CN102694339A - 一种高稳光束质量无热聚焦Nd：YAG激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高稳光束质量无热聚焦Nd：YAG激光器，包括由全反镜和半反镜构成的光学谐振腔，光学谐振腔内设有至少两个串联连接的椭圆柱镀金聚光腔，每一椭圆柱镀金聚光腔内的两个焦点分别设置氙灯和Nd：YAG晶体组件，所述Nd：YAG晶体组件包括五只同轴、且间隔设置的Nd：YAG柱型晶体，Nd：YAG柱型晶体之间通过晶体连接件连接成Nd：YAG晶体棒，Nd：YAG柱型晶体的直径为6.3-9毫米，长16-24毫米。
Description
技术领域
本发明涉及激光切割技术领域，具体是一种高稳光束质量无热聚焦Nd:YAG激光器。
背景技术
Nd:YAG激光器在现在激光加工行业有着大量应用，其中500W功率级别的激光器近两三年也有极大的使用群体。但在使用过程中，Nd:YAG激光器的热聚焦现象和光束质量不稳定的问题使Nd:YAG激光器的推广受到很大限制。
其中，Nd:YAG激光器的热聚焦现象，主要原因为非球面元件的热变形扭曲，使Nd:YAG柱型晶体端面变形扭曲为一个凸形聚焦镜，由此产生凸透镜效应，将平行的光束变为发散的光束，焦距随温度升高由大逐渐变小，使光路中的反射镜、聚焦镜在焦点上时损坏几率很大，且激光谐振在非平面端面反射使光束质量大为下降；由于热聚焦效应的存在，激光器谐振输出的光束质量很不稳定，加工稳定性难以保证，例如热聚焦效应造成Nd:YAG激光棒的热弯曲变形会造成对激光器光束的扰动，特别是在高功率激光运行状态时会产生光束漂移，严重影响激光切割的光点定位，影响激光聚焦和切割精度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种高稳光束质量无热聚焦Nd:YAG激光器，无热聚焦现象、光束质量稳定、使用方便稳定，可使加工质量有很好的保证，而且散热充分、使用寿命长。
一种高稳光束质量无热聚焦Nd:YAG激光器，包括由全反镜和半反镜构成的光学谐振腔，光学谐振腔内设有至少两个串联连接的椭圆柱镀金聚光腔，每一椭圆柱镀金聚光腔内的两个焦点分别设置氙灯和Nd:YAG晶体组件，所述Nd:YAG晶体组件包括五只同轴、且间隔设置的Nd:YAG柱型晶体，Nd:YAG柱型晶体之间通过晶体连接件连接成Nd:YAG晶体棒，Nd:YAG柱型晶体的直径为6.3-9毫米，长16-24毫米。
如上所述的高稳光束质量无热聚焦Nd:YAG激光器，所述晶体连接件(采用银镀金材料制成。
如上所述的高稳光束质量无热聚焦Nd:YAG激光器，所述晶体连接件为中空的圆柱形腔体结构，圆柱形腔体内充满氮气形成充氮气腔，充氮气腔内氮气在温度为40-60℃时压力为0.7-0.9MPA，充氮气腔的两端分别与Nd:YAG柱型晶体粘接固定。
如上所述的高稳光束质量无热聚焦Nd:YAG激光器，充氮气腔的外壁径向向外延伸设有多个散热片。
本发明通过将现有的Nd:YAG晶体棒改进设计为五只小段的Nd:YAG柱型晶体通过晶体连接件串联连接，通过限定Nd:YAG柱型晶体的尺寸，从而使得每只Nd:YAG柱型晶体端面热畸变量不会破坏形成理想谐振条件，最终本发明的激光器具有高光束质量(m2＜1.1)、无热聚焦，功率＞500W，光电转换效率大于4.8％的特点。由于在从冷态到达到高温平衡的整个工作过程中，每只YAG柱型晶体端面热畸变量很小没有破坏理想的谐振条件，光束质量稳定，可提高加工质量；光路中无聚焦，可延长反射镜和聚焦镜寿命；晶体材料的总体积减少，可节省晶体材料。
附图说明
图1是本发明高稳光束质量无热聚焦Nd:YAG激光器的结构示意图；
图2是本发明Nd:YAG激光器中Nd:YAG柱形晶体的连接示意图；
图3是本发明连接Nd:YAG柱形晶体的晶体连接件3的结构示意图；
图4(a)是Nd:YAG柱形晶体的结构端面变形图；
图4(b)是不同Nd:YAG柱形晶体的变形量与温度的关系图。
图中：1-全反镜，2-Nd:YAG柱型晶体，3-晶体连接件，4-充氮气腔，5-半反镜，6-椭圆柱镀金聚光腔，7-氙灯，41-散热片。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
