CN104242035A - 基于液晶可变相位延迟器的1064nm与532nm波长自由切换输出激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于液晶可变相位延迟器的1064nm与532nm波长自由切换输出激光器，包括1064nm波长谐振腔、532nm波长谐振腔、用于产生激光的泵浦模块，用于将泵浦模块产生的激光于1064nm波长谐振腔和532nm波长谐振腔之间切换的液晶可变相位延迟器型波长自由切换系统，以及设置于1064nm波长谐振腔和532nm波长谐振腔出口端的输出单元。本发明可根据需要改变输出波长以满足加工多样性，具有光学耦合简单、结构紧凑、热效应小且比较均匀、倍频效率高、激光器稳定性好等特点。
Description
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，更具体地说，特别涉及一种基于液晶可变相位延迟器的1064nm与532nm波长自由切换输出激光器。
背景技术
激光加工技术作为先进制造技术之一，在传统产业改造、加工技术革新、国防信息化等方面发挥着重要作用，激光被誉为“万能加工工具”、未来制造系统的共同加工手段。例如近年来，广泛应用于薄钢板、不锈钢、铝合金板、硬质合金等金属材料的切割、打标、冲孔的1064nm红外激光加工系统；以及最近几年逐渐兴起用于以及最近几年逐渐兴起用于陶瓷片、玻璃、PCB板、太阳能电池片等材料的532nm绿光激光加工系统。
但是目前大部分激光器要不是单一波长输出，例如，专利“一种532nm绿光激光器(CN201320703515.9)”等，要么是双波长同时输出，如专利“红绿双波长激光器”(CN02117364.8)等，不能自由切换选择某一波长输出或者选择双波长同时输出，即使目前有选择波长输出的激光器也是几种波长分几路分别同时输出，相当于几台激光器同时使用，如专利“一种风速仪用三端输出双532nm与808nm波长光纤激光”(CN201320659650.8)等，无法实现一棒多波长输出技术，使得激光器应用起来比较繁琐，不利于工业化现场的应用。
因此，有必要研究一种1064nm及532nm自由切换的激光器，可根据需要改变输出波长，满足加工的多样性的需要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可根据需要改变输出波长以满足加工多样性的基于液晶可变相位延迟器的1064nm与532nm波长自由切换输出激光器。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于液晶可变相位延迟器的1064nm与532nm波长自由切换输出激光器，包括1064nm波长谐振腔、532nm波长谐振腔、用于产生激光的泵浦模块，用于将泵浦模块产生的激光于1064nm波长谐振腔和532nm波长谐振腔之间切换的液晶可变相位延迟器型波长自由切换系统，以及设置于1064nm波长谐振腔和532nm波长谐振腔出口端的输出单元。
优选地，还包括依次设置的全反镜、谐波镜和第一输出镜，所述全反镜、谐波镜和第一输出镜处于同一光轴上，所述532nm波长谐振腔为由全反镜、谐波镜和第一输出镜构成的谐振腔，所述液晶可变相位延迟器型波长自由切换系统设于全反镜和谐波镜之间，所述泵浦模块设于全反镜与液晶可变相位延迟器型波长自由切换系统之间。
优选地，还包括设于全反镜输出侧的第二输出镜，所述全反镜的光轴与第二输出镜的光轴相互垂直，所述1064nm波长谐振腔为由全反镜和第二输出镜构成的谐振腔。
