CN104242041B - 一种基于偏振补偿器的1064nm与355nm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偏振补偿器的1064nm与355nm波长自由切换输出激光器，包括1064nm波长谐振腔、355nm波长谐振腔、用于产生激光的泵浦模块，用于泵浦模块产生的激光于1064nm波长谐振腔和355nm波长谐振腔之间切换的偏振补偿器型波长自由切换系统，以及设置于1064nm波长谐振腔和355nm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，特别涉及一种基于偏振补偿器的1064nm与355nm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LED显示屏、手机面板、液晶面板、陶瓷、玻璃、PCB板、太阳能电池片等非金属材料的切割、钻孔的355nm紫外激光加工系统。
但是目前大部分激光器要不是单一波长输出，例如，专利“一种全固态355nm激光器(CN201310389409.2)”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，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355nm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偏振补偿器的1064nm与355nm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：
一种基于偏振补偿器的1064nm与355nm波长自由切换输出激光器，包括1064nm波长谐振腔、355nm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355nm波长谐振腔之间切换的偏振补偿器型波长自由切换系统，以及设置于1064nm波长谐振腔和355nm波长谐振腔出口端的输出单元。
优选地，还包括全反镜和输出镜，所述全反镜的光轴与输出镜的光轴具有一夹角，所述1064nm波长谐振腔为由全反镜和输出镜构成的谐振腔。
优选地，还包括依次设置的折叠镜和凹面镜，所述折叠镜和凹面镜构成的光路的光轴与全反镜的光轴具有一夹角，所述355nm波长谐振腔为由全反镜和凹面镜构成的谐振腔。
优选地，所述355nm波长谐振腔的形状为V形结构。
优选地，还包括设于折叠镜和凹面镜之间的倍频单元，所述倍频单元包括依次设置的二倍晶体和三倍晶体，所述二倍晶体和三倍晶体构成的光路的光轴与折叠镜和凹面镜构成的光路的光轴共线。
优选地，所述偏振补偿器型波长自由切换系统设于全反镜的输出侧，包括依次设置的起偏器、补偿器和偏振分光棱镜，所述起偏器和补偿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，所述补偿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；且当补偿器产生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，当补偿器产生P偏振光时，该P偏振光经偏振分光棱镜输出至355nm波长谐振腔中产生355nm波长激光，当补偿器产生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355nm波长谐振腔中分别产生1064nm波长激光和355nm波长激光。
优选地，所述泵浦模块包括泵浦源和晶体，所述泵浦源和晶体分别设于全反镜的输入侧和输出侧，所述泵浦源与全反镜之间还设有耦合单元，所述耦合单元包括两个耦合镜。
优选地，还包括设于晶体与起偏器之间的Q开关。
优选地，所述输出单元包括反射镜和45°短通片，所述反射镜用于将输出镜所输出的1064nm激光反射至45°短通片，所述45°短通片用于输出反射镜所反射的1064nm激光或/和用于输出折叠镜所输出的355nm波长激光。
优选地，所述耦合镜的两面均镀有808nm增透膜；所述全反镜为平面镜，其左面镀有808nm增透膜，右面镀有808nm和1064nm高反膜；所述晶体的两面均镀有1064nm增透膜；所述补偿器的两面均镀有1064nm增透膜；所述偏振分光棱镜的三面均镀有1064nm增透膜；所述折叠镜为平凹镜，其凹面曲率半径为200mm，其凹面镀有1064nm、532nm高反膜和355nm增透膜，其平面镀有355nm高透膜；所述二倍晶体的双面均镀有1064nm、532nm和355nm增透膜；所述三倍晶体的双面均镀有1064nm、532nm和355nm增透膜；所述凹面镜的凹面曲率半径为50mm，其凹面镀有1064nm、532nm和355nm高反膜；所述45°短通片的左面镀有1064nm、532nm高反膜和355nm增透，其右面镀有1064nm高反膜和355nm高透膜；所述输出镜为平面输出镜，两面均镀有透过率为30％的1064nm透膜；所述反射镜的反射面镀有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是本发明所述基于偏振补偿器的1064nm与355nm波长自由切换输出激光器的原理图。
