CN100483868C - 谐波脉冲激光装置以及产生谐波脉冲激光光束的方法 - Google Patents

Abstract

一种KTP晶体由长脉冲基波脉冲激光光束进行照射，该基波脉冲激光光束具有100μs或者更高的脉冲宽度，并且通常从固态脉冲激光器如YAG脉冲激光器中输出。在该KTP晶体中，执行波长转换以产生具有两倍高频率的二次谐波脉冲激光光束，其中长脉冲二次谐波脉冲激光光束又被输出以用于激光处理如焊接等。

Description

谐波脉冲激光装置以及产生谐波脉冲激光光束的方法

技术领域

本发明一般地涉及一种从基本波长激光光束向谐波光束进行的波长转换技术，并且更具体地涉及一种用于产生适合于激光处理如焊接的长脉冲谐波脉冲激光光束的方法和装置。

背景技术

近来，激光使用在制造，尤其是焊接，切割以及表面精加工领域中。事实上，激光焊接技术越来越变得重要，这是因为可实现高精度和高速度加工；工件更少受到热变形的影响；并且可以实现先进的自动化。目前，固体激光器最经常使用于激光焊接，并且是产生波长约为1μm光束的YAG激光器。YAG激光器包括掺有稀土活性离子(如Nd³⁺，Yb³⁺等)的YAG(Y₃Al₅O₁₂)晶体，并且Nd：YAG激光器的基波波长为1064nm。YAG激光器可以连续振荡并且具有Q开关的大脉冲振荡可实现且能产生具有大于100μs(通常为2到3ms)的脉冲宽度的长脉冲激光光束。

顺便提及，在激光焊接中，焊接材料和激光光束之间的光耦合是很重要的。没有好的光耦合，由于反射率变高并且激光能量的吸收效率变低，因此难于得到好的焊接连接。关于这点，具有基波波长(如，1064nm)的YAG激光光束对铜、金、铝等具有差的光耦合。对于这些金属，公知的是二次谐波(532nm)YAG激光器具有更高的光耦合。在专利文献1中，该申请披露出一种不同波长叠加的激光焊接方法，其用第一YAG激光器产生基波波长(1064nm)YAG脉冲激光光束，并且用第二YAG激光器产生二次谐波(532nm)Q开关YAG激光光束，以便将基波YAG脉冲激光光束和二次谐波Q开关YAG激光光束叠加并且照射在所焊接的材料上。根据该不同波长叠加激光焊接方法，对于如铜、金、铝等的焊接材料，激光能量的吸收率可增加以得到好的焊接连接(例如，见日本专利申请公开No.2002-28795)。

然而，在上述的不同波长叠加激光焊接方法中，由于需要两(2)个YAG激光系统，因此存在的问题是激光装置更大并且调节和维护变得复杂。

发明内容

考虑到现有技术的上述问题，构思本发明，因此本发明的目的在于提供一种谐波脉冲激光装置以及一种谐波脉冲激光产生方法，该装置和方法从一(1)个固态激光器中产生长脉冲谐波脉冲激光光束。

本发明的另一目的是提供一种谐波脉冲激光装置以及一种谐波脉冲激光产生方法，该装置和方法稳定地产生具有高波长转换效率的高功率长脉冲谐波脉冲激光光束。

首先，给出发明者怎样实现本发明的描述。

入射(照射)高强度激光光束到非线性光学晶体上，由于光的非线性效应会产生具有比入射光高两到三倍频率的光，如谐波光。这些非线性光晶体也称作波长转换晶体，并且如表1所示，已知各种波长转换晶体。

表1

为了向这种波长转换晶体提供高强度激光光束，传统上使用一种Q开关分案。根据该Q开关分案，在充分激励激光活性介质而使得能级的总体转换尽可能相同高之后，通过导通Q开关并且使得谐振器的Q值非常高，瞬时大振荡发生在谐振器中，并且可得到具有窄脉冲宽度和高峰值功率的激光输出。由Q开关型激光装置产生的Q开光激光称作巨脉冲。

通常，当将使用波长转换晶体的波长转换产生的高功率激光光束(例如，具有两倍入射波或者基波频率的二次谐波激光光束)用于进行加工等时，最重要的特性值是激光损坏阈值。即使确定转换效率的非线性光学常数高，但当损坏阈值低时，激光光束将变得不切实际。这是因为，当具有峰值能量强度(通常在GW/cm²单位上)的激光光束高于损坏阈值时，在波长转换晶体中产生损坏(大多数为破裂)，波长转换晶体不再能够使用。

传统上，LBO(LiB₃O₅)是最经常用来将由Q开关型激光产生的高功率大脉冲波长转换到二次谐波(SHG：二次谐波产生)的波长转换晶体，并且其损坏阈值(18.9GW/cm²)是足够高的。另一方面，尽管KTP(KTiOPO₄)晶体也已知为这种类型的波长转换晶体，但KTP晶体的损坏阈值(4.6GW/cm²)比LBO的小四(4)倍，这是相当低的。如表2所示。

表2

 