优选地，所述液晶可变相位延迟器型波长自由切换系统包括依次设置的起偏器、液晶可变相位延迟器和偏振分光棱镜，所述起偏器和液晶可变相位延迟器构成的光路的光轴与全反镜的光路共线，所述起偏器用于产生一线S偏振光，所述液晶可变相位延迟器用于调制光的偏振以产生S偏振光、S+P偏振光或P偏振光；在液晶可变相位延迟器在未加载电压时，产生S偏振光，在液晶可变相位延迟器在加载电压时，产生P偏振光或S+P偏振光；且当液晶可变相位延迟器产生S偏振光时，该S偏振光经偏振分光棱镜输出至1064nm波长谐振腔中产生1064nm波长激光，当液晶可变相位延迟器产生P偏振光时，该P偏振光经偏振分光棱镜输出至532nm波长谐振腔中产生532nm波长激光，当液晶可变相位延迟器产生S+P偏振光时，该S+P偏振光经偏振分光棱镜输出至1064nm波长谐振腔和532nm波长谐振腔中分别产生1064nm波长激光和532nm波长激光。
优选地，所述泵浦模块包括泵浦源和晶体，所述泵浦源和晶体形成侧面抽运模块式结构。
优选地，还包括设于全反镜与晶体之间的Q开关。
优选地，还包括设于谐波镜和第一输出镜之间的倍频晶体。
优选地，所述输出单元为二向色镜，所述第二输出镜与二向色镜之间还依次设有第一反射镜和第二反射镜，所述二向色镜用于输出第一输出镜所输出的532nm波长激光或/和用于输出第二反射镜所反射的1064nm波长激光。
优选地，所述全反射为平面镜，其右面镀有1064nm高反膜；所述晶体的两面均镀1064nm增透膜；所述起偏器的两面和液晶可变相位延迟器的两面均镀有1064nm增透膜，所述偏振分光棱镜的三面均镀有1064nm增透膜；所述谐波镜为平面镜，其右面镀有1064增透膜，其左面镀有1064nm高透膜和532nm高反膜；所述倍频晶体的两面均镀有1064nm和532nm增透膜；所述第一输出镜为平面镜，其两面均镀有1064nm高反和532nm高透膜；所述第二输出镜为平面镜，其两面均镀有透过率为30％的1064nm透膜；所述二向色镜的左面镀有1064nm高反膜、532nm增透，其右面镀有1064nm高反膜和532nm高透膜；所述第一反射镜和第二反射镜的反射面均镀1064nm高反膜。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明可根据需要改变输出波长以满足加工多样性，具有光学耦合简单、结构紧凑、热效应小且比较均匀、倍频效率高、激光器稳定性好等特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明所述基于液晶可变相位延迟器的1064nm与532nm波长自由切换输出激光器的原理图。
图2是本发明所述基于液晶可变相位延迟器的1064nm与532nm波长自由切换输出激光器处于1064nm波长谐振腔时的原理图。
图3是本发明所述基于液晶可变相位延迟器的1064nm与532nm波长自由切换输出激光器处于532nm波长谐振腔时的原理图。
附图标记说明：1、全反镜，2、Q开关，3、泵浦源，4、晶体，5、起偏器，6、液晶可变相位延迟器，7、偏振分光棱镜，8、谐波镜，9、倍频晶体，10、第一输出镜，11、二向色镜，12、第二输出镜，13、第一反射镜，14、第二反射镜。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
参阅图1所示，本发明提供一种基于液晶可变相位延迟器的1064nm与532nm波长自由切换输出激光器，包括1064nm波长谐振腔、532nm波长谐振腔、用于产生激光的泵浦模块，用于将泵浦模块产生的激光于1064nm波长谐振腔和532nm波长谐振腔之间切换的液晶可变相位延迟器型波长自由切换系统，以及设置于1064nm波长谐振腔和532nm波长谐振腔出口端的输出单元。
具体的，在本发明中，还包括依次设置的全反镜1、谐波镜8和第一输出镜10，所述全反镜1、谐波镜8和第一输出镜10处于同一光轴上，所述的532nm波长谐振腔为由全反镜1、谐波镜8和第一输出镜10构成的谐振腔，所述的液晶可变相位延迟器型波长自由切换系统设于全反镜1和谐波镜8之间，所述的泵浦模块设于全反镜1与液晶可变相位延迟器型波长自由切换系统之间。
具体的，在本发明中，还包括设于全反镜1输出侧的第二输出镜12，所述的全反镜1的光轴与第二输出镜12的光轴相互垂直，所述的1064nm波长谐振腔为由全反镜1和第二输出镜12构成的谐振腔。
