CN105428979A - 一种端面泵浦拉丝模打孔激光器的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光器技术领域，具体公开一种端面泵浦拉丝模打孔激光器的设计方法。本发明设计的S1、脉宽控制：设计激光器光学腔的光程距离为350mm；S2、光纤耦合模块选取：提供激光上能级粒子数布局；S3、光纤耦合部分：采用1:0.7成像到Nd:YAG晶体进行泵浦；S4、激光晶体选取：采用一个单端键合的Nd:YAG晶体，键合面为泵浦光入射面；S5、光学谐振腔的设计；采用前、后两个腔镜为凸面镜的结构。本发明通过设置光学设计方案，使用键合晶体，减少端面热效应来提高光束质量。

Description

一种端面泵浦拉丝模打孔激光器的设计方法

技术领域

本发明涉及激光器技术领域，特别涉及一种端面泵浦拉丝模打孔激光器的设计方法。

背景技术

激光打孔是最早应用化的激光加工技术，也是激光加工的重要应用领域之一；激光打孔主要用于金属材料、轻金属材料、普通硬质合金材料以及非金属材料的加工。

激光打孔指激光经聚焦后作为高强度热源材料进行加热，使激光作用区域内材料融化或气化继而蒸发，而形成孔洞的激光加工过程。激光束在空间和时间上高度集中，利用透镜聚焦；将光斑直径缩小到105～1015W/cm2的激光功率密度。如此高的功率密度集合可对任何材料进行激光打孔。

精密拉丝模打孔激光器主要用于聚晶金刚石、人造金刚石、硬质合金、陶瓷材料进行拉丝模精密打孔。相对于机械打孔方式，激光打孔机具有速度快、效率高、家经济效益好；可获得大的深径比；可在硬、脆、软等材料上进行加工；无工具损耗。同时，适用于数量多，高密度的群孔加工；此外加工工件不存在工件污染问题等优点。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的缺陷，提供一种端面泵浦拉丝模打孔激光器的设计方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

S1、脉宽控制：设计激光器光学腔的光程距离为350mm；S2、光纤耦合模块选取：提供激光上能级粒子数布局；S3、光纤耦合部分：采用1:0.7成像到Nd:YAG晶体进行泵浦；S4、激光晶体选取：采用一个单端键合的Nd:YAG晶体，键合面为泵浦光入射面；S5、光学谐振腔的设计；采用前、后两个腔镜为凸面镜的结构。

一些实施例中，步骤S1中激光器光学腔的中间位置设置折转镜。

一些实施例中，所述光纤耦合模块选取进一步包括采用相干的FAP800-40W光纤耦合模块。

一些实施例中，所述光纤耦合模块为SMA头；泵浦光波长为808nm。

一些实施例中，所述激光晶体选取参数为长度2+18(mm)，直径Φ2mm，浓度0.4％。

一些实施例中，所述两凸面镜的曲率为R＝-4000mm，其中，所述两凸面镜一个为反射镜，另一个为T＝20％的输出镜。

一些实施例中，所述前后两个腔镜分别放置两个Φ0.8光阑。

本发明的有益效果在于：通过设置光学设计方案，使用键合晶体，减少端面热效应来提高光束质量。

附图说明

图1为根据本发明的激光光斑半径随热焦距变化示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

结合图1所示，本发明提供一种端面泵浦拉丝模打孔激光器的设计方法，包括：

S1、脉宽控制：本发明激光器设计要求为在最高功率5W的时候，出光脉宽为35ns10kHz，采用设计光学腔的光程距离为350mm。

由于光学腔中有声光Q晶体、Nd:YAG晶体等，实际几何距离比光程距离短，其几何距离为316mm。

由于整体光路过长，进一步地，激光器光学腔的中间位置设置折转镜，从而使激光器作的更加紧凑。

S2、光纤耦合模块选取：提供激光上能级粒子数布局，从而产生跃迁的激光。

通常使用的光纤耦合模块为Dilas的光纤耦合模块，但其通常有比较长的光纤尾纤，当光纤尾纤短于10m时，抖动光纤对激光功率是有较大影响的。为提高功率稳定性，减少光纤尾纤对功率起伏产生的影响，设计选用相干的FAP800-40W模块，该光纤耦合模块光纤为SMA头；泵浦光波长为808nm，不会有光纤尾纤对功率的影响。

S3、光纤耦合部分：采用1:0.7成像到Nd:YAG晶体进行泵浦。

其中，相干的FAP800-40W模块的线芯直径为800um，成像到Nd:YAG晶体中的理想成像为700um，由于具有像散等情况，成像光斑略大于理想光斑。此时，泵浦光光斑略大于激光光斑也是让基模进行起振，抑制高阶模的发生。