项目	LBO	KTP
			晶体结构	正方晶系	斜方晶系
损坏阈值	18.9GW/cm<sup>2</sup>	4.6GW/cm<sup>2</sup>
			导热系数	3.5W/mK	13W/mK
吸收系数	(0.1％/cm @ 1064nm(0.3％/cm @ 532nm	(0.05％/cm @ 1064nm(1％/cm @ 532nm
			热膨胀系数	α<sub>x</sub>＝108×10<sup>-6</sup>/Kα<sub>y</sub>＝-88×10<sup>-6</sup>/Kα<sub>z</sub>＝34×10<sup>-6</sup>/K	α<sub>1</sub>＝8.7×10<sup>-6</sup>/Kα<sub>2</sub>＝10.5×10<sup>-6</sup>/Kα<sub>z</sub>＝-0.2×10<sup>-6</sup>/K

在这种意义上，LBO是上述专利文献1(日本专利申请公开No.2002-28795)描述的Q开关YAG激光器作为波长转换器的优选材料。与之相反，KTP晶体作为波长转换晶体是不合适的，除非基波大脉冲的峰值能量(峰值能量密度)等于或小于特定程度，即，等于或小于KTP晶体的损坏阈值。换句话说，通过使基波大脉冲的峰值能量密度等于或小于KTP晶体的损坏阈值，二次谐波激光光束可从KTP晶体中产生，而不会给KTP晶体造成例如灰色轨迹(也称作暗色化，一种使得晶体变黑的现象)的损坏。然而，这种情况下的二次谐波激光光束具有低的激光功率，并且具有的局限性在于激光光束不能支配足够的取决于处理目标的加工能力。

根据上述几点，为了研究和开发本发明的谐波脉冲激光装置，对于具有相对高损坏阈值的高功率波长转换晶体的LBO晶体，SHG(二次谐波)产生试验通过照射由YAG脉冲激光器产生的具有相对长脉冲宽度的长脉冲(100μs或者更长，典型为1到3ms)激光光束而实现，其具有的基波长度为1064nm。

不幸的是，LBO晶体受破裂的影响并且使得不可使用。尽管理由不完全清楚，但是相信尽管损坏阈值条件是清楚的，但由于LBO晶体具有热膨胀/收缩的特性，因此产生破裂。更具体的是，由于LBO晶体的热膨胀系数具有很强的各向异性，在x轴方向上具有a_x＝108×10^-6/K的值得考虑的膨胀率，而在y轴方向上具有a_y＝-88×10^-6/K，因此估计通过照射或者输入100μs或者更长的、通常为1到3ms的长脉冲激光光束在LBO晶体内部局部产生相当程度的热应力，并且结果是形成破裂。

与其他几个实验一起，对于具有相对低损坏阈值的低功率波长转换晶体KTP晶体，SHG(二次谐波)发生实验通过照射由YAG脉冲激光器产生的具有相对长脉冲宽度的长脉冲(100μs或者更长，典型地为1到3ms)激光光束而实现，该激光光束具有1064nm的基波波长。

令人惊讶的是，灰色轨迹不在KTP晶体中产生并且可产生二次谐波(波长532nm)脉冲激光光束而不形成破裂。尽管理由并不清楚，可以相信如下：长脉冲基波YAG脉冲激光光束典型地具有每个脉冲几焦耳数量级的能量，这是相当小的；然而，其峰值或者峰值能量(典型地为几KW)明显低于大脉冲的，并且其能量密度不超过基于Q开关或者大脉冲(4.6GW/cm²)的KTP晶体的损坏阈值。另一方面，基波YAG脉冲激光对于在KTP晶体上发生所需要的非线性光学效应具有足够的激光功率。此外，相信即使提供长脉冲基波YAG脉冲激光光束，由于其低的热膨胀率有问题的热应力不产生并且在KTP晶体中不形成破裂。

基于上述认知构想出了本发明。即，本发明产生谐波脉冲激光光束的方法包括步骤：激励固态激光器的活性介质以产生具有基波频率的基波脉冲激光光束，该基波频率具有100μs或者更长的脉冲宽度；以及施加基波脉冲激光光束到KTP(KTiOPO₄)晶体上以产生二次谐波脉冲激光光束，该二次谐波脉冲激光光束具有基波脉冲激光光束两(2)倍的频率。

本发明的谐波脉冲激光装置包括，作为基本结构的固体激光器，产生具有基波频率的基波脉冲激光光束，该基波频率具有100μs或者更长的脉冲宽度；以及KTP(KTiOPO₄)晶体，基波脉冲激光光束入射到其上以便产生二次谐波脉冲激光光束，该二次谐波脉冲激光光束具有基波脉冲激光光束两(2)倍的频率。

根据本发明的一个优选方面，活性介质从包括Nd：YAG，Nd：YLF，Nd：YVO₄以及Yb：YAG的组中进行选择，并且由激励单元进行激励或者泵送(pumped)。

作为本发明的一个优选方面，可以将仅仅允许光线在一个极化方向上通过的极化元件设置在基波脉冲激光光束的光径上，使得极化方向相对KTP晶体的光轴形成45度的角度，而为KTP晶体入射由该极化元件线性极化的基波脉冲激光光束。根据上述结构，由于非线性光学效应受两种(2)等强度基波光成分影响，该两种等强度基波成分在KTP晶体的坐标系上显然正交，因此高效率类型II(high-efficiency type II)波长转换可以进行，并且可产生稳定且高功率长脉冲的二次谐波激光光束。KTP晶体优选切割成类型II相位(type II phase)匹配结构。

