CN104028919B - 在线监测激光晶体透过率的焊接系统及其在线监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了在线监测激光晶体透过率的焊接系统及其在线监测方法，包括晶体焊接腔和在线监测系统，所述晶体焊接腔用于焊接晶体焊接腔内的激光晶体；所述在线监测系统用于向所述激光晶体发射探测激光束将探测激光束分束为经过激光晶体的探测激光和不经过激光晶体的参考激光，并根据经过激光晶体的探测激光的光强和不经过激光晶体的参考激光的光强比值，在线监测激光晶体的透过率。本发明的在线监测方法根据经过激光晶体的探测激光的光强和不经过激光晶体的参考激光的光强比值，在线监测激光晶体的透过率变化。本发明可实现晶体焊接全过程的实时监控，具有在线实时监控和适用范围广等特点，对改进焊接工艺提供了依据，并可提高晶体焊接成品率。
Description
技术领域
本发明涉及全固态激光器，特别是一种全固态激光器中用于焊接激光晶体与热沉的在线监测激光晶体透过率的焊接系统。
背景技术
全固态激光器（半导体激光泵浦的固体激光器，简称DPL）具有体积小、寿命长、效率高、光束质量高、稳定性好、可靠性高、维护方便及电驱动无污染等优点，是一个很重要的发展方向。激光器中的晶体采用与热沉用焊接的方法获得较好的冷却效果，从而实现高功率激光输出。焊接效果的好坏直接影响了激光器的输出功率和光束质量。焊接过程中加热温度、加热速率、降温速率等因素都可能使晶体的膜层受到影响，过高的加热温度可能使晶体的膜层破裂、脱落。加热速率和降温速率过快会使晶体产生应力，应力带来的形变使晶体膜层变形甚至破损。膜层损坏直接导致激光器输出功率降低。因此，通过焊接过程的晶体透过率的变化，可以改进焊接工艺，改善晶体焊接效果，实现实时在线反馈控制焊接过程。
现今，多采用焊后检测的方法来评价晶体的膜层情况，主要采用直接检测的方法，直接检测包括直接观察镀膜表面和用显微镜观察晶体镀膜面,如果膜层颜色发生变化、出现裂纹或起皮等，则说明膜层损坏。这些方法虽然直接的反映焊接对膜层的影响，但无法分析焊接步骤中哪些工艺过程造成膜层的损坏，也无法在晶体焊接过程中发现膜层是否出现损坏趋势。
为了分析晶体在焊接过程中由于过高温度或外部不均匀的热载荷的作用下产生的形变造成的晶体膜层损坏，需要在焊接过程中在线监测晶体膜层的变化，从而改进焊接工艺。同时在晶体焊接过程中发现膜层出现异样，及时调整工艺，防止晶体膜层损坏，提高晶体焊接成品率。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的之一在于提供一种在线监测激光晶体透过率的焊接系统，该装置根据监测激光晶体焊接中的激光光强的变化，从而对焊接过程晶体膜层的变化进行监测。本发明的另一目的在于提供一种上述焊接系统的在线监测方法。
为实现上述目的，本发明的在线监测激光晶体透过率的焊接系统，包括晶体焊接腔和在线监测系统，所述晶体焊接腔用于焊接晶体焊接腔内的激光晶体；所述在线监测系统用于向所述激光晶体发射探测激光束，将探测激光束分束为经过激光晶体的探测激光和不经过激光晶体的参考激光，并根据经过激光晶体的探测激光的光强和不经过激光晶体的参考激光的光强比值，在线监测激光晶体的透过率。
进一步，所述在线监测系统包括探测激光源、光束准直整形装置、分光镜和两个光强探测装置，所述探测激光源用于发射所述探测激光束；所述光束准直整形装置用于对探测激光束进行整形并向所述分光镜输出整形光束；所述分光镜用于将整形光束分为两束，一束激光束直接进入一光强探测装置，另一束激光束射入所述晶体焊接腔内的激光晶体，从激光晶体输出后进入另一光强探测装置；所述光强探测装置用于监测射入光强探测装置的激光束的光强。