S4、激光晶体选取：

其中，激光晶体为产生激光的载体，晶体吸收泵浦光将基态粒子泵浦到激发态，通过受激辐射跃迁产生激光。激光晶体在吸收泵浦光产生激光的过程中由于量子缺陷效应，使一部分泵浦能量转化为热量。当激光正常工作的时候，激光晶体存在一定的温度梯度，由于温度梯度的存在从而产生了热透镜效应。本发明激光器的设计通过腔型的设计来使激光器稳定工作在不同泵浦光下。对于激光晶体泵浦方式的不同，激光器可以分为侧泵和端泵，通常端泵激光器的光斑质量会更优异一些。

端泵激光器在激光晶体的一侧或两侧注入非常高的能量，由于晶体的吸收，在激光晶体内部的径向和切向方向温度分布都不同，对于端面泵浦Nd:YAG晶体在不同的温度场下主要会产生三种效应，分别为热透镜效应，热致双折射效应和应力端面效用。

该热致双折射效应会使棒在径向和切向方向产生不同的位相延迟，主要表现为径向和切向的热透镜焦距不同，从而在远场的光斑发散角不同，在测量远场光斑的时候表现为近远场圆度不同。应力端面效应相当于将原平面面型变为抛物面，从而对光斑产生巨大的像散。

为解决端面效应，在晶体前端面键合一个未掺杂激活离子的基底材料。同时为设计高光束质量的激光器，选择激光晶体为一个单端键合的Nd:YAG晶体，键合面为泵浦光入射面。

采用键合晶体，解决泵浦端面的散热问题，降低端面效应和应力效应；降低整体的热焦距，提高激光器整体出光功率。

其中，该激光晶体参数为YAG+Nd:YAG，长度2+18(mm)，直径Φ2mm，浓度0.4％。该激光晶体的直径为Φ2mm，一方面，使晶体孔径产生自孔径限模，能够部分滤掉高阶膜；另一方面，小的直径更有利于激光晶体的散热。

S5、光学谐振腔的设计：采用前、后两个腔镜为凸面镜的结构。

由于整体的腔长比较长，为增加相应的菲涅尔散射作用，提高最高功率，将激光晶体放置于激光腔体的中间位置，能够使激光晶体泵浦入更多的功率，达到较小的热焦距，从而使激光达到高功率运转的目的。

由于本发明激光器为高光束质量激光器，根据菲涅尔衍射理论，只有当腔镜为凸面镜的时候，对TEM00模以外的高阶模产生的衍射效应最大的，采用前、后两个腔镜为凸面镜的结构。

其中，两个凸面镜的曲率为R＝-4000mm，其中一个为反射镜，另一个为T＝20％的输出镜。

当后腔镜和耦合输出镜都为凸面镜时，激光器的工作区间不是线性的。本发明激光器的另一个要求为线性工作，故激光器使用一种增加激光器阈值的方法，使激光器即能在非稳腔内线性工作，又能有非常好的模式选择功能。

具体为，激光横模在光学腔内满足两个分布方程，分别为厄米高斯和拉盖尔高斯。产生上述两种高斯形式不同的原因为衍射镜片形状的不同，描述激光横模分布的方程只是表达方式不同，在计算激光高阶模光斑直径的时候可近似认为两种形式是一致的。

高光束质量激光器为要激光器出射的光斑为基横模TEM00模，当理想TEM00模时候，光束质量为M²＝1，当高功率工作的时候，会有一些高阶模存在，这些高阶模在这个激光功率中会占有一定的分量，当分量值过高的时候，光斑质量严重恶化。

通常情况下，当M²<1.5时为基模激光器，制作一台M²<1.05的激光器比M²＝1.5的激光器苛刻的多。此时，提供光束质量要限制除TEM00以外的所以模式进行振荡，当以厄米高斯进行计算时，比TEM00模大一阶的高阶模式为TEM01(或TEM10)，而TEM01的光斑半径为TEM00光斑半径的倍。

$I_{mn}=\frac{A_{mn}^2{\mathrm{\&omega;}}_0^2}{{\mathrm{\&omega;}}^2}{H}_m^2\left(\frac{\sqrt{2}x}{\mathrm{\&omega;}}\right)H_n^2\left(\frac{\sqrt{2}y}{\mathrm{\&omega;}}\right)\exp \&lsqb;-\frac{2(x^2+y^2)}{{\mathrm{\&omega;}}^2}\&rsqb;\mathrm{...}\left(1\right)$