根据本发明优选方面的谐波激光装置包括：光谐振器，该光谐振器具有相互光学相对设置的第一和第二端镜；设置在光谐振器光径上的活性介质；激励单元，泵送活性介质以产生具有基波频率的基波脉冲激光光束，该基波频率具有100μs或者更长的脉冲宽度；KTP晶体，设置在光谐振器的光径上，以产生二次谐波脉冲激光光束，该二次谐波脉冲激光光束具有基波脉冲激光光束二(2)倍的频率；以及设置在光谐振器光径上的谐波分离输出镜，其中谐波分离输出镜将基波脉冲激光光束保持在光谐振器的光径上并且将二次谐波脉冲激光光束提供到光谐振器光径的外部。

优选的是，在谐波脉冲激光装置中，将活性介质设置在第一端镜附近并且将KTP晶体设置在第二端镜附近，第一端镜向活性介质反射基波脉冲激光光束，而第二端镜朝向KTP晶体发射基波脉冲激光光束和二次谐波脉冲激光光束。

作为一个优选的方面，活性介质和KTP晶体可相互设置在同一直线上。

作为另一个优选的方面，可将谐波分离输出镜相对活性介质和KTP之间的光谐振器的光径倾斜设置，该谐振分离输出镜允许基波脉冲激光光束传输通过其中并且朝向预定方向反射二次谐波脉冲激光光束。

根据另一个优选的方面，第一端镜、第二端镜以及谐波分离输出镜设置成三角形；活性介质设置在第二端镜和谐波分离输出镜之间；KTP晶体设置在第一端镜和谐波分离输出镜之间；并且谐波分离输出镜构造成反射基波脉冲激光光束并且二次谐波脉冲激光光束通过其中传输。

根据本发明另一个优选方面的一种谐波脉冲激光装置具有：光谐振器，该光谐振器具有相互光学相对设置的端镜和谐波分离输出镜；设置在光谐振器光径上的端镜附近的活性介质；激励单元，用于光学泵送活性介质，以便产生具有基波频率的基波脉冲激光光束，该基波频率具有100μs或者更长的脉冲宽度；以及KTP晶体，设置在光谐振器光径上的谐波分离输出镜附近，以便产生二次谐波脉冲激光光束，该二次谐波脉冲激光光束具有基波脉冲激光光束二(2)倍的频率，其中谐波分离输出镜将基波脉冲激光光束保持在光谐振器的光径上并且将二次谐波脉冲激光光束输出到光谐振器光径的外部。

作为优选的方面，在上述谐波脉冲激光装置的结构中，可提供谐波镜，其允许基波脉冲激光通过其中传输并且反射二次谐波脉冲激光光束。

另外，按照一个优选的方面，激励单元具有：激励光发生单元，产生用于光学泵送活性介质的激励光；激光电源单元，提供使激励光发生单元产生激励光的电功率；以及控制单元，用于控制从激光电源单元提供给激励光发生单元的电功率。激励光发生单元可为激励灯或者激光二极管。

同样，根据一个优选的方面，该激光电源单元具有输出直流的直流电源单元以及连接在直流电源单元和激励光发生单元之间的开关元件，并且通过使开关元件在于基波脉冲激光光束的脉冲宽度对应的期间执行高频开关操作而提供给激励光发生单元脉冲电功率。

另外，根据一个优选方面，控制单元产生使开关元件执行开关操作的控制信号，优选在脉冲宽度控制分案中，并且将控制信号提供给激光电源单元。

另外，根据一个优选方面，控制单元具有测量二次谐波脉冲激光光束的激光输出功率的谐波激光输出功率测量单元，并且通过反馈从谐波激光输出功率测量单元得到的激光输出功率测量值产生控制信号。

另外，根据一个优选方面，控制单元具有上限设定单元，用于设定从激光电源单元提供给激励光发生单元的电功率、电流和电压所组成的组中选择的某个参数的期望上限；用于测量参数的参数测量单元；以及第一比较单元，用于将从参数测量单元得到的参数测量值与上限值进行比较。并且控制单元依据第一比较单元的比较结果控制从激光电源单元提供给激励光发生单元的电功率。

另外，根据一个优选方面，控制单元具有用于测量基波脉冲激光光束的激光输出功率的基波激光输出功率测量单元，并且通过反馈从基波激光输出功率测量单元得到的激光输出功率测量值产生控制信号。

根据一个优选方面，控制单元包括极限值设定单元，设定二次谐波脉冲激光光束的激光功率的期望上限和期望下限中的至少一个作为极限值；谐波激光功率测量单元，测量二次谐波脉冲激光光束的激光功率；以及第二比较单元，用于将从谐波激光功率测量单元得到的激光功率测量值与该极限值进行比较，其中控制单元基于第二比较单元的比较结果，控制从激光电源单元提供给激励光发生单元的电功率。