进一步，所述探测激光源为气体激光器或固体激光器。
进一步，所述晶体焊接腔上设置有用于所述探测激光束输入至晶体焊接腔内的输入光通光窗和用于将通过激光晶体后的探测激光束向晶体焊接腔外输出的输出光通光窗；晶体焊接腔内设置有用于调整光束输出方向的反射镜，可使探测激光束射入焊接过程中的激光晶体。
进一步，所述输入光通光窗和输出光通光窗的材质为激光高透材料。
进一步，所述激光晶体可以为晶体圆棒、晶体板条或晶体盘片。
进一步，所述光强探测装置为功率计或光电探测器。
本发明的激光晶体焊接在线监测方法，包括以下步骤：1）向焊接过程中的激光晶体发射探测激光束，将探测激光束分束为经过激光晶体的探测激光和不经过激光晶体的参考激光；2）根据经过激光晶体的探测激光与不经过激光晶体的参考激光的光强的比值处理得到激光晶体的透过率。
进一步，步骤2）之后还包括步骤3）：调整激光晶体焊接的工作参数，并得到调整后的激光束的光强比值，根据工作参数调整前后的探测激光束的光强比值变化，监测激光晶体在焊接过程中的激光晶体的透过率变化。
进一步，激光晶体焊接的工作参数包括晶体焊接腔的加热温度、升温速率和降温速率。
本发明可以对激光晶体的焊接过程进行在线实时监测，能够根据监测的结果判断焊接过程中哪些工艺参数引起激光晶体膜层的变化，为改进激光晶体焊接工艺提供了依据。
附图说明
图1为本发明的在线监测激光晶体透过率的焊接系统的结构示意图；
图2为本发明实施例1的示意图；
图3为本发明实施例2的示意图；
图4为本发明实施例3的示意图；
图5为本发明实施例4的示意图；
图中主要部件的文字说明：1-激光源；2-光学准直整形装置；3-真空焊接炉腔；4-激光晶体；5-光强探测装置；7-分光镜；8-反射镜；91、92-真空焊接腔通光窗。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不是限制本发明的范围。
如图1所示，本发明的在线监测激光晶体透过率的焊接系统，包括激光源1、光束准直整形装置2、真空焊接腔3和光强探测装置5。在晶体焊接过程中激光源1输出一束稳定的激光光束，激光光束通过光束准直整形装置2整形后输出一光斑尺寸略小于晶体通光口径的光束，经准直整形后光束通过分光镜7将光束分为两束，其中一束激光束直接进入光强探测装置5，另一束激光束通过真空焊接腔的通光窗91进入真空焊接腔3内，通过腔内反射镜8将光束引入激光晶体4，光束经激光晶体4反射或透射后，由反射镜8和真空焊接腔的通光窗92引出真空焊接腔3，并进入另一光强探测装置5，根据两光强探测装置5监测到的射入激光晶体4前的探测激光的光强和射入激光晶体4后的探测激光的光强，通过两个光强比值的变化在线实时监测晶体的透过率的变化，反应晶体膜层的情况。再根据透过率变化数据调整焊接炉的加热、降温速率，加热温度等参数并监测晶体的透过率的变化，提高晶体焊接的成品率。
一般激光晶体4的形状为长方形、平行四边形或圆棒形。探测激光源可选择气体激光器、固体激光器或半导体激光器。在对晶体焊接过程进行监测时，根据晶体的形状不同，需要调整反射镜8的位置和角度使光束可以按顺序依次通过上述设备。输入光通光窗和输出光通光窗的材质为激光高透材料。激光晶体可选择地为晶体圆棒、晶体板条或晶体盘片。探测激光源1可选择地为气体激光器、固体激光器或半导体激光器。光强探测装置5可选择地为功率计或光电探测器。
实施例1
