CN101872934A - 高功率调q脉冲激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高功率调Q脉冲激光器，包括由输出透反镜和全反镜构成的谐振腔及置于所述谐振腔内的连续泵浦单元和Nd:YAG激励介质；其特征在于还包括一位于谐振腔内并由高速电机带动旋转的机械调制盘，所述机械调制盘由遮光材料制成并且其上设有至少一个供激光光轴穿过的通光部位。本发明能够提供稳定性高、重复频率高、峰值功率高、脉冲能量高及脉宽短的脉冲激光输出，其被应用于激光打孔时可以加工更深厚度的材料，应用于激光毛化领域时可以生产更深的毛化点和表面粗糙度。

Description

高功率调Q脉冲激光器

技术领域

本发明属于激光器领域，特别涉及一种高功率调Q脉冲激光器。

背景技术

近年来，激光打孔技术在水松纸打孔、皮革打孔、膏药打孔等领域都得到快速发展；同时随着高端汽车、家电、电子和轻工业对具有优良冲压性能和表面涂镀性能的毛化钢板需求日益扩大，激光毛化技术也得到了迅速发展。提高激光打孔和激光毛化技术的加工质量和效率的关键是研制出重复频率、高峰值功率的高能量脉冲输出激光器作为激光发射源。在现有技术条件下，一般采用调Q技术实现高重复频率、高峰值功率的高能量脉冲激光输出。

目前，常规的激光调Q技术有转镜调Q、电光调Q、声光调Q和被动式可饱和吸收体调Q。

转镜调Q的基本原理是脉冲激光器谐振腔的全反镜被一个由高速电机带动旋转的全反镜所替代构成。全反镜绕垂直于谐振腔轴线做周期性旋转，因此构成了一个Q值作周期性变化的谐振腔。这种Q开关无插入损耗，而且不存在光损伤的问题，因此可以获得峰值功率高达几十MW的短脉宽脉冲；但其主要缺点是在高转速下的机械磨损会影响其使用寿命，且装配工艺要求很高。因此，该调Q技术很难广泛应用于实际生产中。

电光调Q的基本原理是在激光谐振腔中插入一个电光晶体，通过控制电光晶体两端电压而调节谐振腔的Q值，从而实现激光调Q。这种调Q方式能产生窄脉冲，同步性能好，使用寿命长，可以获得峰值功率高达几十MW以上、脉宽为几十纳秒的巨脉冲；但脉冲重复频率低(100Hz量级)，同时会在加工过程中产生大量等离子体，从而影响到材料对激光能量的吸收。因此，电光调Q激光器很难满足激光打孔和激光毛化等技术对加工效率的要求。

声光调Q的基本原理是在激光谐振腔轴线上放置一个声光调制器件，并通过使用高频振荡信号作用于声光调制器件而改变谐振腔的Q值。声光调Q技术容易获得峰值功率为几百KW、脉宽为一百纳秒左右的巨脉冲，但由于其声光调制器的衍射效率是有限的，从而导致它对高能量激光器的开关能力较差，因此它只能使用于较低增益的连续激光器上。综上所述，声光调Q脉冲激光器的单脉冲能量低，平均功率也低，从而使其应用范围受到很大限制。

被动式可饱和吸收体调Q的基本原理是在激光谐振腔轴线上放入可饱和吸收染料，该染料的吸收系数随着腔内光强的变化而变化，从而被动地改变腔内Q值。这种开关结构简单，使用方面，可以获得峰值功率为几MW、脉宽为几十ns的巨脉冲；但由于它是一种被动式调Q，因此产生调Q脉冲的时刻有一定的随机性，不能人为控制。因此，这种调Q方式不能满足激光打孔、激光毛化等对加工精度高的要求。

发明内容

本发明目的是：针对背景技术中涉及的现有各类调Q脉冲激光器的不足而提供一种高功率调Q脉冲激光器，该激光器能够提供稳定性高、重复频率高、峰值功率及脉冲能量高，而脉宽短的脉冲激光输出，其被应用于激光打孔时可以加工更深厚度的材料，应用于激光毛化领域时可以生产更深的毛化点和表面粗糙度。