具体的，在本发明中，所述的液晶可变相位延迟器型波长自由切换系统包括依次设置的起偏器5、液晶可变相位延迟器6和偏振分光棱镜7，所述的起偏器5和液晶可变相位延迟器6构成的光路的光轴与全反镜1的光路共线，所述的起偏器5用于产生一线S偏振光，所述的液晶可变相位延迟器6用于调制光的偏振以产生S偏振光、S+P偏振光或P偏振光；在液晶可变相位延迟器7在未加载电压时，产生S偏振光，在液晶可变相位延迟器7在加载电压时，产生P偏振光或S+P偏振光；且当液晶可变相位延迟器6产生S偏振光时，该S偏振光经偏振分光棱镜7输出至1064nm波长谐振腔中产生1064nm波长激光，当液晶可变相位延迟器6产生P偏振光时，该P偏振光经偏振分光棱镜7输出至532nm波长谐振腔中产生532nm波长激光，当液晶可变相位延迟器6产生S+P偏振光时，该S+P偏振光经偏振分光棱镜7输出至1064nm波长谐振腔和532nm波长谐振腔中分别产生1064nm波长激光和532nm波长激光。
具体的，在本发明中，所述的泵浦模块包括泵浦源3和晶体4，所述的泵浦源3和晶体4形成侧面抽运模块式结构。
具体的，在本发明中，还包括设于全反镜1与晶体4之间的Q开关2。
具体的，在本发明中，还包括设于谐波镜8和第一输出镜10之间的倍频晶体9。
具体的，在本发明中，所述的输出单元为二向色镜11，所述的第二输出镜12与二向色镜11之间还依次设有第一反射镜13和第二反射镜14，所述的二向色镜11用于输出第一输出镜10所输出的532nm波长激光或/和用于输出第二反射镜14所反射的1064nm波长激光。
本发明的基于液晶可变相位延迟器的1064nm与532nm波长自由切换输出激光器的工作原理为：由泵浦源3产生的泵浦光对晶体4进行侧面泵浦，光通过Q开关2调制用于产生脉冲激光，再经过起偏器5作用下产生S偏振光(S偏振光振动方向垂直纸面)，在未加电压的情况下，线偏振光直接通过液晶可变相位延迟器6，偏振方向不变；加上交流电压后，液晶分子会根据所加电压的均方根值改变默认取向，因此，线偏振光束的相位差可通过改变所加的电压进行主动控制，即光的偏振方向发生变化。
如果液晶可变相位延迟器6在未加电压的情况下，线偏振光直接通过，偏振方向不变，调制生成只是S偏振光，S偏振光以45度角被偏振分光棱镜7反射，出射方向与原光轴成90°，通过第二输出镜12输出1064nm脉冲激光，再经过第一反射镜13、第二反射镜14、二向色镜11直接输出1064nm激光，其中全反镜1和第二输出镜12构成一个1064nm谐振腔(图2所示)；如果液晶可变相位延迟器6加上交流电压后，液晶分子会根据所加电压的均方根值改变偏振方向调制生成只是P偏振光，P偏振光完全通过偏振分光棱镜7，振荡于由全反镜1和第一输出镜10构成532nm波长谐振腔中，在Q开关2的调制下，4晶体发射的1064nm波长激光通过谐波镜8、倍频晶体9，经过非线性频率变换后得到532nm绿光，再经过第一输出镜10、二向色镜11输出(图3所示)；如果液晶可变相位延迟器6加上交流电压后，液晶分子会根据所加电压的均方根值改变偏振方向调制生成既有S偏振光又有P偏振光，则激光经过偏振分光棱镜7产生两路线偏光，分光后，S偏振光和P偏振光分别沿着各自的光路传输，分别产生1064nm和532nm激光(图1所示)。
在本发明中，输出光中的波长比例是由液晶可变相位延迟器6所加电压决定，电压变化可获得任意相位差，即获得不同的偏振态，偏振分光棱镜7能把入射的光分成两束垂直的线偏光，其中P偏振光完全通过，而S偏振光以45度角被反射，出射方向与P偏振光成90度角，这样整个激光器就可以通过液晶可变相位延迟器6的偏振态调制，控制是单独输出1064nm红外激光，还是单独输出532nm激光，或者是两个波长同时输出，且激光中的1064nm红外激光和532nm绿光比例可调。
作为优选，本实施例中所述的全反射1为平面镜，其右面镀有1064nm高反膜；所述的Q开关2的超声频率27.12MHz，射频功率50W，双面镀有1064nm增透膜。