如图2所示，Nd:YAG平行四边形晶体板条与热沉单面焊接时的在线监测。激光晶体为晶体板条41，晶体板条41通光面25×3mm。激光源采用氦氖激光源11，输出波长为632.8nm单模激光光束，光束通过光束准直整形装置2输出光斑形状尺寸为20×2mm，经准直整形后光束通过分光镜7将光束分为两束，其中一束激光束直接进入功率计51，另一束激光束通过焊接腔的通光窗91进入焊接腔3内，光束通过腔内的晶体板条41后从通光窗92射出腔外，并进入另一功率计52，功率计51、52实时监控光束的光强变化。通光窗91、92的材料为石英玻璃，石英玻璃表面需要达到：石英玻璃表面镀632.8nm高透膜，透过率≥99%；直径≥50mm，平行度≤30″，粗糙度≤1nm；平面度≤λ/2632.8nm；光洁度≤60/40。反馈控制装置6根据功率计51、52实时监测的光强变化，经处理得到射入晶体板条41前的探测激光的光强和射入晶体板条41后的探测激光的光强比值变化，进而得到焊接过程中激光晶体的透过率的变化，再根据透过率变化数据调整焊接炉的加热、降温速率，炉内气压等参数并监测晶体的透过率的变化，以得到焊接工艺的最佳参数，提高晶体焊接成品率。
实施例2
如图3所示，Nd:YAG晶体圆棒与热沉焊接时的在线监测。激光晶体为晶体圆棒42，晶体圆棒42通光面Φ3mm。激光源采用氦氖激光源11，输出波长为632.8nm单模激光光束，光束通过光束准直整形装置2输出光斑形状尺寸为25mm，经准直整形后光束通过分光镜7将光束分为两束，其中一束激光束直接进入光电探测器53，另一束激光束通过焊接腔的通光窗91进入焊接腔3内，光束通过腔内的晶体圆棒42后从通光窗92射出腔外，并进入另一光电探测器54，光电探测器53、54实时监控光束的光强变化。通光窗91、92的材料为PC树脂材料，PC树脂材料表面需要达到：PC树脂材料表面镀632.8nm高透膜，透过率≥99%；直径≥50mm，平行度≤30″，粗糙度≤1nm；平面度≤λ/2632.8nm；光洁度≤60/40。反馈控制装置6根据光电探测器53、54实时监测的光强变化，经处理得到射入晶体圆棒42前的探测激光的光强和射入晶体圆棒42后的探测激光的光强比值变化，进而得到焊接过程中激光晶体的透过率的变化，再根据透过率变化数据调整焊接炉的加热、降温速率，炉内气压等参数并监测晶体的透过率的变化，以得到焊接工艺的最佳参数，提高晶体焊接成品率。
实施例3
如图4所示，Yb:YAG矩形晶体条与热沉双面焊接时的在线监测。Yb:YAG晶体板条与热沉单面焊接时的在线监测。激光晶体为晶体板条43，晶体板条43通光面15×2mm，通光面平行。激光源采用LD激光光源13，输出波长为637nm单模激光光束，平行光束通过光束准直整形装置2输出光斑形状尺寸为10×0.7mm，经准直整形后光束通过分光镜7将光束分为两束，其中一束激光束直接进入光电探测器53，另一束激光束通过焊接腔的通光窗91进入焊接腔3内，光束通过腔内的晶体板条43后从通光窗92射出腔外，并进入另一光电探测器54，光电探测器53、54实时监控光束的光强变化。通光窗91、92的材料为石英玻璃，石英玻璃表面需要达到：石英玻璃表面镀637nm高透膜，透过率≥99%；直径≥50mm，平行度≤30″，粗糙度≤1nm；平面度≤λ/2632.8nm；光洁度≤60/40。反馈控制装置6根据光电探测器53、54实时监测的光强变化，经处理得到射入晶体板条43前的探测激光的光强和射入晶体板条43后的探测激光的光强比值变化，进而得到焊接过程中激光晶体的透过率的变化，再根据透过率变化数据调整焊接炉的加热、降温速率，炉内气压等参数并监测晶体的透过率的变化，以得到焊接工艺的最佳参数，提高晶体焊接成品率。
实施例4
