CN106785826A - 光束质量控制装置及应用其的激光谐振腔及固体激光器 - Google Patents

Abstract

一种光束质量控制装置及应用其的激光谐振腔及固体激光器。其中光束质量控制装置包括一支架和固定于该支架上的面板，面板上有一小孔，光束通过小孔进行选模以实现光束质量的控制，面板背面具有一环形水槽，且面板侧面具有一进水口和一出水口，进水口和出水口与环形水槽相通。由此提出的激光器谐振腔及固体激光器按照设定的位置排布，可以在不减少最高输出功率的情况下，大幅提升激光谐振腔的光束质量。同时，由于光束质量控制器的作用，将激光在谐振腔镜上的光斑在不同电流下保持一致，方便后续的光路准直，减少光纤耦合系统的损耗。本发明光路简明，结构紧凑，方便调节，配合高效的水循环冷却设计保证了高功率激光的长时间稳定工作。

Description

光束质量控制装置及应用其的激光谐振腔及固体激光器

技术领域

本发明属于高功率激光领域，更具体地涉及一种光束质量控制装置及应用其的激光谐振腔及固体激光器。

背景技术

激光加工已经到了柔性加工和精密加工的阶段，所以需要激光器可以通过细的光纤芯径传输高功率的激光。当前在高功率激光谐振腔中主要使用平面镜作为谐振腔镜，但是平平腔的光束质量随着泵浦功率的升高出现先变差再变好的趋势，使得高功率时激光的光束质量达不到进入光纤的标准，通常最差的光束质量决定了光纤的选择，而在光束质量差的功率段进行光纤耦合的损耗很大，无法保证长时间稳定的工作，对于现代7*24小时的加工方式已经不适用。所以需要一种方法在保证高功率的前提下提高光束质量。

现有的激光谐振腔普遍存在各种问题，光束质量好的固体激光器一般功率不高；功率大于3000W的高功率激光器的光束质量又无法满足如400μm以下光纤耦合输出的要求；而高光束质量的高功率激光器，如碟片激光器或光纤激光器等，又需要相对复杂的技术，且国内做的也不是很理想。

发明内容

基于上述技术问题，本发明的主要目的在于提出一种光束质量控制装置及应用其的激光谐振腔及固体激光器，用于解决以上技术问题的至少之一。

为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，本发明提出一种光束质量控制装置，包括一支架和固定于该支架上的面板，该面板上形成有一允许光束通过的小孔，光束通过小孔后被滤掉高阶模以实现光束质量的控制；该面板上还形成有液体冷却通道及冷却液输入口和冷却液输出口，用于对该面板进行冷却。

进一步地，上述小孔的直径为光束光斑大小的1.2～1.5倍。

进一步地，上述小孔的迎光面具有一倒角。

进一步地，上述固定于支架上的面板为长宽均等的长方体结构。

进一步地，上述光束质量控制装置由紫铜材料形成，且面板的表面经过发黑处理。

为了实现上述目的，作为本发明的另一个方面，本发明提出一种基于光束质量控制装置的激光谐振腔，采用上述的光束质量控制装置，包括两个谐振腔镜架、两个光束质量控制装置、一高反镜和一输出镜，高反镜固定于第一谐振腔镜架上，输出镜固定于第二谐振腔镜架上，两个光束质量控制装置分别位于高反镜和输出镜的内侧，且两个光束质量控制装置的背光面分别靠近高反镜和输出镜。

进一步地，上述谐振腔镜架包括一镜片支架、一镜片调节板和一调节螺杆，镜片调节板内部具有一水冷通道，用于通水冷却。

进一步地，上述调节螺杆由一调节器固定，调节螺杆的螺纹螺距为0.25mm。

进一步地，上述两个光束质量控制装置分别与高反镜和输出镜的距离小于10mm。

本发明还提出一种固体激光器，采用上述的基于光束质量控制装置的激光谐振腔。

本发明提出的光束质量控制装置及应用其的激光谐振腔及固体激光器具有以下有益效果：

1、本发明的光束质量控制装置，由于其面板上具有一小孔，可对通过其的光束进行选模，使得光束的光斑可控制在与小孔相同的大小，从而在发散角不变的情况下，使得光束质量得到提高，光束质量高低取决于光束质量控制装置面板上的小孔大小；

2、本发明采用光束质量控制装置的激光谐振腔，当激光在谐振腔内开始振荡后，输出镜和高反镜上的光斑被控制在小孔大小的范围内，比未安装控制器时的光斑小了很多，起到了选模的作用，所以光束质量被控制在一个比较好的程度上，且激光腔内有较强的杂散光被光束质量控制装置吸收；

3、固体激光器采用具有光束质量控制装置的激光谐振腔，由于光束质量得到提高，因此固体激光器的出射激光可以注入芯径更细的光纤中，同时可保证激光在谐振腔镜上的光斑在不同电流下保持一致，在谐振腔后采用4f系统对激光光束进行扩束，可以在各功率段得到相同的光斑输出，方便后续的耦合工作。