作为优选，所述的泵浦源3和晶体4采用的是侧面抽运模块，其最大输出功率58W，整个组件采用三个等间距的抽运激光二极管阵列，安装三角形等间距排列抽运棒状Nd:YAG晶体，激光晶体棒尺寸为Φ4X97mm。掺杂浓度0.8％，中心波长1064nm，晶体4的两面镀1064nm增透膜；所述起偏器5的两面均镀有1064nm增透膜，液晶可变相位延迟器6可以购买，且在液晶可变相位延迟器6的两面也均镀有1064nm增透膜；所述偏振分光棱镜7的三面均镀有1064nm增透膜；所述谐波镜8为平面镜，其右面镀有1064增透膜，其左面镀有1064nm高透膜和532nm高反膜；所述的倍频晶体9采用II类相位匹配的KTP晶体，KTP尺寸为4x4x10mm，切割角(θ＝90°，Φ＝23.5°)，双面镀有1064nm和532nm增透膜；所述第一输出镜10为平面镜，其两面均镀有1064nm高反和532nm高透膜；所述的二向色镜11左面镀有1064nm高反膜、532nm增透，右面镀有1064nm高反膜和532nm高透膜；所述的第二输出镜12为平面镜，其两面均镀有透过率为30％的1064nm透膜；所述的第一反射镜13和第二反射镜14的反射面均镀1064nm高反膜。
本发明的基于液晶可变相位延迟器的1064nm与532nm波长自由切换输出激光器的优点为：1、采用侧面泵浦、腔内倍频、直腔的结构方式，具有光学耦合简单、结构紧凑、热效应小且比较均匀、倍频效率高、激光器稳定性好等特点，泵浦源的个数与激光棒的表面积相对成比例，可以简单的增加激光工作物质的长度和泵浦源数量来提高输出功率，所以激光输出功率高；2、采用的1064nm和532nm两个波长，是目前激光加工应用中最为广泛的波长，能够满足薄钢板、不锈钢、铝合金板、硬质合金等金属材料的切割、打标、冲孔；以及陶瓷片、玻璃、PCB板、太阳能电池片等非金属材料的切割、钻孔，集成了液晶可变相位延迟器型波长自由切换系统的输出激光器的加工设备，等于过去一台1064nm红外激光加工设备加上一台532nm绿光加工设备的功能，两波长输出同轴，这样加工设备采用的光学系统只需一套，价格将大大降低，同时减少设备占用的生产空间。特别是在1064nm和532nm复合应用领域，加工件一次装卡，无需重新定位就可以完成几道工序，减少了加工工序，减少生产时间，提高工作效率；3、采用液晶可变相位延迟器6作为波长自由选择的切换系统的核心部件，通过改变加压在液晶可变相位延长器上的电压，到达对光路相位延迟的调节，从而调制光的偏振，不同偏振光通过偏振分光棱镜，具有不同的出射角进而分成两路光，这样只要外部控制液晶可变相位延长器的电压就可以自由切换波长，实现一棒多波长输出技术，使得激光器应用起来比较方便，有利于工业化现场的应用，满足加工的多样性需要；4、在双波长输出时，其两波长的在一束光中各占有比例也是精确可控，而且切换过程不存在光学元件的机械运动影响因素，只要调节控制电压，可获得较高的控制精度。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是专利所有者可以在所附权利要求的范围之内做出各种变形或修改，只要不超过本发明的权利要求所描述的保护范围，都应当在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于液晶可变相位延迟器的1064nm与532nm波长自由切换输出激光器，其特征在于：包括1064nm波长谐振腔、532nm波长谐振腔、用于产生激光的泵浦模块，用于将泵浦模块产生的激光于1064nm波长谐振腔和532nm波长谐振腔之间切换的液晶可变相位延迟器型波长自由切换系统，以及设置于1064nm波长谐振腔和532nm波长谐振腔出口端的输出单元。