根据一个优选方面，控制单元包括参考值设定单元，设定二次谐波脉冲激光光束的激光功率的期望参考值；谐波激光功率测量单元，测量二次谐波脉冲激光光束的激光功率；激光功率平均值计算单元，找出从谐波激光功率测量单元中得到的激光功率测量值的时间平均值；以及偏移值计算单元，找出从激光功率平均值计算单元中得到的激光功率平均值和参考值之间的差作为偏移值，其中控制单元依据该偏移值校正控制信号。

根据一个优选方面，工件由二次谐波激光光束进行焊接。在其他实施例中，可用本发明的谐波脉冲激光装置产生的二次谐波激光光束在工件中产生热，以实现工件材料性质的改变，形成工件或者从工件中去掉材料。

根据本发明，由于上述结构和效果，长脉冲谐波激光光束可从一(1)种固体激光器中产生。另外，高功率长脉冲谐波激光光束可稳定得到，同时具有高波长转换效率。

附图说明

本发明的上述和其他目的、方面、特点以及优点将结合附图从下面的详细描述中更加清楚，其中：

图1示出本发明的波长转换方法的一个实施例；

图2示出本发明的波长转换方法的另一实施例；

图3示出根据本发明一个实施例的谐波脉冲激光装置的主要部分的配置；

图4示出根据本发明另一实施例的谐波脉冲激光装置的主要部分的配置；

图5示出根据本发明又一实施例的谐波脉冲激光装置的主要部分的配置；

图6示出根据本发明一个实施例的激光焊接装置的配置；

图7示出根据本方明另一实施例的激光焊接装置的配置；以及

图8示出根据本发明又一实施例的激光焊接装置的配置。

具体实施方式

现在参考附图描述本发明的优选实施例。

图1示出本发明的波长转换方法的一个实施例。该方法采用在II型相匹配角上切割的KTP晶体10并且用II型相匹配实现从基波到二次谐波的波长转换。更具体的是，对KTP晶体10以椭圆极化(优选为圆极化)或者随机极化的形式由基波脉冲激光光束(如，1064nm)进行入射，该基波脉冲激光光束是由固态脉冲激光器例如YAG脉冲激光器(未示出)产生的100μm或者更长脉冲宽度(此后，称作“长脉冲”)的脉冲。然后，从入射光中仅将基波光的垂直极化光成分和水平极化光成分作为线性极化光传输到KTP晶体10中。KTP晶体10与基波光耦合并且产生长脉冲二次谐波脉冲激光光束SHG(532nm)，由于非线性光学效应，该长脉冲二次谐波脉冲激光光束SHG在与基波光的垂直极化光成分相同的方向上进行线性极化。

在图1的波长转换方法中，如果基波脉冲激光光束的极化分布具有偏斜或者各向异性，那么波长转换效率会降低并且二次谐波激光光束SHG的激光功率会降低或者波动。

图2示出本发明的波长转换方法的另一实施例。在该波长转换方法中，将仅在一个极化方向上允许光通过的极化元件12这样放置，使得极化方向相对KTP晶体10的光轴形成45度的角度，并且KTP晶体10由极化元件12线性极化的长脉冲基波脉冲激光光束进行入射。作为极化元件12，例如可使用极化器或者Brewster板。KTP晶体10可在II型相匹配的角度上进行切割。根据设置成极化元件12的极化方向相对KTP晶体10的光轴形成45度的角度的配置，由于非线性光学效应受两(2)种等强度基波光成分的影响，该两种等强度基波光成分在KTP晶体10的坐标系上明显为正交，因此可以进行高效率II型波长转换并且可产生稳定且高功率长脉冲的二次谐波脉冲激光光束。

然后，参考图3到图5，描述用于本发明实施例中的谐波脉冲激光装置的基本配置(特别是，谐振器配置)。

第一实施例

图3示出了根据一个实施例的谐波脉冲激光装置的主要部分的配置。该装置具有折叠的或者三角形形式的光谐振器。更特别的是，将三(3)个镜20，22，24设置成三角形；固态激光器活性介质，例如Nd：YAG杆26设置在中间镜22和一个端镜20之间的光径上；并且KTP晶体10处在中间镜22和另一个端镜24之间的光径上。两个端镜20和24均为相对基波波长(如，1064nm)具有高反射率的光谐振器镜，并且通过中间镜22互相光学相对设置。中间镜22是谐波分离输出镜，用于将二次谐波脉冲激光光束输出到谐振器外部。

活性介质26由电光激励单元30进行光学泵送。电光激励单元30具有激励光源(如激励灯或者激光二极管)，用于向活性介质26产生激励光，并且通过照明和驱动具有长脉冲激励电流的激励光源，活性介质26在长脉冲期间连续泵送。

从一个端镜20反射的基波波长光束被传输通过活性介质26并且入射谐波分离输出镜22。谐波分离输出镜22的主表面22a用相对1064nm具有高反射率的薄膜覆盖，基波波长光束由该反射薄膜反射、通过KTP晶体10传输并且入射另一个端镜24。然后，从另一个端镜24反射的基波光束通过KTP晶体10传输，入射谐波分离输出镜22，再次被反射并且返回到活性介质26，传输通过活性介质26并且入射一个端镜20。以这种方式，由活性介质26产生的基波波长光束在两个端镜(光谐振器镜)22和24之间通过谐波分离输出镜22被限定和放大。