图1所示为本发明高稳光束质量无热聚焦Nd:YAG激光器的结构示意图，所述高稳光束质量无热聚焦Nd:YAG激光器包括由全反镜1和半反镜5构成的光学谐振腔，光学谐振腔内设有至少两个串联连接的椭圆柱镀金聚光腔6，每一椭圆柱镀金聚光腔6内的两个焦点分别设置氙灯7和Nd:YAG晶体组件。所述Nd:YAG晶体组件包括五只同轴、且间隔设置的Nd:YAG柱型晶体2，Nd:YAG柱型晶体2之间通过晶体连接件3连接成Nd:YAG晶体棒。
所述晶体连接件3采用银镀金材料制成，由于银的热传导系数为429，大于铜、金、铝，可起到很好的到热传导作用。如图2所示，所述晶体连接件3为中空的圆柱形腔体结构，圆柱形腔体内充满氮气形成充氮气腔4，充氮气腔4的两端分别与Nd:YAG柱型晶体2粘接固定，例如，可使用导热环氧胶进行粘接固定。其中，充氮气腔4内氮气压力为温度40-60℃时0.7-0.9MPA，本发明实施例氮气压力为温度50℃时0.8MPA，具体实现方法为在温度50℃时0.8MPA的氮气压力仓内进行晶体连接体结构的组装，这种工艺形成的充氮气腔可使Nd:YAG柱型晶体2的使用更稳定，Nd:YAG柱型晶体2之间的散热更充分。较佳的，充氮气腔4的外壁径向向外延伸设有多个散热片41，这样就增加了与冷却介质(例如纯净水)的接触面积，可进一步提高Nd:YAG柱型晶体2的散热效果。
上述Nd:YAG柱型晶体2的直径为6.3-9毫米，长16-24毫米，采用这种尺寸的YAG柱型晶体端面热畸变量不会破坏形成理想谐振条件，使激光光束质量达到m2＜1.1。本发明其中一个实施例的Nd:YAG柱型晶体2直径为6毫米，长16.5毫米。m2因子被称为激光束质量因子或衍射极限因子，其定义为：实际光束束腰宽度和远场束散角的乘积比上基模高斯光束的束腰宽度和远场束散角的乘积。对于基模(TEM00)高斯光束，光束质量因子为1，光束质量最好，而实际中均大于1，表征实际光束相对于衍射极限的倍数，m2因子越小代表光束质量越好。
图4(a)为Nd:YAG柱形晶体的结构端面变形图，Nd:YAG柱型晶体端面变形量ΔL是和温度相关联的，Nd:YAG柱型晶体的温度分布是中心温度高，边缘温度低，变形量为温度正相关，中心变形量最大，边缘变形量小。通过9个不同长度的Nd:YAG柱型晶体(L1、L2、L3...L9)的不同变形对比测量，Nd:YAG柱型晶体长度在16～24毫米时，每个Nd:YAG柱型晶体的端面热畸变量不会破坏形成理想谐振的条件.。
在上述方案中，Nd:YAG柱型晶体2的化学式为Nd:Y3AL5O12，晶体结构Cubic，莫斯硬度8.5，熔点1970℃，密度4.55g/cm3，折射系数1.8197，热导性0.14Wcm-1K-1，1064nm，原子密度1.38x1020atoms/cm3，荧光寿命230μs，泵浦波长807.5nm。
较佳的，本发明设置两个椭圆柱镀金聚光腔，即五只YAG柱型晶体2串联后再二次串联，单规格为Φ8×16.5毫米的Nd:YAG柱型晶体只能达到30W的激光输出功率，五只串联可输出200W激光功率，10只串联可输出500W激光功率。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (4)
1.一种高稳光束质量无热聚焦Nd:YAG激光器，包括由全反镜(1)和半反镜(5)构成的光学谐振腔，其特征在于：光学谐振腔内设有至少两个串联连接的椭圆柱镀金聚光腔(6)，每一椭圆柱镀金聚光腔(6)内的两个焦点分别设置氙灯(7)和Nd:YAG晶体组件，所述Nd:YAG晶体组件包括五只同轴、且间隔设置的Nd:YAG柱型晶体(2)，Nd:YAG柱型晶体(2)之间通过晶体连接件(3)连接成Nd:YAG晶体棒，Nd:YAG柱型晶体(2)的直径为6.3-9毫米，长16-24毫米。
2.如权利要求1所述的高稳光束质量无热聚焦Nd:YAG激光器，其特征在于：所述晶体连接件(3)采用银镀金材料制成。
3.如权利要求1或2所述的高稳光束质量无热聚焦Nd:YAG激光器，其特征在于：所述晶体连接件(3)为中空的圆柱形腔体结构，圆柱形腔体内充满氮气形成充氮气腔(4)，充氮气腔(4)内氮气在温度为40-60℃时压力为0.7-0.9MPA，充氮气腔(4)的两端分别与Nd:YAG柱型晶体(2)粘接固定。
4.如权利要求3所述的高稳光束质量无热聚焦Nd:YAG激光器，其特征在于：充氮气腔(4)的外壁径向向外延伸设有多个散热片(41)。
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