$T_{mn}=\frac{\&Integral;{\&Integral;}_s^s{H}_m^2\left(\frac{\sqrt{2}x}{\mathrm{\&omega;}}\right)H_n^2\left(\frac{\sqrt{2}y}{\mathrm{\&omega;}}\right)\exp \&lsqb;-\frac{2(x^2+y^2)}{{\mathrm{\&omega;}}^2}\&rsqb;dxdy}{{\&Integral;}_{-\mathrm{\&infin;}}^{+\mathrm{\&infin;}}{\&Integral;}_{-\mathrm{\&infin;}}^{+\mathrm{\&infin;}}{H}_m^2\left(\frac{\sqrt{2}x}{\mathrm{\&omega;}}\right)H_n^2\left(\frac{\sqrt{2}y}{\mathrm{\&omega;}}\right)\exp \&lsqb;-\frac{2(x^2+y^2)}{{\mathrm{\&omega;}}^2}\&rsqb;dxdy}\mathrm{...}\left(2\right)$

其中，公式1为多模光强分布公式，公式2为增加光阑后的透射率公式。高光束质量激光器可以在激光腔内放置光阑，使基模激光以较小的能量损耗通过，而让高阶模激光以较大的能量损耗损失掉，即较小的数值孔径能够增加激光的光束质量。在设计光阑大小时需要应用上面两个公式进行计算。

对于基模激光器，通常只考虑TEM01模对基模的影响，只要增加TEM01模的损耗，高阶模就不能够起振。此处选择孔位大小为基模光束的1.3倍，这样能够尽量增加基模的透过率，而减少高阶模的透过率。

当光阑为基模1.3倍时，基模的单程透过率根据公式2为98％，则循环工作后对应的腔内损耗为4％，该损耗能够产生激光输出，但是降低最大值功率。

当光阑为基模1.3倍时，TEM01模的单程透过率根据公式2为41％，则循环工作后对应的腔内损耗为83％，此时为极高的能量损耗，当泵浦功率比较低的时候，基本上TEM01基本上不起振；当泵浦功率非常高时，激光功率中会有较小的TEM01功率进行起振，只要保证在总功率范围内TEM01所占的比重非常小，能够使光束质量因子M²接近1。

依次类推，当光阑为基模1.3倍时，TEM11模更难以起振。在本发明中在前后腔镜位置处放置两个Φ0.8光阑，能够达到更好的光束质量。当增加光阑后实际上是增加激光器的腔内损耗，由于腔型设计为双凸非稳腔，该激光器就不能以线性方式进行工作，而增加小孔光阑即过滤了激光的高级模，又增加了激光的工作阈值，当激光工作阈值刚好落到激光器工作的稳区范围内的时候，激光器就能够线性工作。

如图1所示，为激光光斑半径随热焦距变化示意图，箭头位置为增加小孔光阑后的阈值位置，从图中可以看出从阈值开始到最大值位置，激光能够线性工作。

除增加小孔光阑能够提高光束质量外，还有一个提高光束质量的方法为在光路中放置偏振片。当放置小孔光阑后激光腔体内的光认为只有两个模式-TEM00和TEM01，其中TEM01的偏振态和TEM00的偏振态正好相反，在激光腔体内放置偏振片能够区分两个偏振状态，能够进一步提高光束质量。

本发明进一步还包括，热致双折射补偿：热致双折射效用会使棒在径向和切向方向产生不同的位相延迟，从而使径向和切向的热透镜焦距不同，在测量远场光斑的时候表现为近远场圆度不同，即会产生像散的情况。

高光束质量激光器设计中，当低功率运行时，实际上影响非常小，但是当中高功率的时候，像散产生的影响还是比较大的。如果存在像散即使光束质量M²很优异，在X、Y方向的结果都可以是很好，但是由于像散的存在，在同一基面上两维光束的圆度就会不同，从而表现为光斑质量不好。

由于拉丝模打孔激光器对激光的像散情况有一定的要求，在设计激光器时，需要将热致双折射进行补偿。通常补偿热致双折射方法为当两次通过晶体的时候将径向分量和切向方向进行调换，能够极大补偿双折射效应。

进一步地，进行补偿的方法为在晶体和后腔镜之间增加一个四分之一波片，可以将径向和切向进行调换。由于在腔内放置偏振片，而相互调换的偏振方向会使激光不发生激发，需要在偏振片和晶体之间增加一个光学装置进行方向转化，保证P光在腔内成腔振动。

通常增加的装置为四分之一波片和45°旋光片，此时四分之一波片的效果会更好一些。故使用四分之一波片对偏振方向进行调节，通过增加两个四分之一波片使热致双折射现象有极大的改善，当不增加两个四分之一波片时，在5W10kHz的时候，圆度为94％，像散为0.1。

当增加热致双折射补偿装置的时候圆度提高到97％，像散降低为0.03，而在低功率的时候圆度为99％～100％，像散<0.01，该方案对热致双折射补偿还是十分全面的。由于四分之一波片的制造精度会对激光偏振态产生影响，在激光成腔时会比较大的腔内损耗，以至于最高功率相对于没放置波片时候要低。

