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)

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adj12021 年前 -2016-09-16 12:11825685 0阶
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
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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
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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
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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
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大概是这样
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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
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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
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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
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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
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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”
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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
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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
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不够当然加垫块,加够
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做实验,方便就行,直接胶水粘其固定
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点亮红光指示激光器
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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
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激光出来
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装全反镜,调试
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看到有两个光斑,要调, 调到光斑全部重合到一个上就OK
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调好后通电的效果
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就这点东东了
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最后看看光斑
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实验一下,如果全反镜靠近一些会出现什么情况
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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
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Part2
开始安装大型激光了,

所需器材

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激光棒,φ8*165 ,的激光棒
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水泵和水箱制作
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买了个盒子, 开孔,用铁皮做一圈,烧红一烫就可以开孔了
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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
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然后制作激光器的架子

CAD出图
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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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电源调试中,刚开始用小电容试,用隔离变压器充电
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调光
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调好了的样子
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[修改于 1 年前 - 2016-09-16 14:26:41]

+1  学术分   QQQQQQQ   2016-11-18   成功的DIY

adj12021 年前 -2016-09-16 12:26825688 1阶
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
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坑爹的,有多处漏水
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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
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水冷镜架的结构,剖面图
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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
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电压指示表
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激光电源
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采用单片机写了个小程序发脉冲
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脉冲氙灯点火OK
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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
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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
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后面换了好的聚焦镜,聚焦后刀片轻松打穿
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未聚焦激光打到钳子上,留下一个印子
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聚焦后一个脉冲就能打出个不浅的洞洞
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放大看看
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拿把菜刀来试试,厚1mm多点,同样轻松打穿
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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
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调光片不能用,激光打上去就会烧, 哪怕没聚焦照样烧
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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
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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
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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
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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
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硬盘里的那个铁,厚2mm那样, 一次性打穿
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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
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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
http://www.iqiyi.com/w_19rst7ni99.html



激光打木头
http://www.iqiyi.com/w_19rst7ru2l.html



激光打钢板
http://www.iqiyi.com/w_19rst7rn7p.html

[修改于 1 年前 - 2016-09-16 14:33:09]


改装pcp1 年前 -2016-09-16 13:50825692 2阶
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激光器还可以串联加大功率的。

adj12021 年前 -2016-09-16 14:13825693 3阶
引用 改装pcp:
269824

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

[修改于 1 年前 - 2016-09-16 14:34:24]


jackwu1 年前 -2016-09-16 14:44825698 4阶
加Q开关和不加效果区别是什么?

改装pcp1 年前 -2016-09-16 14:55825699 5阶
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。

adj12021 年前 -2016-09-16 19:38825710 6阶
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

[修改于 1 年前 - 2016-09-16 19:39:43]


smith1 年前 -2016-09-17 14:36825749 7阶
这算是坛内比较成功的diy作品了吧

RodTech1 年前 -2016-09-17 15:46825754 8阶
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
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[修改于 1 年前 - 2016-09-17 15:48:07]


RodTech1 年前 -2016-09-17 15:49825755 9阶
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。

po657181 年前 -2016-09-18 11:59825812 10阶
不知道你的半透鏡用的是多少透光率的!!?

adj12021 年前 -2016-09-18 20:58825821 11阶
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!!!

adj12021 年前 -2016-09-18 21:01825822 12阶
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。

adj12021 年前 -2016-09-18 21:09825823 13阶
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
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269862
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

[修改于 1 年前 - 2016-09-18 21:17:20]


adj12021 年前 -2016-09-18 21:19825826 14阶
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

RodTech1 年前 -2016-09-19 01:34825834 15阶
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。

amo1 年前 -2016-09-19 15:02825849 16阶
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……

jykio1 年前 -2016-09-19 15:07825851 17阶
装个Q开关调好了能在空气中打通一条离子通道

FormulaX1 年前 -2016-09-19 15:57825855 18阶
@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。

XZGSW11 年前 -2016-09-21 13:30825900 19阶
给你一个关于保护镜头的建议,期待能早日实用化。
269905

qwe1 年前 -2016-09-21 21:50825910 20阶
引用 XZGSW1:
给你一个关于保护镜头的建议,期待能早日实用化。
269905
这不是工业激光焊机的出光头吗

gmcg1 年前 -2016-09-22 14:28825929 21阶
超强激光武器出动了,好怕怕~~~楼主威武

adj12021 年前 -2016-09-22 19:00825944 22阶
引用 XZGSW1:
给你一个关于保护镜头的建议,期待能早日实用化。
269905
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

adj12021 年前 -2016-09-22 19:01825945 23阶
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

苦丁茶1 年前 -2016-09-25 09:30826040 24阶
问下你的激光电源主电容组电压多大,容量多少

adj12021 年前 -2016-09-25 10:02826041 25阶
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

苦丁茶1 年前 -2016-09-25 18:41826052 26阶
两个灯是串联么

adj12021 年前 -2016-09-25 21:08826055 27阶
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

zgchen1 年前 -2016-11-13 00:28827623 28阶
威力不错!镜片在稳定些就实用了!

refinder1 年前 -2016-11-27 22:43827966 29阶
当年美苏争霸的时候也是比这个

张静茹6 个月前 -2017-05-15 18:59833932 30阶
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

steamlab6 个月前 -2017-06-03 06:50834498 31阶
能做个激光除锈装置么?  有老板要

adj12025 个月前 -2017-06-18 17:28835026 32阶
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

adj12025 个月前 -2017-06-18 17:29835027 33阶
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

181112408795 个月前 -2017-06-19 11:57835053 34阶
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?

adj12025 个月前 -2017-06-19 13:18835055 35阶
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

181112408793 个月前 -2017-08-13 22:04838144 36阶
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。

adj12022 个月前 -2017-09-10 11:52839419 37阶
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。

181112408792 个月前 -2017-09-16 22:36839557 38阶
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。

冷血7 天前 -2017-11-16 02:10840810 39阶
楼主你做完实验的东西出吗?

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