CN103326230A - 一种实现全固态激光器高功率输出的并联合束方法 - Google Patents

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Abstract

一种实现全固态激光器高功率输出的并联合束方法，包括以下步骤：1）设计等效谐振腔；2）设计两个独立全固态激光器的并联合束；3）N个独立全固态激光器的并联合束。本发明，可以实现N个独立全固态激光器输出激光束的完全合束，使不同激光器发出的N束激光以相同的光轴、相同的束腰位置和相同的发散角叠加输出，且合束后激光的光束质量不低于单个全固态激光器的光束质量。利用该方法实现的高功率全固态激光器可以实现模块化结构，能有效降低单个激光模块的泵浦均匀性变化对整机稳定性和可靠性的不良影响，有利于提高整机的稳定性和可靠性，可实现工业级的、模块化的、高功率、高可靠性、易于维护的全固态激光器。

Description

一种实现全固态激光器高功率输出的并联合束方法
技术领域
本发明涉及一种实现全固态激光器高功率输出的并联合束方法，属于固体激光技术领域。
背景技术
全固态激光器是指半导体激光泵浦的固体激光器，具有效率高、寿命长、光束质量好、结构紧凑等优点，基于该类激光器的加工装备广泛应用于汽车、铁路、船舶、冶金、石化、国防以及航空航天等领域。
目前用于工业加工的高功率全固态激光器一般由几个激光单元模块串联构成，通过谐振或者谐振放大的方式实现高功率输出，具有结构简单，容易实现等优点。激光模块是构成全固态激光器的主要部件，是由几十个至上百个半导体激光器排成环状从晶体棒的侧面进行泵浦，通过合理排列泵浦的半导体激光源，在晶体棒的横截面上形成由内到外呈抛物线状的增益分布。作为泵源的半导体激光器随使用时间延长存在波长会红移或者功率衰减的情况，几十个半导体激光器一般不会随时间同步变化，个别半导体激光器甚至会出现随机失效，这种泵浦光源变化的随机性会导致晶体棒泵浦均匀性发生变化，增益中心发生微小偏移。这种微小的偏移在串联结构中会导致激光器的光轴发生微小角度的偏移，从而影响整个激光系统的稳定性和可靠性。在工业应用中，作为激光加工装备光源的高功率全固态激光器中最重要的一项指标即是系统的稳定性和可靠性。
发明内容
为了克服现有高功率全固态激光器采用串联功率扩展结构会导致激光器整机系统稳定性和可靠性随使用时间下降的缺陷，本发明的目的在于提供了一种全新的功率扩展方法——并联合束，利用该方法可以实现多个独立全固态激光器输出激光束的完全合束，使不同激光器发出的激光以相同的光轴、相同的束腰位置和大小、相同的发散角叠加输出，且合束输出的激光光束质量不低于单个激光器输出激光的光束质量。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是通过以下方式实现的：一种实现全固态激光器高功率输出的并联合束方法，包括以下步骤：1）设计等效谐振腔；2）设计两个独立全固态激光器的并联合束；3）N个独立全固态激光器的并联合束；其特征在于：
1）、设计等效谐振腔：设计第一个全固态激光器与平平谐振腔的等效结构，由三个高反镜Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、一个耦合输出镜、一个透镜和一个激光头构成，耦合输出镜将激光沿与激光模块中心轴线夹角为90°±5°的方向反射输出，改变平平谐振腔输出激光只能沿激光模块轴线通过耦合腔镜输出的局限，实现N个全固态激光器同轴输出激光，利用透镜n5、n6进行光束整形，使同轴传输的N束激光的束腰、束腰位置和发散角相重合，合并成一束与单个全固态激光器光束质量近似的激光束；
所述的高反镜Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ表面镀射对垂直入射的激光反射率大于95%的高反膜，所述的透镜由1片或多片、有效焦距f1介于50～200mm、表面镀射对0°入射的激光反射率小于1%的增透膜；激光头为半导体激光泵源与参钕或参镱的激光晶体构成的集成模块；高反镜Ⅰ与高反镜Ⅱ平行放置且镀膜面朝向激光头，两者之间的距离与所等效的平平谐振腔的物理腔长相等，为200～800cm，两者距离激光头内晶体棒两个端面的长度相同；耦合输出镜表面镀射有对激光器输出的激光具有10～50%反射率的反射膜，耦合输出镜上的光斑中心与高反镜Ⅱ的距离L11介于20～380mm，透镜与耦合输出镜上光斑中心的距离L12和高反镜Ⅲ与透镜之间的距离L13由以下数学关系确定：
L12=f1----L11和L13=f1。
2）、设计两个独立全固态激光器的并联合束：在全固态激光器Ⅰ、Ⅱ之间放置透镜25、27，透镜25、27是由一片或者多片透镜构成，有效焦距皆是f2，f2的焦距介于50～200mm，且表面镀射对0°入射的激光反射率小于1%的增透膜，全固态激光器1、2之间的距离L1、透镜27与透镜25之间的距离L26由以下数学关系确定：
L1=4f2和L26=2f2
3）、实现N个独立全固态激光器的并联合束：在全固态激光器（n-1）、n之间放置透镜n5、n7，透镜n5、n7是由1片或者多片透镜构成，有效焦距皆是fn，fn的焦距介于30～300mm，且二者置于全固态激光器（n-1）、n之间。全固态激光器（n-1）、n之间的距离Ln-1、耦合输出镜n4上光斑中心与高反镜n2的距离L透镜Ln1、n7与透镜n5之间的距离Ln6的放置位置由以下数学关系确定：