本发明的技术方案是：一种高功率调Q脉冲激光器，包括由输出透反镜和全反镜构成的谐振腔及置于所述谐振腔内的连续泵浦单元和Nd:YAG激励介质；其特征在于还包括一位于谐振腔内并由高速电机带动旋转的机械调制盘，所述机械调制盘由遮光材料制成并且其上设有至少一个供激光光轴穿过的通光部位。

本发明中所述通光部位具体可以是开设于机械调制盘外缘上的通光切口。当通光切口的数量较多时，机械调制盘的外缘则呈锯齿状。

或者，本发明中所述通光部位也可以是通光孔。

或者，本发明中所述机械调制盘上的通光部位大于一个时，也可以部分为通光孔，而余下的则是开设于机械调制盘外缘上的通光切口。

本发明主要采用一个高速旋转的机械调制盘以实现激光器的调Q。其主要的工作原理如下：机械调制盘旋转的过程中，其上的非通光部位旋转到激光光轴上时，相当于在激光光轴上插入一个不通光的物体，从而导致激光器无法振荡；如果此时通过连续泵浦单元提供能量，那么将在Nd:YAG激励介质中逐渐积累能量；随着机械调制盘的旋转，当通光部位旋转到激光光轴上时，相当于将激光光轴上插入的不通光物体快速移出，激光器在Nd:YAG激励介质中所存储能量对应的增益作用下快速形成振荡，并实现高峰值功率短脉冲输出。在机械调制盘旋转的过程中，非通光部位与通光部位交替遮挡和通过激光光轴，因此激光器被周期性的关断和开启；如果此时通过连续泵浦单元提供连续的激光能量，那么激光器将输出高重复频率、高能量的激光脉冲。

并且本发明所述的通光部位大于一个时，可呈圆周等间距分布于机械调制盘上，此时当机械调制盘的转速恒定时，相邻激光脉冲的时间间隔是完全一致的，激光器输出脉冲的重复频率是恒定的。当然所述通光部位大于一个时，也可呈圆周非等间距分布于机械调制盘上，此时即使机械调制盘的转速恒定，那么激光器输出的相邻脉冲的脉冲间隔也是不一致的，重复频率不是恒定的。

本发明中，为了提高激光器从关断过渡到开启的速度，一般要求谐振腔存在一个光斑非常小的位置，并将机械调制盘放置于该位置。这样当机械调制盘的通光孔或者通光切口的边缘扫过这个光斑时，激光器从关断到开启的过渡时间就会非常短。为了使谐振腔中某一位置产生直径很小的光斑，本发明可采取以下两种方案：

1)在所述谐振腔内增设一对透射式聚焦镜，该对透射式聚焦镜于激光光轴上相对布置而构成望远准直系统，并且前述机械调制盘恰好位于该望远准直系统的共焦面上。

2)在所述谐振腔内增设一个透射式聚焦镜，该透射式聚焦镜与激光器原先的输出透反镜相对布置而构成望远准直系统，并且前述机械调制盘恰好位于该望远准直系统的共焦面上。

当然除了采用上面讲到的于谐振腔中产生小直径光斑的方法缩短激光器从关断到开启的时间之外，本发明还可以通过下述两种方案来达到同样的目的：

3)把通光切口或者通光孔加工成锥形结构。

4)保持通光孔或者通光切口的间隙尺寸不变，使所述机械调制盘相对激光光轴以角度θ倾斜放置，θ为机械调制盘的转轴与激光光轴的水平方向夹角，取值为10°～45°。

值得一提的是上述方案3)或者4)可以与方案1)或者2)结合运用，从而更进一步的减小激光器从关断到开启的时间。并且当方案1)或者2)与方案3)结合运用时，本发明中优选使得呈锥形结构的通光切口(或者通光孔)的锥角大于望远准直系统共焦面上的光斑发散角。