图2是本发明所述基于偏振补偿器的1064nm与355nm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是本发明所述基于偏振补偿器的1064nm与355nm波长自由切换输出激光器处于355nm波长谐振腔时的原理图。
附图标记说明：1、泵浦源，2、耦合镜，3、全反镜，4、晶体，5、Q开关，6、起偏器，7、补偿器，8、偏振分光棱镜，9、折叠镜，10、二倍晶体，11、三倍晶体，12、凹面镜，13、45°短通片，14、输出镜，15、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偏振补偿器的1064nm与355nm波长自由切换输出激光器，包括1064nm波长谐振腔、355nm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355nm波长谐振腔之间切换的偏振补偿器型波长自由切换系统，以及设置于1064nm波长谐振腔和355nm波长谐振腔出口端的输出单元。
具体的，在本发明中，还包括全反镜3和输出镜14，所述的全反镜3的光轴与输出镜14的光轴具有一夹角，所述的1064nm波长谐振腔为由全反镜3和输出镜14构成的谐振腔。
具体的，在本发明中，还包括依次设置的折叠镜9和凹面镜12，所述的折叠镜9和凹面镜12构成的光路的光轴与全反镜3的光轴具有一夹角，所述的355nm波长谐振腔为由全反镜3和凹面镜12构成的谐振腔。
作为优选，本实施例中所述的355nm波长谐振腔的形状为V形结构，即V形结构的折叠腔。
具体的，在本发明中，还包括设于折叠镜9和凹面镜12之间的倍频单元，所述倍频单元包括依次设置的二倍晶体10和三倍晶体11，所述二倍晶体10和三倍晶体11构成的光路的光轴与折叠镜9和凹面镜12构成的光路的光轴共线。
具体的，在本发明中，所述的偏振补偿器型波长自由切换系统设于全反镜3的输出侧，包括依次设置的起偏器6、补偿器7和偏振分光棱镜8，所述起偏器6和补偿器7构成的光路的光轴与全反镜3的光路共线，所述的起偏器6用于产生一线S偏振光，所述的补偿器7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；且当补偿器7产生S偏振光时，该S偏振光经偏振分光棱镜8输出至1064nm波长谐振腔中产生1064nm波长激光，当补偿器7产生P偏振光时，该P偏振光经偏振分光棱镜8输出至355nm波长谐振腔中产生355nm波长激光，当补偿器7产生S+P偏振光时，该S+P偏振光经偏振分光棱镜8输出至1064nm波长谐振腔和355nm波长谐振腔中分别产生1064nm波长激光和355nm波长激光。
具体的，在本发明中，所述的泵浦模块包括泵浦源1和晶体4，所述的泵浦源1和晶体4分别设于全反镜3的输入侧和输出侧，所述的泵浦源1与全反镜3之间还设有耦合单元，所述的耦合单元包括两个耦合镜2。
具体的，在本发明中，还包括设于晶体4与起偏器6之间的Q开关5。
具体的，在本发明中，所述的输出单元包括反射镜15和45°短通片13，所述的反射镜15用于将输出镜14所输出的1064nm激光反射至45°短通片13，所述的45°短通片13用于输出反射镜15所反射的1064nm激光或/和用于输出折叠镜9所输出的355nm波长激光。
本发明的基于偏振补偿器的1064nm与355nm波长自由切换输出激光器的工作原理为：由泵浦源1产生的泵浦光经耦合镜2对晶体4进行泵浦，光通过Q开关5调制用于产生脉冲激光，再经过起偏器6的作用产生线S偏振光(S偏振光振动方向垂直纸面)，通过补偿器7(补偿器7的长楔子相对于短楔子的位置移动可以调节延迟)从而调制光的偏振，进而产生S偏振光或S+P偏振光或P偏振光。
如果补偿器7调制生成只是S偏振光，则被偏振分光棱镜8全反射，通过输出镜14输出1064nm脉冲激光，再经过反射镜15、45°短通片13直接输出1064nm激光(如图2所示)；如果补偿器7调制生成只是P偏振光，P偏振光完全通过偏振分光棱镜8，全反镜3、折叠镜9和凹面镜12构成355nm折叠谐振腔，在Q开关5的调制下激光通过二倍晶体10和三倍晶体11，经过非线性频率变换后得到355nm紫外从折叠镜9、45°短通片13输出(如图3所示)；如果补偿器7调制生成S偏振光和P偏振光两种偏振光，则激光经过偏振分光棱镜8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355nm激光(如图1所示)。
