CN106941239A - 激光器倍频效率调节方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种激光器倍频效率调节方法,基于具有第一透镜和第二透镜的倍频激光器。调节方法包括:构建激光器并定义第一透镜与第二透镜之间的调焦量;调节第一透镜或第二透镜,使调焦量为零,并记录激光器的输出能量;在调焦量小于零的范围内按预设步长调节第一透镜或第二透镜,每调节一次,对应记录激光器的输出能量;在调焦量大于零的范围内按预设步长调节第一透镜或第二透镜,每调节一次,对应记录激光器的输出能量;根据激光器的输出能量确定目标调焦量。上述调节方法简便,易于操作,通过调节第一透镜和第二透镜之间的调焦量,并筛选出目标调焦量。激光器在目标调焦量下便可以提升激光器的倍频效率和输出能量(功率)。
Description
技术领域
本发明涉及激光器技术领域,特别是涉及激光器倍频效率调节方法。
背景技术
连续和长脉冲(脉冲宽度≥100μs)绿激光在激光加工、医疗等领域被越来越广泛的采纳。要获得连续和长脉冲绿激光需要采用倍频技术将近红外的激光倍频到绿光波段。在激光倍频的过程中要获得高的效率,通常要求基频光具有高的光束质量和高的峰值功率密度。
由于连续和长脉冲激光的峰值功率通常较低,为了提升倍频晶体中基频光的峰值功率密度以获得高的效率,一般采用腔内倍频技术同时保证倍频晶体中的基频光斑尺寸较小。在端面泵浦固体激光器中易于获得高的光束质量和较小的基频光斑尺寸,然而这种类型的激光器难以获得高功率或大能量的激光输出。固体激光器中,获得高功率或大能量激光输出的一般手段为采用侧面泵浦技术。侧面泵浦固体激光器的增益介质通常具有较大的横截面尺寸,使得输出光束质量较差且光斑尺寸较大,不利于获得高的效率。
发明内容
基于此,有必要针对上述激光器倍频效率低、输出能量小的问题,提供一种能够增加倍频效率并获得高功率或大能量的倍频激光输出的激光器倍频效率调节方法。
一种激光器倍频效率调节方法,基于具有望远镜谐振腔结构的倍频激光器,所述望远镜谐振腔包括谐波输出镜、倍频晶体以及在所述谐波输出镜与倍频晶体之间的第一透镜和第二透镜,所述方法包括:
构建所述激光器并定义所述第一透镜与第二透镜之间的调焦量;
调节所述第一透镜或第二透镜,使所述调焦量为零,并记录所述激光器的输出能量;
在调焦量小于零的范围内按预设步长调节所述第一透镜或第二透镜,每调节一次,对应记录所述激光器的输出能量;
在调焦量大于零的范围内按预设步长调节所述第一透镜或第二透镜,每调节一次,对应记录所述激光器的输出能量;
根据所述激光器的输出能量确定目标调焦量。
上述激光器倍频效率调节方法,方法简便,易于操作,通过调节第一透镜和第二透镜之间的调焦量,并筛选出目标调焦量,激光器在目标调焦量下便可以提升激光器的倍频效率和输出能量(功率)。
在其中一个实施例中,定义所述第一透镜与第二透镜之间的调焦量包括:
分别获取所述第一透镜的焦距f1、所述第二透镜的焦距f2;
测量所述第一透镜与所述第二透镜之间的距离L;
根据所述第一透镜的焦距f1、所述第二透镜的焦距f2以及所述第一透镜与所述第二透镜之间的距离L定义所述调焦量Δ,其中,L=f1+f2+Δ。
在其中一个实施例中,所述在调焦量小于零的范围内按预设步长调节所述第一透镜或第二透镜,包括:
从所述调焦量为零的位置开始,按预设步长沿第一方向调节所述第一透镜或沿第二方向调节所述第二透镜,直到所述激光器的输出能量为零。
其中,所述第一方向为光传输方向;所述第二方向与所述第一方向相反。
在其中一个实施例中,在调焦量大于零的范围内按预设步长调节所述第一透镜或第二透镜,包括:
从所述调焦量为零的位置开始,按预设步长沿第二方向调节所述第一透镜或沿第一方向调节所述第二透镜;其中,所述第一方向为光传输方向;所述第二方向与所述第一方向相反。