附图说明

图1是本发明一实施例提出的光束质量控制装置的的结构示意图；

图2是本发明一实施例提出的基于光束质量控制装置的激光谐振腔的的结构示意图；

图3是图2中激光谐振腔中谐振腔镜架的结构示意图；

图4是本发明图3中谐振腔镜架与光束质量控制装置的组合结构示意图；

图5是本发明一实施例提出的固体激光器的结构示意图；

图6是本发明一实施例提出的固体激光器的应用示例图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明公开了一种光束质量控制装置，包括一支架和固定于该支架上的面板，该面板上形成有一允许光束通过的小孔，光束通过小孔后被滤掉高阶模以实现光束质量的控制；该面板上还形成有液体冷却通道及冷却液输入口和冷却液输出口，用于对该面板进行冷却。

上述小孔的直径为光束光斑大小的1.2-1.5倍；优选地，小孔直径为光束光斑大小的1.5倍，此时，通过小孔的光束能量为总光束能量的98％。

优选地，上述小孔的迎光面具有一倒角，以增大对光束的吸收面积；优选地，该倒角为45°倒角。

上述固定于支架上的面板为长宽均等的长方体结构。

优选地，上述光束质量控制装置由紫铜材料形成，且面板的表面经过发黑处理，以最大限度的吸收杂光，防止引起不必要的震荡。

光束质量控制装置背面的环形水槽可对装置进行水冷，从而保证小孔周围均匀的散热。

本发明还公开了一种基于光束质量控制装置的激光谐振腔，采用上述的光束质量控制装置，包括两个谐振腔镜架、两个光束质量控制装置、一高反镜和一输出镜，高反镜固定于第一谐振腔镜架上，输出镜固定于第二谐振腔镜架上，两个光束质量控制装置分别位于高反镜和输出镜的内侧，且两个光束质量控制装置的背光面分别靠近高反镜和输出镜。

上述谐振腔镜架包括一镜片支架、一镜片调节板和一调节螺杆，镜片调节板内部具有一水冷通道，用于通水冷却。

上述调节螺杆由一调节器调节并固定，优选地，调节螺杆的螺纹螺距为0.25mm。

优选地，上述两个光束质量控制装置分别与高反镜和输出镜的距离小于10mm，且光束质量控制装置越靠近高反镜和输出镜，其选模效果越好，则光束质量越高。

上述晶片调节板由碳钢构成，其支点处经过加工形成一V型槽并通过热处理来增加调节板的刚性，确保在支点处不会发生形变和位移，调节板内部的水冷通道可进行水循环从而保证谐振腔在长时间工作的过程中能够快速散热。

上述高反镜和输出镜均为平面镜，优选地，输出镜的透射率为30％。

本发明还公开了一种固体激光器，采用上述的基于光束质量控制装置的激光谐振腔。

优选地，上述晶体棒为Nd：YAG晶体棒；上述两组侧面泵浦源为两组半导体激光器形成的环形泵浦。

其具体工作原理为：在激光到达最高功率时通过调节器锁紧谐振腔镜架，将具有小孔的面板安装在支架上，形成光束质量控制装置；将高反镜和输出镜安装在镜片支架上，将光束质量控制装置紧靠镜片，通过调节器调节所述调节螺杆，使高反镜和输出镜位于同一水平面上，然后固定调节螺杆。开启激光震荡，使用观察仪观察小孔周围光斑，移动安装有面板的支架，确保小孔位于光斑的中心。可以观察到，移动支架前，通过小孔的激光功率较低，随着支架的移动，小孔周围的光斑在慢慢缩小，直到光斑中心高功率的光束全部进入小孔后，通过小孔的激光功率恢复到接近侧面泵浦源的发射功率。由于此系统可保证高功率，同时可使光斑尺寸减小，在发散角不变的前提下，光束质量得到提高，固体激光器发射的为高功率、高光束质量的激光。

以下通过具体实施例对本发明提出的光束质量控制装置及应用其的激光谐振腔及固体激光器进行详细描述。

实施例1

如图1所示，本实施例提出一种光束质量控制装置，包括一支架12和固定于该支架上的面板13，该面板上形成有一允许光束通过的小孔14，光束通过小孔14后被滤掉高阶模以实现光束质量的控制；该面板上还形成有液体冷却通道及冷却液输入口和冷却液输出口15，用于对该面板进行冷却。

上述小孔的直径为光束光斑大小的1.5倍，则通过小孔的光束能量为总光束能量的98％。上述小孔的迎光面具有一45°倒角，以增大对光束的吸收面积。固定于支架12上的面板13为长宽均等的长方体结构。