在本发明中，补偿器7采用的是具有两楔子的补偿器，输出光中的波长比例是由补偿器7的两楔子位置决定，移动两光楔，厚度发生变化，可获得任意相位差，即获得不同的偏振态，偏振分光棱镜8能把入射的光分成两束线偏光，其中P偏振光完全通过，而S偏振光被全反射，这样整个激光器就可以通过补偿器的偏振态调制，控制是单独输出1064nm红外激光，还是单独输出355nm紫外激光，或者是两个波长同时输出，激光中的1064nm红外激光和355nm紫外激光比例可调。
作为优选，本实施例中的泵浦源1的输出功率为30W，中心波长808nm；而耦合单元由两个耦合镜2(片式透镜)组成，两个耦合镜2都均镀有808nm增透膜，将泵浦光聚焦到晶体4上，放大比例为1:2；所述的全反镜3为平面镜，其左面镀有808nm增透膜，右面镀有808nm和1064nm高反膜；所述的晶体4采用Nd:YAG晶体，掺杂浓度0.3％，规格3X3X10mm，两面均镀有1064nm增透膜；所述的Q开关5的超声频率40.68MHz，射频功率20W，双面均镀有1064nm增透膜；所述的补偿器7的两面均镀有1064nm增透膜；所述的偏振分光棱镜8的三面均镀有1064nm增透膜；所述的折叠镜9为平凹镜，其凹面曲率半径为200mm，其凹面镀有1064nm、532nm高反膜和355nm增透膜，其平面镀有355nm高透膜。
作为优选，本实施例中的二倍晶体10为LBO晶体，规格为3X3X20mm，双面均镀有1064nm、532nm和355nm增透膜，采用I临界相位匹配方式，切割角(θ＝90°，Φ＝12°)，三倍晶体11规格为3X3X15mm，双面均镀有1064nm、532nm、355nm增透膜，采用II类临界相位匹配方式，切割角(θ＝43.69°，Φ＝90°)；所述45°短通片13的左面镀有1064nm、532nm高反膜和355nm增透，其右面镀有1064nm高反膜和355nm高透膜；所述输出镜14为平面输出镜，两面均镀有透过率为30％的1064nm透膜；所述反射镜15的反射面镀有1064nm高反膜。
本发明的基于偏振补偿器的1064nm与355nm波长自由切换输出激光器的优点在于：1、采用端面泵浦、腔内倍频、“V”型三镜折叠谐振腔结构的方式，具有低功率泵浦、泵浦转换效率高、谐振腔损耗小，双通倍频、单向输出，频率变换转换效率高、体积小等优点，同时避免增益介质对倍频光的吸收；2、采用的1064nm和355nm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LED显示屏、手机面板、液晶面板、陶瓷、玻璃、PCB板、太阳能电池片等非金属材料的切割、钻孔，集成了此偏振补偿器型波长自由切换系统的激光器的加工设备，等于过去一台1064nm红外激光加工设备加上一台355nm紫外加工设备的功能，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355nm复合应用领域，例如印刷线路板刻蚀中采用1064nm对表面铜层去除加工，355nm紫外对表面铜层刻蚀，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、采用偏振补偿器作为波长自由选择的切换系统的核心部件，通过移动补偿器长楔子相对于短楔子的位置，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，这样只要外部控制补偿器楔子的电机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轴移动或者旋转等影响光轴的机械运动影响因素，即没有对位精度等影响。
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 (4)