本发明中机械调制盘的材料为具有足够高机械强度的遮光材料，例如各种金属，考虑到尽可能减小机械调制盘在旋转过程中的旋转惯量，优选比重小的材料，例如铝或合金铝材。

本发明中的连续泵浦单元同常规技术一样，可采用灯泵浦单元，例如连续氪灯泵浦单元；当然也可以采用连续输出的半导体泵浦单元。且本发明为了获得高重复频率，机械调制盘的旋转速度应该足够高，通常采用每分钟数千至数万转的转速。

本发明的优点是：

1.本发明提供的这种高功率调Q脉冲激光器，由于激光的关断是通过机械调制盘的非通光部位实现的，当激光被关断时实际上就等同于在激光器中直接插入了一个机械开关，因此对应的关断能力几乎是无限的。这种关断方式对激光器功率没有任何限制，可以适用于高功率激光器，从而形成足够高的激光脉冲功率和激光脉冲频率。

2.本发明提供的这种高功率调Q脉冲激光器，不但具有与声光调Q脉冲激光器一样的高重复频率脉冲输出，而且可以同时产生与转镜调Q、电光调Q及染料调Q等脉冲激光器一样的高峰值功率巨脉冲输出。不仅如此，本发明同时解决了目前转镜调Q、电光调Q、声光调Q和染料调Q这些脉冲激光器在实现高稳定、高重复频率、高峰值功率及高脉冲能量激光脉冲输出时的固有困难。综上所述，本发明可以提供稳定性高、重复频率高、峰值功率高、脉冲能量高及脉宽短的脉冲激光输出，应用于激光打孔时可以加工更深厚度的材料，应用于激光毛化时可以生产更深的毛化点和表面粗糙度。

3.本发明提供的这种高功率调Q脉冲激光器，结构简单、成本低，使用寿命长，工作稳定，生产维护容易。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明第一具体实施例的结构原理图；

图2为本发明第二具体实施例的结构原理图；

图3为本发明第三具体实施例的结构原理图；

图4为图3中机械调制盘的倾斜放置示意图；

图5为图4的A-A视图。

其中：1、谐振腔；101、连续泵浦单元；102、输出透反镜；103、全反镜；104、第一透射式聚焦镜；105、第二透射式聚焦镜；106、机械调制盘；107、高速电机。

具体实施方式

实施例1：如图1所示为本发明高功率调Q脉冲激光器的一种具体实施方式，其组成如下：由输出透反镜102和全反镜103构成的谐振腔1、置于所述谐振腔1内的连续泵浦单元101和Nd:YAG激励介质，以及置于所述谐振腔1内的机械调制盘106和高速电机107。本实施例中所述连续泵浦单元101采用连续氪灯泵浦单元，所述机械调制盘106由铝材料制成，并置于连续泵浦单元101和输出透反镜102之间。机械调制盘106的转轴位于连续泵浦单元101输出的激光光轴上方，并与高速电机107的输出轴相连，从而能够在高速电机107的带动下高速旋转。而在机械调制盘106的外缘上开设30个呈圆周等间距分布的通光切口(图1中只画出2个通光切口)，这些通光切口可藉由机械调制盘106的转动而交替供激光光轴通过。

本实施例的工作原理如下：机械调制盘106旋转的过程中，其上的非通光部位旋转到激光光轴上时，相当于在激光光轴上插入一个不通光的物体，从而导致激光器无法振荡；如果此时通过连续泵浦单元101提供能量，那么将在Nd:YAG激励介质中逐渐积累能量；随着机械调制盘106的旋转，当通光切口旋转到激光光轴上时，相当于将激光光轴上插入的不通光物体快速移出，激光器在Nd:YAG激励介质中所存储能量对应的增益作用下快速形成振荡，并实现高峰值功率短脉冲输出。在机械调制盘106旋转的过程中，非通光部位与通光切口交替遮挡和通过激光光轴，因此激光器被周期性的关断和开启。并且由于连续泵浦单元101不断提供连续的激光能量，那么激光器就将输出恒定高重复频率、高能量的激光脉冲。