上述光束质量控制装置由紫铜材料形成，且面板的表面经过发黑处理，以最大限度的吸收杂光，防止引起不必要的震荡。

光束质量控制装置背面的环形水槽可对装置进行水冷，从而保证小周圆周均匀的散热。

实施例2

基于实施例1中的光束质量控制装置，如图2所示，本实施例提出一种激光谐振腔，包括两个谐振腔镜架3-1和3-2、两个光束质量控制装置4、一输出镜5和一高反镜6，高反镜6固定于第一谐振腔镜架3-1上，输出镜6固定于第二谐振腔镜架3-2上，两个光束质量控制装置4分别位于高反镜6和输出镜5的内侧，且两个光束质量控制装置的背光面分别靠近高反镜和输出镜。

如图3所示，谐振腔镜架3-1和3-2包括一镜片支架9、一镜片调节板8和一调节螺杆10，调节螺杆10通过调节器11调节和固定，在镜片调节板8的侧面具有一水循环进水口和出水口7，且镜片调节板8内部具有一水冷通道，用于通水冷却。

镜片调节板8为长宽均等的长方体结构，其由碳钢构成；镜片调节板8的支点处有沿对角线方向的V型槽，并经过淬火处理；调节螺杆10采用0.25螺距的螺纹。

输出镜5和高反镜6均为平面镜，其中输出镜的透射率为30％；

如图4所示为光束质量控制装置4和谐振腔镜架3-1固定后的结构示意图，其中光束质量控制装置4后端面距离高反镜6或输出镜5的距离大约为2mm。

实施例3

基于实施例2的激光谐振腔，如图5所示，本实施例提出一种固体激光器，包括一晶体棒2、两组侧面泵浦源1和一上述的基于光束质量控制装置的激光谐振腔，其中：

晶体棒2位于两个光束质量控制装置4之间；

两组侧面泵浦源1分别位于晶体棒2宽度的两侧。

两组侧面泵浦源由环形排列的81个808nm半导体芯片构成；晶体棒2为8mm*188mm的Nd：YAG晶体棒，输出镜5和高反镜6分别安装在谐振腔镜架3-1和3-2上，且与晶体棒2两个端面的距离分别为200mm。

图6为本实施例提出的固体激光器的应用实例图。在大功率激光器内部需要将激光谐振腔输出的激光通过激光整形系统16和耦合系统17，将激光注入光纤18中。其中激光整形系统16，用于将激光束扩大到一定的宽度；激光耦合系统17，用于将扩宽的激光光束以一定的角度聚焦激光，激光的焦点要小于光纤18的芯径；光纤18将激光传输到加工的工位上，用于激光焊接等工艺使用。本实例现已应用于4000W大功率激光器中，使得大功率激光耦合300μm光纤时各功率段的光纤耦合率大于97％，同时在长时间工作状态下，亦无异常现象，稳定高效。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光束质量控制装置，包括一支架和固定于该支架上的面板，其特征在于，

所述面板上形成有一允许光束通过的小孔，所述光束通过所述小孔后被滤掉高阶模以实现光束质量的控制；所述面板上还形成有液体冷却通道及冷却液输入口和冷却液输出口，用于对所述面板进行冷却。

2.如权利要求1所述的光束质量控制装置，其特征在于，所述小孔的直径为所述光束光斑大小的1.2～1.5倍。

3.如权利要求2所述的光束质量控制装置，其特征在于，所述小孔的迎光面具有一倒角。

4.如权利要求1所述的光束质量控制装置，其特征在于，所述固定于支架上的面板为长宽均等的长方体结构。

5.如权利要求1所述的光束质量控制装置，其特征在于，所述光束质量控制装置由紫铜材料形成，且所述面板的表面经过发黑处理。

6.一种基于光束质量控制装置的激光谐振腔，采用如权利要求1所述的光束质量控制装置，包括两个谐振腔镜架、两个光束质量控制装置、一高反镜和一输出镜，所述高反镜固定于第一谐振腔镜架上，所述输出镜固定于第二谐振腔镜架上，所述两个光束质量控制装置分别位于所述高反镜和输出镜的内侧，且所述两个光束质量控制装置的背光面分别靠近所述高反镜和输出镜。

7.如权利要求6所述的基于光束质量控制装置的激光谐振腔，其特征在于，所述谐振腔镜架包括一镜片支架、一镜片调节板和一调节螺杆，所述镜片调节板内部具有一水冷通道，用于通水冷却。

8.如权利要求7所述的基于光束质量控制装置的激光谐振腔，其特征在于，所述调节螺杆由一调节器固定，所述调节螺杆的螺纹螺距为0.25mm。

9.如权利要求6所述的基于光束质量控制装置的激光谐振腔，其特征在于，所述两个光束质量控制装置分别与所述高反镜和输出镜的距离小于10mm。

10.一种固体激光器，其特征在于，采用如权利要求6至9中任一项所述的基于光束质量控制装置的激光谐振腔。