1.一种基于偏振补偿器的1064nm与355nm波长自由切换输出激光器，其特征在于：包括1064nm波长谐振腔、355nm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355nm波长谐振腔之间切换的偏振补偿器型波长自由切换系统，以及设置于1064nm波长谐振腔和355nm波长谐振腔出口端的输出单元；还包括全反镜(3)和输出镜(14)，所述全反镜(3)的光轴与输出镜(14)的光轴具有一夹角，所述1064nm波长谐振腔为由全反镜(3)和输出镜(14)构成的谐振腔；还包括依次设置的折叠镜(9)和凹面镜(12)，所述折叠镜(9)和凹面镜(12)构成的光路的光轴与全反镜(3)的光轴具有一夹角，所述355nm波长谐振腔为由全反镜(3)和凹面镜(12)构成的谐振腔；所述355nm波长谐振腔的形状为V形结构；还包括设于折叠镜(9)和凹面镜(12)之间的倍频单元，所述倍频单元包括依次设置的二倍晶体(10)和三倍晶体(11)，所述二倍晶体(10)和三倍晶体(11)构成的光路的光轴与折叠镜(9)和凹面镜(12)构成的光路的光轴共线；所述偏振补偿器型波长自由切换系统设于全反镜(3)的输出侧，包括依次设置的起偏器(6)、补偿器(7)和偏振分光棱镜(8)，所述起偏器(6)和补偿器(7)构成的光路的光轴与全反镜(3)的光路共线，所述起偏器(6)用于产生一线S偏振光，所述补偿器(7)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；且当补偿器(7)产生S偏振光时，该S偏振光经偏振分光棱镜(8)输出至1064nm波长谐振腔中产生1064nm波长激光，当补偿器(7)产生P偏振光时，该P偏振光经偏振分光棱镜(8)输出至355nm波长谐振腔中产生355nm波长激光，当补偿器(7)产生S+P偏振光时，该S+P偏振光经偏振分光棱镜(8)输出至1064nm波长谐振腔和355nm波长谐振腔中分别产生1064nm波长激光和355nm波长激光；所述泵浦模块包括泵浦源(1)和晶体(4)，所述泵浦源(1)和晶体(4)分别设于全反镜(3)的输入侧和输出侧，所述泵浦源(1)与全反镜(3)之间还设有耦合单元，所述耦合单元包括两个耦合镜(2)。
2.根据权利要求1所述的基于偏振补偿器的1064nm与355nm波长自由切换输出激光器，其特征在于：还包括设于晶体(4)与起偏器(6)之间的Q开关(5)。
3.根据权利要求2所述的基于偏振补偿器的1064nm与355nm波长自由切换输出激光器，其特征在于：所述输出单元包括反射镜(15)和45°短通片(13)，所述反射镜(15)用于将输出镜(14)所输出的1064nm激光反射至45°短通片(13)，所述45°短通片(13)用于输出反射镜(15)所反射的1064nm激光或/和用于输出折叠镜(9)所输出的355nm波长激光。
4.根据权利要求3所述的基于偏振补偿器的1064nm与355nm波长自由切换输出激光器，其特征在于：所述耦合镜(2)的两面均镀有808nm增透膜；所述全反镜(3)为平面镜，其左面镀有808nm增透膜，右面镀有808nm和1064nm高反膜；所述晶体(4)的两面均镀有1064nm增透膜；所述补偿器(7)的两面均镀有1064nm增透膜；所述偏振分光棱镜(8)的三面均镀有1064nm增透膜；所述折叠镜(9)为平凹镜，其凹面曲率半径为200mm，其凹面镀有1064nm、532nm高反膜和355nm增透膜，其平面镀有355nm高透膜；所述二倍晶体(10)的双面均镀有1064nm、532nm和355nm增透膜；所述三倍晶体(11)的双面均镀有1064nm、532nm和355nm增透膜；所述凹面镜(12)的凹面曲率半径为50mm，其凹面镀有1064nm、532nm和355nm高反膜；所述45°短通片(13)的左面镀有1064nm、532nm高反膜和355nm增透，其右面镀有1064nm高反膜和355nm高透膜；所述输出镜(14)为平面输出镜，两面均镀有透过率为30％的1064nm透膜；所述反射镜(15)的反射面镀有1064nm高反膜。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20210219 Address after: 510000 101, No.7 caipin Road, Science City, Guangzhou hi tech Industrial Development Zone, Guangdong Province Patentee after: Guangzhou Sanyi Laser Technology Co.,Ltd. Address before: Room 201, building F, Guangdong Software Science Park, 11 caipin Road, Guangzhou Science City, Guangzhou, Guangdong 510000 Patentee before: ANTE LASER Co.,Ltd. |
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| TR01 | Transfer of patent right |