本发明从多个角度提高激光器的光束质量的方法，一、使用键合晶体，减少端面热效应来提高光束质量；二、使用Φ2mm的晶体棒进行自孔径选模；三、在腔镜的两侧使用两个凸面镜进行衍射选模提高光束质量；四、增加两个小孔光阑来过滤高级模；五、腔内放置偏振片，通过偏振的方式将基模筛选出来；六、放置两个四分之一波片，改善热致双折射和像散。、通过多种、光学手段，将光束质量在5W10kHz时，控制到M²<1.05，圆度>97％，像散<0.03，达到非常高的光束质量。此外在0～3W的功率范围内M²≈1.01，圆度>99％，像散<0.01，基本接近基模极限。

稳定性提高：激光稳定性的提高为控制控温点的温度，在本设计中具有控温点的地方为光纤耦合模块和Nd:YAG晶体，所以在关键点的位置使用TEC加热敏电阻的组合用于精确控制相应点的温度，其中温度控制精度为0.2℃，这样能够保证整体功率短期稳定性不变。激光器的稳定性除了要控制温度外，还需要控制整个腔体的形变量，使用的腔体需要充分的进行实效处理，这样能够保证整体功率的长期稳定性；此外所有光学镜架采用为不锈钢结构，也能够保证光学的长期稳定性。

高重频范围：本发明采用41M声光Q开光，结合Nd:YAG晶体的性能，整体重频范围为1kHz～30kHz，极高的重频能够提高加工速度。

本发明为极高光束质量，高脉冲稳定性、高重频范围、线性可调谐的拉丝模打孔激光器。该激光器设计采用端面泵浦Nd:YAG晶体，利用声光调Q原理产生高重频，脉宽35ns能够产生足够热量进行气化，同时工作区域从阈值开始线性可调谐，出光功为5W10kHz。

在光学设计中高光学质量与最高出光功率是一个相互矛盾的事情，需要在两者之间做一个取舍和平衡，而此款激光器在最高功率下仍然能到光束质量M²<1.05的结果，在功率低的时候光束质量接近于1，此为高光束质量设计结果。

在工程设计上在所有受温度影响的位置都增加了TEC控温装置，使激光器工作在稳定的温度，减少环境对关键器件温度漂移的影响。

本发明体激光器设计能够满足高精度拉丝模打孔激光器的使用，具有：超高的光束质量(低功率M²≈1，高功率M²<1.05，圆度>97％)；出光功率线性工作(0W～5W连续可调)；极高的功率稳定性(整体功率稳定性RMS<0.5％，脉冲稳定性PP<2.5％)；高重频工作(1kHz～30kHz)。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种端面泵浦拉丝模打孔激光器的设计方法，其特征在于，包括：

S1、脉宽控制：设计激光器光学腔的光程距离为350mm；

S2、光纤耦合模块选取：提供激光上能级粒子数布局；

S3、光纤耦合部分：采用1:0.7成像到Nd:YAG晶体进行泵浦；

S4、激光晶体选取：采用一个单端键合的Nd:YAG晶体，键合面为泵浦光入射面；

S5、光学谐振腔的设计；采用前、后两个腔镜为凸面镜的结构。

2.如权利要求1所述的端面泵浦拉丝模打孔激光器的设计方法，其特征在于，步骤S1中激光器光学腔的中间位置设置折转镜。

3.如权利要求1所述的端面泵浦拉丝模打孔激光器的设计方法，其特征在于，所述光纤耦合模块选取进一步包括采用相干的FAP800-40W光纤耦合模块。

4.如权利要求3所述的端面泵浦拉丝模打孔激光器的设计方法，其特征在于，所述光纤耦合模块为SMA头；泵浦光波长为808nm。

5.如权利要求1所述的端面泵浦拉丝模打孔激光器的设计方法，其特征在于，所述激光晶体选取参数为长度2+18(mm)，直径Φ2mm，浓度0.4％。

6.如权利要求1所述的端面泵浦拉丝模打孔激光器的设计方法，其特征在于，所述两凸面镜的曲率为R＝-4000mm，其中，所述两凸面镜一个为反射镜，另一个为T＝20％的输出镜。

7.如权利要求1所述的端面泵浦拉丝模打孔激光器的设计方法，其特征在于，所述前后两个腔镜分别放置两个Φ0.8光阑。

8.如权利要求1所述的端面泵浦拉丝模打孔激光器的设计方法，其特征在于，还包括所述热致双折射补偿：所述热致双折射补偿为当两次通过晶体时将径向分量和切向方向进行调换。

9.如权利要求8所述的端面泵浦拉丝模打孔激光器的设计方法，其特征在于，所述所述热致双折射补偿中补偿为在激光晶体和后腔镜之间增加一个四分之一波片。