实施例2：如图2所示，本实施例与实施例1的区别是在所述谐振腔1内还设有第一透射式聚焦镜104和第二透射式聚焦镜105，且该第一透射式聚焦镜104和第二透射式聚焦镜105于激光光轴上相对布置而构成望远准直系统，并且所述机械调制盘106恰好位于该望远准直系统的共焦面上。本实施例其余同实施例1相同。结合图2所示，本实施例由于在谐振腔1内引入了望远准直系统，使谐振腔1内存在一个光斑很小的位置(该光斑也即望远准直系统的共焦点)，当机械调制盘106高速旋转时，其上的通光切口边缘扫过这个光斑的速度将更快，故与实施例1相比，本实施例的激光器从关断到开启的过渡时间更短，脉冲能量更高，脉宽更短。

实施例3：如图3所示，本实施例与实施例2的区别有如下两点：

1)将所述谐振腔1内的第二透射式聚焦镜105去除而仅保留第一透射式聚焦镜104，且该第一透射式聚焦镜104与谐振腔1本身的输出透反镜102相对布置而构成望远准直系统，并且所述机械调制盘106也恰好位于该望远准直系统的共焦面上。

2)结合图4、图5所示，本实施例中的机械调制盘106相对激光光轴以角度θ倾斜放置，所述θ为机械调制盘106的转轴与激光光轴的水平方向夹角，本实施例中的θ取值为20°。本实施例其余同实施例2相同。

本实施例中同样在谐振腔1内引入了望远准直系统，但同时本实施例还通过将机械调制盘106倾斜布置的方式缩短了激光束2从关断到开启的开启时间，从而提高了脉冲的峰值功率。故相比实施例2，本实施例的激光器从关断到开启的过渡时间更短，脉冲能量更高，脉宽更短。

当然上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高功率调Q脉冲激光器，包括由输出透反镜(102)和全反镜(103)构成的谐振腔(1)及置于所述谐振腔(1)内的连续泵浦单元(101)和Nd:YAG激励介质；其特征在于还包括一位于谐振腔(1)内并由高速电机(107)带动旋转的机械调制盘(106)，所述机械调制盘(106)由遮光材料制成并且其上设有至少一个供激光光轴穿过的通光部位。

2.根据权利要求1所述的高功率调Q脉冲激光器，其特征在于所述通光部位是开设于机械调制盘(106)外缘上的通光切口。

3.根据权利要求1所述的高功率调Q脉冲激光器，其特征在于所述通光部位是通光孔。

4.根据权利要求1所述的高功率调Q脉冲激光器，其特征在于所述通光部位大于一个时，部分为通光孔，而余下的则为开设于机械调制盘(106)外缘上的通光切口。

5.根据权利要求1所述的高功率调Q脉冲激光器，其特征在于所述通光部位大于一个时，呈圆周等间距或非等间距分布于机械调制盘(106)上。

6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的高功率调Q脉冲激光器，其特征在于所述谐振腔内还设有一对透射式聚焦镜(104、105)，该对透射式聚焦镜(104、105)于激光光轴上相对布置而构成望远准直系统，并且前述机械调制盘(106)恰好位于该望远准直系统的共焦面上。

7.根据权利要求1或2或3或4或5所述的高功率调Q脉冲激光器，其特征在于所述谐振腔内还设有一个透射式聚焦镜(104)，该透射式聚焦镜(104)与所述输出透反镜(102)相对布置而构成望远准直系统，并且前述机械调制盘(106)恰好位于该望远准直系统的共焦面上。

8.根据权利要求1或2或3或4或5所述的高功率调Q脉冲激光器，其特征在于所述机械调制盘(106)相对激光光轴以角度θ倾斜放置，所述θ为机械调制盘(106)的转轴与激光光轴的水平方向夹角，其取值为10°～45°。

9.根据权利要求2或4所述的高功率调Q脉冲激光器，其特征在于所述通光切口为锥形切口。

10.根据权利要求3或4所述的高功率调Q脉冲激光器，其特征在于所述通光孔为锥形孔。

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