Ln-1=4fn
Ln1=L(n-1)1
Ln6=2fn。
本发明，不仅可以将N个独立的全固态激光器发出的激光以相同的发射光轴、相同的束腰位置和相同的发散角叠加输出，实现功率N倍的放大，而且由于45°耦合输出镜对激光的反射和透射，将在N个全固态激光器之间建立能量耦合。此种情况的发生将在合束输出的激光束中形成部分干涉效应，使合束后的激光光束质量等于或者优于单个全固态激光器的光束质量。利用该方法实现的高功率全固态激光器可以实现模块化结构，能有效降低单个激光模块的泵浦均匀性变化对整机的影响，有利于提高整机的稳定性和可靠性。可实现工业级的、模块化的、高功率、高可靠性、易于维护的全固态激光器。
附图说明
图1是本发明的等效谐振腔示意图。
图2是本发明的等效谐振腔中的耦合输出镜的反射率与平平谐振腔耦合输出镜反射率的对应关系图。
图3是本发明的两个独立全固态激光器并联合束的示意图。
图4是本发明的N个独立全固态激光器并联合束的示意图。
图中：n.全固态激光器；n1.高反镜；n2.高反镜；n3.高反镜；n4.耦合输出镜；n5.透镜；n6.激光头；n7.透镜；（以上n可取1、2、3、……、N）。
具体实施方式
一种实现全固态激光器高功率输出的并联合束方法，包括以下步骤：
1、设计等效谐振腔：设计第一个全固态激光器与平平谐振腔的等效结构，一个耦合输出镜14、一个透镜15和一个激光头16构成，耦合输出镜14将激光沿与激光模块中心轴线夹角为90°±5°的方向反射输出，改变平平谐振腔输出激光只能沿激光模块轴线通过耦合腔镜输出的局限，实现N个全固态激光器同轴输出激光，利用透镜n5、n6进行光束整形，使同轴传输的N束激光的束腰、束腰位置和发散角相重合，合并成一束与单个全固态激光器光束质量近似的激光束；所述的等效结构由3个高反镜Ⅰ11、Ⅱ12、Ⅲ13组成、高反镜Ⅰ11、Ⅱ12、Ⅲ13表面镀射对垂直入射的激光反射率大于95%的高反膜，所述的透镜15由1片或多片、有效焦距f1介于50～200mm、表面镀射对0°入射的激光反射率小于1%的增透膜；激光头16为半导体激光泵源与参钕或参镱的激光晶体构成的集成模块；高反镜Ⅰ11与高反镜Ⅱ12平行放置且镀膜面朝向激光头16，两者之间的距离与所等效的平平谐振腔的物理腔长相等，一般为200～800cm，两者距离激光头16内晶体棒两个端面的长度相同；耦合输出镜14表面镀射有对激光器输出的激光具有10～50%反射率的反射膜，耦合输出镜14上的光斑中心与高反镜Ⅱ12的距离L11介于20～380mm，透镜15与耦合输出镜14上光斑中心的距离L12和高反镜Ⅲ13与透镜15之间的距离L13由以下数学关系确定：
L12=f1----L11和L13=f1。
2、设计两个独立全固态激光器的并联合束：在全固态激光器Ⅰ1、Ⅱ2之间放置透镜25、27，透镜25、27是由1片或者多片透镜构成，有效焦距皆是f2，f2的焦距介于50～200mm，且表面镀射对0°入射的激光反射率小于1%的增透膜。全固态激光器1、2之间的距离L1、透镜27与透镜25之间的距离L26由以下数学关系确定：
L1=4f2和L26=2f2
3）、实现N个独立全固态激光器的并联合束：在全固态激光器（n-1）、n之间放置透镜n5、n7，透镜n5、n7是由1片或者多片透镜构成，有效焦距皆是fn，fn的焦距介于30～300mm，且二者置于全固态激光器（n-1）、n之间。全固态激光器（n-1）、n之间的距离Ln-1、耦合输出镜n4上光斑中心与高反镜n2的距离L透镜Ln1、n7与透镜n5之间的距离Ln6的放置位置由以下数学关系确定：
Ln-1=4fn
Ln1=L(n-1)1
Ln6=2fn。
实施例1：
本实施例参见图1～图4，采用本公司生产的DPLM40-80激光头n6、商用的对1064nm激光0°入射反射率大于99.8%的高反镜n1、n2、n3、对1064nm激光45°入射反射率为18%的耦合输出镜n4和表面增透的焦距为80mm的透镜n5、n7搭建六个全固态激光器来实现并联合束。
1、等效谐振腔的实现
1）、确定等效谐振腔的物理腔长。等效谐振腔所等效的平平谐振腔的物理腔长为600mm，因此选择等效谐振腔的物理腔长为600mm。
2）、确定耦合输出镜14和透镜15的参数。耦合输出镜表面法线与激光头16内的晶体棒的中心轴线的夹角为45°，其对激光的反射率的选取参考图2，由于本例中所等效的平平谐振腔的耦合输出镜的反射率为30%，因此选取耦合输出镜14的反射率为18%；本例中的透镜15选择焦距为f1=80mm的单透镜。
3）、确定光学镜片位置参数。根据步骤1所述数学关系，选择L11=40mm、L12=40mm和L13=80mm。
2、2个独立全固态激光器并联合束的实现
1）确定透镜25、27的参数。考虑到并联合束时参与合束的全固态激光器之间的距离不宜太大，因此选择透镜25、27为焦距为f2=80mm的单透镜。
2）确定两个全固态激光器1、2和透镜25、27的位置参数。由步骤2知L2=320mm、L26=160mm，本例选择L25=120mm。
3、6个独立全固态激光器并联合束的实现
由步骤3知，透镜n5、n7之间的距离Ln6为160mm，全固态激光器(n-1)、n之间的距离Ln-1为320mm，本例选择Ln5=120mm。。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明的应用。