KTP晶体10与由光谐振器激励的基波模式光耦合，并且由于与长脉冲基波波长的非线性交互作用而产生长脉冲二次谐波脉冲激光光束SHG。谐波分离输出镜22的主表面22a用不反射532nm的薄膜覆盖，并且当谐波分离输出镜22由来自KTP晶体10的二次谐波光束SHG入射时，光束通过镜22传输并且输出到谐振器外部。同样，端镜24的主表面24a用相对532nm具有反射率的薄膜覆盖，并且来自KTP晶体10的二次谐波光束SHG由端镜24进行反射。然后，由端镜24反射的二次谐波光束SHG通过谐波分离输出镜22传输以输出到外部。根据该实施例执行的实验结果如下。

脉冲激光功率：10.3W @ 10KHz

稳定性：±0.25％rms

        1.74％pp

响应：2.5秒

以这种方式，对于激光功率、稳定性以及响应的每个均得到实际足够的结果。然而，由于谐振器具有三角形或者L型配置，所以其特性是占地面积大。

第二实施例

图4示出了根据另一实施例的谐波脉冲激光装置的主要部分的配置。在该装置中，端镜20，谐波分离输出镜22，活性介质26以及KTP晶体10设置在同一直线上。更具体的是，活性介质26设置在端镜20附近，并且KTP晶体10设置在谐波分离输出镜22附近。端镜20的主表面20a用相对基波(1064nm)具有高反射率的薄膜覆盖。谐波分离输出镜22的主表面22a用相对基波(1064nm)具有高反射率的薄膜以及不反射二次谐波(532nm)的薄膜覆盖。在KTP晶体10和活性介质26之间，谐波镜32面对谐波分离输出镜22设置，并且谐波镜32的主表面32a用不反射基波(1064nm)的薄膜以及相对二次谐波(532nm)具有高反射率的薄膜覆盖。

在该装置配置中，由活性介质26产生的基波光束在端镜20和谐波分离输出镜22之间被限定和放大。以这种方式，谐波分离输出镜22也用作光谐振器镜。KTP晶体10与由该光谐振器激励的基波模式光耦合，并且由于与长脉冲基波波长的非线性交互作用而产生长脉冲二次谐波脉冲激光光束SHG。当来自KTP晶体10的二次谐波光束SHG入射谐波分离输出镜22时，二次谐波光束SHG通过镜22传输并且输出到谐振器外部。由谐波镜32反射的二次谐波光束SHG返回到KTP晶体10，通过KTP晶体10传输，还通过谐波分离输出镜22传输并且输出到谐振器外部。该装置配置具有的优点是占地面积可以更小。根据该实施例执行的实验结果如下。

脉冲激光功率：10.3W @ 10KHz

稳定性：±0.63％rms

        2.53％pp

响应：在95％的上升时间为11.5秒

以这种方式，尽管激光功率足够，但作为一个特性是稳定性和响应低。

第三实施例

图5示出了根据另一实施例的谐波脉冲激光装置的主要部分的配置。在该装置中，端镜20和24，谐波分离输出镜22，活性介质26以及KTP晶体10设置在同一直线上。更特别的是，活性介质26设置在端镜20附近；KTP晶体10设置在端镜24附近；并且谐波分离输出镜22设置在KTP晶体10和活性介质26之间。然而，谐波分离输出镜22这样设置使得相对谐振器的光轴形成倾斜角，如45度。谐波分离输出镜22的主表面，即，KTP晶体侧面的表面22a用不反射基波波长(1064nm)的薄膜以及相对二次谐波(532nm)具有反射率的薄膜进行覆盖。

在该装置配置中，由活性介质26产生的基波波长光束在端镜20和24之间被限定和放大。KTP晶体10与由该光谐振器激励的基波模式光耦合，并且由于与长脉冲基波波长的非线性交互作用而产生长脉冲二次谐波脉冲激光光束SHG。当KTP晶体10的二次谐波光束SHG入射到谐波分离输出镜22时，二次谐波光束SHG在倾斜方向(相对谐振器光轴的正交方向)上被反射并且输出到谐振器外部。由端镜24反射的二次谐波光束SHG返回到KTP晶体10上，通过KTP晶体10传输，由谐波分离输出镜22进行反射并且输出到谐振器外部。该装置配置还具有的优点是占地面积小。根据该实施例执行的实验结果如下。

