激光上用的, 激光输出经过1064nm 4X 扩束镜,再有一个45度镜反射到聚焦镜上,才打到工作台(工件)上的,工作台是XY十字滑台, 激光器不动,工作台运动的方式
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adj1202作者
5年2个月前
14楼
引用 po65718:
不知道你的半透鏡用的是多少透光率的!!?
这个不太清楚,买的时候全反半反是配套的,估计是50%的
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RodTech
5年2个月前
15楼
引用 adj1202:
好,改天买几个试试, 谢谢
但是这么防止火花溅射到镜片上或者防止烟熏到镜片上,镜片主要都是被熏雾和火花贱坏的, 我做实验时基本上镜片都是这样坏掉的,激光打到钢板上那火花爆出来10多个厘米远呢,而镜片焦……
可以买双面ar膜的平-平镜,不过跟放大镜差不多贵。。。。这似乎没有什么好方法,建议买焦距长点的,放远点。
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amo
5年2个月前
16楼
对这个行业不了解,提一个想法:能否在镜片和工件之间的垂直方向加入一个高压空气电磁阀,启动激光前先喷射高压空气,然后发激光脉冲,此时工件溅射出来烟火都会被高压空气喷掉……
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jykio
5年2个月前
17楼
装个Q开关调好了能在空气中打通一条离子通道
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FormulaX
5年2个月前
18楼
@RodTech 版主,Cr:yag做的Q晶体怎么调节饱和阈值啊?是越厚的晶体阈值越高吗?想用Q晶体做定频脉冲,但是不知道淘宝上晶体的阈值是多少。
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XZGSW1
5年2个月前
19楼
给你一个关于保护镜头的建议,期待能早日实用化。
保护罩.jpg
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qwe
5年1个月前
20楼
引用 XZGSW1:
给你一个关于保护镜头的建议,期待能早日实用化。
保护罩.jpg
这不是工业激光焊机的出光头吗
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gmcg
5年1个月前
21楼
超强激光武器出动了,好怕怕~~~楼主威武
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adj1202作者
5年1个月前
22楼
引用 XZGSW1:
给你一个关于保护镜头的建议,期待能早日实用化。
保护罩.jpg
这是激光喷头的结构吧, 搞激光喷头估计还要弄光路,比较麻烦,不太好搞;当然, 有时间还是可以搞的
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adj1202作者
5年1个月前
23楼
引用 gmcg:
超强激光武器出动了,好怕怕~~~楼主威武
想用来搞激光切割或者焊接用, 不可用于非法用途
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苦丁茶
5年1个月前
24楼
问下你的激光电源主电容组电压多大,容量多少
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adj1202作者
5年1个月前
25楼
引用 苦丁茶:
问下你的激光电源主电容组电压多大,容量多少
见图,两个450V 6800uF 电容串联,充电到750V时, 储能大概850J
两只氙灯是φ8*150*300的规格
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苦丁茶
5年1个月前
26楼
两个灯是串联么
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adj1202作者
5年1个月前
27楼
引用 苦丁茶:
两个灯是串联么
是并联的, 点火成功后,用两路IGBT控制导通和关断
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zgchen
5年0个月前
28楼
威力不错!镜片在稳定些就实用了!
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refinder
4年11个月前
29楼
当年美苏争霸的时候也是比这个
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张静茹
4年6个月前
30楼
请楼主 型号详细介绍一下,方便爱好者仿制
全反 半反的 参数 焦距 型号,YAG的型号,氙灯的型号,IGBT的型号
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steamlab
4年5个月前
31楼
能做个激光除锈装置么?  有老板要
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adj1202作者
4年5个月前
32楼
引用 张静茹:
请楼主 型号详细介绍一下,方便爱好者仿制
全反 半反的 参数 焦距 型号,YAG的型号,氙灯的型号,IGBT的型号
400A 1200V的单管IGBT, 具体型号没去看不知道了
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adj1202作者
4年5个月前
33楼
引用 steamlab:
能做个激光除锈装置么?  有老板要
这个不能, 除锈的话应该要用调Q激光才行吧
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Pb_207
4年4个月前
34楼
请问您是用的多少多大的电压驱动氙灯的呢?储能电容是多少伏呢?
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adj1202作者
4年4个月前
35楼
引用 18111240879:
请问您是用的多少多大的电压驱动氙灯的呢?储能电容是多少伏呢?
我的是600-800V那样
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Pb_207
4年3个月前
36楼
请教您几个问题:
1,您每次调试时调试完是如何放掉电容里剩余的电的?
2,请问8*120mm的棒子大概需要多大的能量才能泵出光呢?我用的450V1000uF的电容不知够不够。
3,我这棒子镀了全反膜,加工的人说镀了全反膜安装的时候不分正反,这一点我实在想不通为什么,不知您对这方面有没有了解。
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adj1202作者
4年2个月前
37楼
引用 18111240879:
请教您几个问题:
1,您每次调试时调试完是如何放掉电容里剩余的电的?
2,请问8*120mm的棒子大概需要多大的能量才能泵出光呢?我用的450V1000uF的电容不知够不够。
3,我这棒子镀了全反膜,加工的人说镀了全反膜安装的时候不分正反,这一点我实在想不通为什么,不知您对这方面有没有了解。
1,电容上并联电阻就可以了, 快速放电用100欧 200W的功率电阻手动放电,自动放电要接触器切换就可以
2,这个没有实测过,理论上你可以问下论坛里的专家,他们提供的数据比我准确
3, 应该是镀半反膜吧, 全反膜第一次听说, 镀了半反膜的,要分正反的,并且不需要半反镜片(输出镜片)了, 但需要全反镜片, 并且镜片镀膜一端要面向激光棒端面。 若需要半反镜, 也是一样的。 具体怎么看不好文字描述。 你可以自己用放大镜看吧, 有区别的。
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Pb_207
4年1个月前
38楼
引用 adj1202:
引用 18111240879:
请教您几个问题:
1,您每次调试时调试完是如何放掉电容里剩余的电的?
2,请问8*120mm的棒子大概需要多大的能量才能泵出光呢?我用的450V1000uF的电容不知够不够。
3,我这棒子镀了全反膜,加工的人说镀了全反膜安装的时候不分正反,这一点我实在想不通为什么,不知您对这方面有没有了解。
1,电容上并联电阻就可以了, 快速放电用100欧 200W的功率电阻手动放电,自动放电要接触器切换就可以
2,这个没有实测过,理论上你可以问下论坛里的专家,他们提供的数据比我准确
3, 应该是镀半反膜吧, 全反膜第一次听说, 镀了半反膜的,要分正反的,并且不需要半反镜片(输出镜片)了, 但需要全反镜片, 并且镜片镀膜一端要面向激光棒端面。 若需要半反镜, 也是一样的。 具体怎么看不好文字描述。 你可以自己用放大镜看吧, 有区别的。
多谢楼主耐心解答,已经调出光了,就是能量还不大,只能打黑塑料。
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冷血
3年11个月前
39楼
楼主你做完实验的东西出吗?
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LoserWong
1年10个月前 修改于 1年10个月前
40楼

上面打钢板加了Q开关吗?还是靠电容脉冲泵浦,打穿的呢?

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adj1202作者
1年7个月前
41楼
引用LoserWong发表于40楼的内容
上面打钢板加了Q开关吗?还是靠电容脉冲泵浦,打穿的呢?

没加Q开关,就是电容脉冲泵浦打穿的

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