2.根据权利要求1所述的基于偏振补偿器的1064nm与532nm波长自由切换输出激光器，其特征在于：还包括依次设置的全反镜(1)、谐波镜(8)和第一输出镜(10)，所述全反镜(1)、谐波镜(8)和第一输出镜(10)处于同一光轴上，所述532nm波长谐振腔为由全反镜(1)、谐波镜(8)和第一输出镜(10)构成的谐振腔，所述液晶可变相位延迟器型波长自由切换系统设于全反镜(1)和谐波镜(8)之间，所述泵浦模块设于全反镜(1)与液晶可变相位延迟器型波长自由切换系统之间。
3.根据权利要求2所述的基于偏振补偿器的1064nm与532nm波长自由切换输出激光器，其特征在于：还包括设于全反镜(1)输出侧的第二输出镜(12)，所述全反镜(1)的光轴与第二输出镜(12)的光轴相互垂直，所述1064nm波长谐振腔为由全反镜(1)和第二输出镜(12)构成的谐振腔。
4.根据权利要求3所述的基于偏振补偿器的1064nm与532nm波长自由切换输出激光器，其特征在于：所述液晶可变相位延迟器型波长自由切换系统包括依次设置的起偏器(5)、液晶可变相位延迟器(6)和偏振分光棱镜(7)，所述起偏器(5)和液晶可变相位延迟器(6)构成的光路的光轴与全反镜(1)的光路共线，所述起偏器(5)用于产生一线S偏振光，所述液晶可变相位延迟器(6)用于调制光的偏振以产生S偏振光、S+P偏振光或P偏振光；在液晶可变相位延迟器(7)在未加载电压时，产生S偏振光，在液晶可变相位延迟器(7)在加载电压时，产生P偏振光或S+P偏振光；且当液晶可变相位延迟器(6)产生S偏振光时，该S偏振光经偏振分光棱镜(7)输出至1064nm波长谐振腔中产生1064nm波长激光，当液晶可变相位延迟器(6)产生P偏振光时，该P偏振光经偏振分光棱镜(7)输出至532nm波长谐振腔中产生532nm波长激光，当液晶可变相位延迟器(6)产生S+P偏振光时，该S+P偏振光经偏振分光棱镜(7)输出至1064nm波长谐振腔和532nm波长谐振腔中分别产生1064nm波长激光和532nm波长激光。
5.根据权利要求4所述的基于偏振补偿器的1064nm与532nm波长自由切换输出激光器，其特征在于：所述泵浦模块包括泵浦源(3)和晶体(4)，所述泵浦源(3)和晶体(4)形成侧面抽运模块式结构。
6.根据权利要求5所述的基于偏振补偿器的1064nm与532nm波长自由切换输出激光器，其特征在于：还包括设于全反镜(1)与晶体(4)之间的Q开关(2)。
7.根据权利要求6所述的基于偏振补偿器的1064nm与532nm波长自由切换输出激光器，其特征在于：还包括设于谐波镜(8)和第一输出镜(10)之间的倍频晶体(9)。
8.根据权利要求7所述的基于偏振补偿器的1064nm与532nm波长自由切换输出激光器，其特征在于：所述输出单元为二向色镜(11)，所述第二输出镜(12)与二向色镜(11)之间还依次设有第一反射镜(13)和第二反射镜(14)，所述二向色镜(11)用于输出第一输出镜(10)所输出的532nm波长激光或/和用于输出第二反射镜(14)所反射的1064nm波长激光。
9.根据权利要求8所述的基于偏振补偿器的1064nm与532nm波长自由切换输出激光器，其特征在于：所述全反射(1)为平面镜，其右面镀有1064nm高反膜；所述晶体(4)的两面均镀1064nm增透膜；所述起偏器(5)的两面和液晶可变相位延迟器(6)的两面均镀有1064nm增透膜，所述偏振分光棱镜(7)的三面均镀有1064nm增透膜；所述谐波镜(8)为平面镜，其右面镀有1064增透膜，其左面镀有1064nm高透膜和532nm高反膜；所述倍频晶体(9)的两面均镀有1064nm和532nm增透膜；所述第一输出镜(10)为平面镜，其两面均镀有1064nm高反和532nm高透膜；所述第二输出镜(12)为平面镜，其两面均镀有透过率为30％的1064nm透膜；所述二向色镜(11)的左面镀有1064nm高反膜、532nm增透，其右面镀有1064nm高反膜和532nm高透膜；所述第一反射镜(13)和第二反射镜(14)的反射面均镀1064nm高反膜。
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