脉冲激光功率：10.2W @ 10KHz

稳定性：±0.29％rms

        2.07％pp

响应：在95％的上升时间为3.5秒

以这种方式，激光功率、稳定性以及响应中的每个都良好。换句话说，占地面积与图4的装置结构一样小并且激光功率、稳定性以及响应相对图3的装置结构均具有可比性。

在图3到图5的装置配置中，如果应用图2的波长转换方法，那么极化元件12可设置在谐振器内光径上的正确位置，如在活性介质26和KTP10晶体之间。

然后，参考图6到图8，对于包括本发明的脉冲激光装置的激光焊接装置描述实施例。

第四实施例

图6示出了根据本发明的实施例的激光焊接装置的配置。该激光焊接装置具有激光振荡器40，该激光振荡器40包括：本发明的谐波脉冲激光装置(图5的实施例)的谐振器；激光电源单元44，提供电功率(或者激励电流)给设置在激光振荡器40内的电光激励单元30的激励光源42；以及控制单元46，用于控制从激光电源44提供给激励光源42的电功率。尽管工件W可为任何金属，但当材料W为铜、金或者铝时尤其可得到巨大的好处。

在激光振荡器40中，由谐波分离输出镜22输出到谐振器外部的长脉冲二次谐波脉冲激光光束SHG通过未示出的光系统(如，光纤、会聚透镜等)在其光轴由弯曲镜48进行弯曲后照射到工件W上。在弯曲镜48后面，设置感光元件或者相片传感器用于接收泄漏到弯曲镜48后部的谐波光，以便测量二次谐波脉冲激光光束SHG的激光输出功率。测量电路52基于相片传感器50的输出信号产生代表二次谐波脉冲激光光束SHG的激光脉冲测量值的电信号(激光输出功率测量信号)。激光输出功率测量信号被发送到此后描述的控制单元46的比较单元56上。该测量电路52可设置在任何位置，当然，可设置在激光振荡器40的外部。

作为激光电源单元44，可使用任意电源，只要可得到激励光源的脉冲光。然而，优选的激光电源单元44可任意控制脉冲波形。例如，激光电源单元44的配置可包括从具有商业频率的交流电流中产生直流电流的直流电源单元，其在直流电源单元和激励光源42之间连接开关元件，并且其使开关元件根据控制单元46的控制信号执行高频开关操作。

控制单元46包括设定单元54、比较单元56和控制信号发生单元58，以便执行二次谐波脉冲激光光束的功率反馈控制。设定单元54依据给定的激光加工条件设定长脉冲反馈控制的各种条件值、参考值等。比较单元56将测量电路52的激光功率测量值信号与来自设定单元54的参考脉冲波形设定值进行比较以输出表示比较误差的误差信号。控制信号发生单元58基于比较单元56的比较误差，产生如脉冲宽度调制(PWM)方法中的控制信号，并且用所产生的控制信号实现激光电源单元44内的开关元件的开关控制。

在该实施例中，如果随着时间的过去而退化，则在激光振荡器40中将可能发生光未对准或情况类似，工件W可由长脉冲二次谐波激光光束进行照射，该长脉冲二次谐波激光光束具有已经设定为执行好的焊接处理的激光功率。

然而，当KTP晶体10的方向(角度)变成未对准时，即使基波脉冲激光光束的激光功率正常，二次谐波脉冲激光光束SHG的激光功率将波动或者减小。在这种情况下，如果SHG功率反馈工作得太强烈，那么基波脉冲激光光束的激光功率将过量增长并且KTP晶体10会被破坏。

在该实施例中，提供输入电功率监视机构60用于避免这些破坏性意外。该监视机构60例如由传感器62以及测量从激光电源单元44提供给激励光源的电功率的测量电路64，用于设定输入电功率上限的上限设定单元66以及比较单元68组成。比较单元68将从测量电路64得到的输入电功率测量值与上限设定单元66的输入电功率上限值进行比较，并且输出表示两值的主次关系(或者误差)的比较结果。当输入电功率测量值超过或者可能超过上限时，可响应比较单元68的输出由设定单元54的软件限制器或者激光电源单元44的硬件限制器对SHG功率反馈控制进行限制。因为采用该输入电功率监视机构60的这些输入电功率限制器功能，可防止由SHG反馈控制导致的KTP晶体10的不希望的损坏。代替输入电功率，可使用监视提供给激励光源42的激励电流或者电压的配置。

第五实施例

图7示出了根据本发明另一实施例的激光焊接装置的配置。在该图中，相同的标记加到与图6的激光焊接装置基本相同的结构或者功能的部分上。

在激光振荡器40中，基波脉冲激光光束的激光功率远远(十(10)倍或者更高地)高于二次谐波脉冲激光光束SHG的激光功率。在该实施例中，例如通过提供接收泄漏到端镜20后部的基波光的感光元件或者相片传感器70，基波脉冲激光光束的激光输出功率利用测量电路72基于相片传感器70的输出信号进行测量，并且将测量电路72的基波激光功率测量值信号反馈到比较单元56。根据这种基波功率反馈控制，由于基波脉冲激光光束的激光功率可被稳定并且瞬时地控制，因此如果KTP晶体10具有异常，如输入电功率、即提供给激励光源42的电功率或者激励电流并未增加并且不会发生二次故障。

然而，如果基波功率反馈控制正常工作，那么二次谐波脉冲激光光束SHG的功率可由KTP晶体10的角度异常或者温度反常造成异常波动。为了解决该问题，在该实施例，提供SHG监视单元74。在该SHG监视单元74中，上限设定单元76和下限设定单元78分别设定二次谐波脉冲激光光束SHG的激光功率的上限和下限。比较单元80将从相片传感器50以及测量电路52得到的SHG激光功率测量值进行比较以输出比较结果。当SHG激光功率测量值超出或者会超出上限或者下限范围之外时，基波功率反馈控制将经历设定单元54的软件校正或者限制，或者执行中止的动作。