Claims (5)

1.一种实现全固态激光器高功率输出的并联合束方法，包括以下步骤：1）设计等效谐振腔；2）设计两个独立全固态激光器的并联合束；3）N个独立全固态激光器的并联合束；其特征在于：
1）、设计等效谐振腔：设计第一个全固态激光器与平平谐振腔的等效结构，由三个高反镜（Ⅰ11）、（Ⅱ12、）（Ⅲ13）、一个耦合输出镜（14）、一个透镜（15）和一个激光头（16）构成，耦合输出镜（14）将激光沿与激光模块中心轴线夹角为90°±5°的方向反射输出，改变平平谐振腔输出激光只能沿激光模块轴线通过耦合腔镜输出的局限，实现N个全固态激光器同轴输出激光，利用透镜（n5、n6）进行光束整形，使同轴传输的N束激光的束腰、束腰位置和发散角相重合，合并成一束与单个全固态激光器光束质量近似的激光束；
2）、设计两个独立全固态激光器的并联合束：在全固态激光器（Ⅰ1）、（Ⅱ2）之间放置透镜（25、27），透镜（25、27）是由一片或者多片透镜构成，有效焦距皆是f2，f2的焦距介于50～200mm，且表面镀射对0°入射的激光反射率小于1%的增透膜；全固态激光器（1、2）之间的距离L1、透镜（27）与透镜（25）之间的距离L26由以下数学关系确定：
L1=4f2和L26=2f2；
3）、实现N个独立全固态激光器的并联合束：在全固态激光器（（n-1）、n）之间放置透镜（n5、n7），透镜（n5、n7）是由1片或者多片透镜构成，有效焦距皆是fn，fn的焦距介于30～300mm，且二者置于全固态激光器（（n-1）、n）之间；全固态激光器（（n-1）、n）之间的距离Ln-1、耦合输出镜（n4）上光斑中心与高反镜（n2）的距离L透镜Ln1、（n7）与透镜（n5）之间的距离Ln6的放置位置由以下数学关系确定：
Ln-1=4fn
Ln1=L(n-1)1
Ln6=2fn。
2.根据权利要求1所述的一种实现全固态激光器高功率输出的并联合束方法，其特征在于：所述的步骤1）中的高反镜（Ⅰ11）、（Ⅱ12、）（Ⅲ13）表面镀射对垂直入射的激光反射率大于95%的高反膜；高反镜Ⅰ（11）与高反镜Ⅱ（12）平行放置且镀膜面朝向激光头（16），两者之间的距离与所等效的平平谐振腔的物理腔长相等，为200～800cm，两者距离激光头（16）内晶体棒两个端面的长度相同。
3.根据权利要求1所述的一种实现全固态激光器高功率输出的并联合束方法，其特征在于：所述的步骤1）中的透镜（15）由1片或多片、有效焦距f1介于50～200mm、表面镀射对0°入射的激光反射率小于1%的增透膜。
4.根据权利要求1所述的一种实现全固态激光器高功率输出的并联合束方法，其特征在于：所述的步骤1）中的激光头（16）为半导体激光泵源与参钕或参镱的激光晶体构成的集成模块。
5.根据权利要求1所述的一种实现全固态激光器高功率输出的并联合束方法，其特征在于：所述的步骤1）中的耦合输出镜（14）表面镀射有对激光器输出的激光具有10～50%反射率的反射膜，耦合输出镜（14）上的光斑中心与高反镜Ⅱ（12）的距离L11介于20～380mm，透镜（15）与耦合输出镜（14）上光斑中心的距离L12和高反镜Ⅲ（13）与透镜（15）之间的距离L13由以下数学关系确定：L12=f1----L11和L13=f1。
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