如图5所示，Nd:YAG矩形晶体盘片与热沉单面焊接时的在线监测。激光晶体为晶体盘片44，晶体盘片通光面Φ40mm。激光源采用1064nm激光光源14，输出波长为1064nm单模激光光束，平行光束通过光束准直整形装置2输出光斑形状尺寸为Φ15mm，经准直整形后光束通过分光镜7将光束分为两束，其中一束激光束直接进入功率计51，另一束激光束通过焊接腔的通光窗91进入焊接腔3内，光束经腔内的晶体盘片44反射后从通光窗92射出腔外，并进入另一功率计52，功率计51、52实时监控光束的光强变化。通光窗9的材料为PC树脂材料，PC树脂材料表面需要达到：PC树脂材料表面镀1064nm高透膜，透过率≥99%；直径≥50mm，平行度≤30″，粗糙度≤1nm；平面度≤λ/2632.8nm；光洁度≤60/40。反馈控制装置6根据功率计51、52实时监测的光强变化，经处理得到射入晶体盘片44前的探测激光的光强和射入晶体盘片44后的探测激光的光强比值变化，进而得到焊接过程中激光晶体的透过率的变化，再根据透过率变化数据调整焊接炉的加热、降温速率，炉内气压等参数并监测晶体的透过率的变化，以得到焊接工艺的最佳参数，提高晶体焊接成品率。
Claims (10)
1.一种在线监测激光晶体透过率的焊接系统，其特征在于，包括晶体焊接腔和在线监测系统，所述晶体焊接腔用于焊接晶体焊接腔内的激光晶体；所述在线监测系统用于向所述激光晶体发射探测激光束，将探测激光束分束为经过激光晶体的探测激光和不经过激光晶体的参考激光，并根据经过激光晶体的探测激光的光强和不经过激光晶体的参考激光的光强比值，在线监测激光晶体的透过率；根据透过率变化数据调整焊接炉的加热、降温速度、加热温度参数。
2.如权利要求1所述的焊接系统，其特征在于，所述在线监测系统包括探测激光源、光束准直整形装置、分光镜和两个光强探测装置，所述探测激光源用于发射所述探测激光束；所述光束准直整形装置用于对探测激光束进行整形并向所述分光镜输出整形光束；所述分光镜用于将整形光束分为两束，一束激光束直接进入一光强探测装置，另一束激光束经过所述晶体焊接腔内的激光晶体，从激光晶体输出后进入另一光强探测装置；所述光强探测装置用于监测射入光强探测装置的激光束的光强。
3.如权利要求2所述的焊接系统，其特征在于，所述探测激光源为气体激光器或固体激光器。
4.如权利要求1所述的焊接系统，其特征在于，所述晶体焊接腔上设置有用于所述探测激光束输入至晶体焊接腔内的输入光通光窗和用于将通过激光晶体后的探测激光束向晶体焊接腔外输出的输出光通光窗；晶体焊接腔内设置有用于调整光束输出方向的反射镜，可使探测激光束射入焊接过程中的激光晶体。
5.如权利要求4所述的焊接系统，其特征在于，所述输入光通光窗和输出光通光窗的材质为激光高透材料。
6.如权利要求1所述的焊接系统，其特征在于，所述光强探测装置为功率计或光电探测器。
7.如权利要求1所述的焊接系统，其特征在于，所述激光晶体为晶体圆棒、晶体板条或晶体盘片。
8.一种采用如权利要求1-7任一项所述的焊接系统对激光晶体焊接进行在线监测的方法，包括以下步骤：1)向焊接过程中的激光晶体发射探测激光束，将探测激光束分束为经过激光晶体的探测激光和不经过激光晶体的参考激光；2)根据经过激光晶体的探测激光与不经过激光晶体的参考激光的光强的比值处理得到激光晶体的透过率。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤2)之后还包括步骤3)：调整激光晶体焊接的工作参数，并得到调整后的激光束的光强比值，根据工作参数调整前后的探测激光束的光强比值变化，监测激光晶体在焊接过程中的激光晶体的透过率变化。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，激光晶体焊接的工作参数包括晶体焊接腔的加热温度、升温速率和降温速率。
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