第六实施例

图8示出了根据本发明另一实施例的激光焊接装置的配置。在该图中，相同的标记加到与图6和图7的激光焊接装置基本相同的配置或者功能的部分上。

在该实施例中，同样提供基波功率反馈机构，其与图7的实施例类似。然而，SHG监视单元82具有平均值计算电路84以及偏移值计算电路86。另外，在反馈控制系统中，偏移值校正电路88设置在设定单元54和比较单元56之间。平均值计算电路84得出任何时间段上从相片传感器50和测量电路52得到的SHG激光功率测量值的平均值。偏移值计算电路86找出在平均值计算电路84中得到的SHG激光功率平均值和SHG激光功率的期望设定值(或者前一个平均值)之间差或者偏移值±α。该偏移值±α作为控制偏移值反馈到基波功率反馈机构的控制单元中。

在该分案中，再次在执行基波功率反馈控制的同时，如果二次谐波脉冲激光光束SHG的激光功率由于各种过时如角度异常、温度改变或者被燃烧涂层而下降时，通过SHG监视单元82可适时地施加恰当的校正。

尽管上述实施例主要涉及激光焊接，但本发明可应用到其他物理加工中，如激光弯曲处理、激光热处理等物理加工，并且优选为激光应用需要加热的广泛变化中。

尽管已经在此详细描述本发明的示意性以及当前优选的实施例，但可以理解本发明原理可进行各种具体化以及应用并且所附权利要求旨在构成包括现有技术迄今限定的各种变形。

Claims (25)

1.一种谐波脉冲激光装置，包括：

固态激光器，产生具有基波频率的基波脉冲激光光束，该基波频率具有100μs或者更高的脉冲宽度；

KTP(KTiOPO₄)晶体，将基波脉冲激光光束入射其中以便产生二次谐波脉冲激光光束，该二次谐波脉冲激光光束的频率是基波脉冲激光光束频率的两倍；以及

极化元件，其仅仅允许光线在一个极化方向上通过，并且被设置在基波脉冲激光光束的光径上，使得极化方向相对KTP晶体的光轴形成45度的角度，并且其中，由该极化元件线性极化的基波脉冲激光光束被入射到KTP晶体中。

2.根据权利要求1的谐波脉冲激光装置，其中，固态激光器包括从由Nd:YAG，Nd:YLF，Nd:YVO₄以及Yb:YAG组成的组中选择的一种活性介质以及用于泵送活性介质的激励单元。

3.权利要求1的谐波脉冲激光装置，其中，KTP晶体在II型相匹配配置的条件下被切割。

4.一种谐波脉冲激光装置，包括：

光谐振器，具有相互光学相对设置的第一和第二端镜；

设置在光谐振器的光径上的活性介质；

激励单元，泵送活性介质以产生具有基波频率的基波脉冲激光光束，该基波频率具有100μs或者更长的脉冲宽度；

KTP晶体，设置在光谐振器的光径上以产生二次谐波脉冲激光光束，该二次谐波脉冲激光光束具有基波脉冲激光光束两倍的频率；以及

谐波分离输出镜，设置在光谐振器的光径上，其中，

谐波分离输出镜将基波脉冲激光光束限定在光谐振器的光径上，并且将二次谐波脉冲激光光束提供到光谐振器的光径外部；

其中，活性介质和KTP互相排列在同一直线上。

5.权利要求4的谐波脉冲激光装置，其中，

将活性介质设置在第一端镜附近并且将KTP晶体设置在第二端镜附近，其中，

第一端镜朝向活性介质反射基波脉冲激光光束，并且其中，

第二端镜朝向KTP晶体反射基波脉冲激光光束和二次谐波脉冲激光光束。

6.权利要求4的谐波脉冲激光装置，其中，将谐波分离输出镜在活性介质和KTP晶体之间相对光谐振器的光径倾斜设置，该谐波分离输出镜允许基波脉冲激光光束传输通过其中并且朝向预定方向反射二次谐波脉冲激光光束。

7.一种谐波脉冲激光装置，包括：

光谐振器，具有相互光学相对设置的端镜和谐波分离输出镜；

设置在光谐振器的光径上的端镜附近的活性介质；

激励单元，用于光学泵送活性介质以便产生具有基波频率的基波脉冲激光光束，该基波频率具有100μs或者更长的脉冲宽度；以及

设置在光径上的谐波分离输出镜附近的KTP晶体，以便产生二次谐波脉冲激光光束，该二次谐波脉冲激光光束具有基波脉冲激光光束两倍的频率，其中，

该谐波分离输出镜将基波脉冲激光光束限定在光谐振器的光径上并且将二次谐波脉冲激光光束提供到光谐振器光径的外部；

设置在活性介质和KTP晶体之间的谐波镜，该谐波镜允许基波脉冲激光通过其中传输并且反射二次谐波激光光束。

8.权利要求5的谐波脉冲激光装置，其中，活性介质从由Nd:YAG，Nd:YLF，Nd:YVO₄以及Yb:YAG组成的组中选择的一种活性介质。

9.权利要求5的谐波脉冲激光装置，其中，将仅仅允许光线在一个极化方向上通过的极化元件设置在光谐振器的光径上，使得极化方向相对KTP晶体的光轴形成45度的角度，并且其中，为KTP晶体入射由极化元件线性极化的基波脉冲激光光束。

10.权利要求5的谐波脉冲激光装置，其中，KTP晶体在II型相匹配配置的条件下被切割。

11.权利要求5的谐波脉冲激光装置，其中，激励单元包括：

激励光发生单元，产生光学泵送活性介质的激励光；

激光电源单元，提供电功率，使得激励光发生单元产生激励光；以及

控制单元，用于控制从激光电源单元提供给激励光发生单元的电功率。

12.权利要求11的谐波脉冲激光装置，其中，激励光发生单元从由激励灯和激光二极管组成的组中进行选择。

13.权利要求11的谐波脉冲激光装置，其中，激光电源单元包括输出直流电流的直流电源以及连接在直流电源和激励光发生单元之间的开关元件，并且其中，通过使开关元件在对应于基波脉冲激光光束脉冲宽度的期间执行高频开关动作，激光电源单元提供给激励光发生单元脉冲电功率。

14.权利要求11的谐波脉冲激光装置，其中，控制单元将控制信号提供给激光电源单元，该控制信号使得开关元件执行开关操作。

15.权利要求14的谐波脉冲激光装置，其中，控制单元产生脉冲宽度控制方法中的控制信号。

16.权利要求14的谐波脉冲激光装置，其中，控制单元包括用于测量二次谐波脉冲激光光束的激光输出功率的谐波激光输出功率测量单元，并且其中，控制单元通过反馈从谐波激光输出功率测量单元得到的激光输出功率测量值产生控制信号。

17.权利要求11的谐波脉冲激光装置，其中，控制单元包括：

上限设定单元，用于设定从激光电源单元提供给激励光发生单元的电功率、电流和电压组成的组中选择的某个参数的期望上限；

参数测量单元，用于测量参数；以及

第一比较单元，用于将从参数测量单元中得到的参数测量值与该上限进行比较，并且其中，

控制单元基于第一比较单元的比较结果，控制从激光电源单元提供给激励光发生单元的电功率。

18.权利要求14的谐波脉冲激光装置，其中，控制单元包括基波激光输出功率测量单元，用于测量基波脉冲激光光束的激光输出功率，并且其中，控制单元通过反馈从基波激光输出功率测量单元得到的激光输出功率测量值而产生控制信号。

19.权利要求18的谐波脉冲激光装置，其中，控制单元包括：

极限值设定单元，设定二次谐波脉冲激光光束的激光输出功率的期望上限和期望下限中的至少一个作为极限值；

谐波激光输出功率测量单元，测量二次谐波脉冲激光光束的激光输出功率；以及

第二比较单元，用于将从谐波激光输出功率测量单元得到的激光输出功率测量值与该极限值进行比较，并且其中，

控制单元基于第二比较单元的比较结果，控制从激光电源单元提供给激励光发生单元的电功率。

20.权利要求18的谐波脉冲激光装置，其中，控制单元包括：

参考值设定单元，设定二次谐波脉冲激光光束的激光输出功率的期望参考值；

谐波激光输出功率测量单元，测量二次谐波脉冲激光光束的激光输出功率；

激光输出功率平均值计算单元，找出从谐波激光输出功率测量单元中得到的激光输出功率测量值的时间平均值；以及

偏移值计算单元，找出从激光输出功率平均值计算单元中得到的激光输出功率平均值和参考值之间的差作为偏移值，并且其中，

控制单元依据该偏移值校正控制信号。

21.权利要求1的谐波脉冲激光装置，其中，工件由二次谐波脉冲激光光束进行焊接。

22.权利要求1的谐波脉冲激光装置，其中，激光装置用二次谐波脉冲激光光束在工件中产生热，以实现工件材料特性的改变、形成工件或者从工件中去掉材料。

23.一种产生谐波脉冲激光光束的方法，包括步骤：

激励固态激光器的活性介质以产生具有基波频率的基波脉冲激光光束，该基波频率具有100μs或者更长的脉冲宽度；以及

将基波脉冲激光光束施加到KTP晶体上以产生二次谐波脉中激光光束，该二次谐波脉冲激光光束具有基波脉冲激光光束两倍的频率；

将仅仅允许光线在一个极化方向上通过的极化元件设置在基波脉冲激光光束的光径上，使得极化方向相对KTP晶体的光轴形成45度的角度，并且其中，把由极化元件线性极化的基波脉冲激光光束入射到KTP晶体中。

24.权利要求23的产生谐波脉中激光光束的方法，其中，活性介质从Nd:YAG，Nd:YLF，Nd:YVO₄以及Yb:YAG组成的组中选择一种。

25.权利要求23的产生谐波脉冲激光光束的方法，其中，KTP晶体在II型相匹配配置的条件下被切割。

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