在其中一个实施例中,所述预设步长的范围为0.2毫米~5毫米。
在其中一个实施例中,根据所述激光器的输出能量确定所述目标调焦量,包括:
查询所述输出能量的最大值;
根据所述最大值查找与所述输出能量最大值所对应的调焦量;
所述输出能量最大值对应的调焦量为所述目标调焦量。
在其中一个实施例中,检测所述激光器在目标调焦量下输出能量的稳定性。
在其中一个实施例中,所述谐波输出镜、第一透镜、第二透镜、倍频晶体依次设置在光轴上,且所述第一透镜的焦距与所述第二透镜焦距的比值大于1或小于-1。
在其中一个实施例中,所述第一透镜为凸透镜,所述凸透镜的焦距为300毫米;所述第二透镜为凹透镜,所述凹透镜的焦距为-100毫米。
在其中一个实施例中,所述第一透镜、第二透镜的两个通光面均镀有增透膜。
附图说明
图1为一个实施例中激光器倍频效率调节方法的流程图;
图2为一个实施例中具有望远镜谐振腔结构的倍频激光器的结构图;
图3为一个实施例中不同调焦量与对应基频激光光束质量因子的曲线图;
图4为一个实施例中光束质量因子分别为8和9.5时,倍频效率随倍频晶体长度变化曲线图;
图5为一个实施例中单脉冲倍频光能量随基频光能量变化的关系图。
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,并不用于限定本发明。
图1为一个实施例中激光器倍频效率调节方法的流程图。激光器倍频效率调节方法包括如下步骤。
步骤S110:构建所述激光器并定义所述第一透镜与第二透镜之间的调焦量。
在一个实施例中,激光器倍频效率调节方法是基于具有望远镜谐振腔结构的倍频激光器,其中,倍频激光器为532nm(绿光)倍频激光器。参考图2,望远镜谐振腔包括谐波输出镜201、倍频晶体202以及在所述谐波输出镜201与倍频晶体202之间的第一透镜203和第二透镜204。第一透镜203和第二透镜204构成望远镜系统。其中,第一透镜203靠近谐波输出镜201一侧,其焦距为f1(图为标);第二透镜204靠近倍频晶体202一侧,其焦距为f2(图为标)。其第一透镜203与第二透镜204的焦距比值的绝对值大于1,也即|f1/f2|>1,相当于,f1/f2>1或者f1/f2<-1。
在一个实施例中,第一透镜203为凸透镜,其焦距f1=300mm;第二透镜204为凹透镜,其焦距f2=-100mm。
具体的,凸透镜203的两面通光面镀有1064nm和532nm光的增透膜,凹透镜204也两通光面镀有1064nm和532nm光的增透膜。
在一个实施例中,谐波输出镜201为平面镜,用于将腔内产生的倍频光提取出谐振腔。其中,谐波输出镜201的表面法线与光学谐振腔的光轴呈45°角,谐波输出镜201的第一表面a镀有1064nm增透膜和532全反膜,第二表面b镀有1064nm增透膜,保证基频光在谐振腔内有较低的损耗而倍频光能全部从谐振腔中提取出去。
在一个实施例中,倍频晶体202为II类相位匹配的KTP晶体,尺寸为5×5×8mm,两端面镀有1064nm(基频)和532nm(倍频)的增透膜。倍频晶体202也可以为I类相位匹配的LBO晶体和其它倍频晶体202。
在一个实施例中,望远镜谐振腔还包括第一全反镜和第二全反镜,第一全反射镜和第二全反射镜构成望远镜谐振腔的两个端镜。其中,第一全反镜为基频光全反镜,镀有1064nm基频光的全反射膜,第二全反镜为基频和倍频全反镜,镀有1064nm(基频)光和532nm(倍频)光的双色全反射膜,从而实现双程倍频以提高倍频效率同时保证绿光由单一输出口输出。
在一个实施例中,激光器中还包括泵浦源205、增益介质206和偏振选择器件209。
具体地,泵浦源205为闪光灯,以便获得大脉冲能量的基频光。
具体地,增益介质206可以为掺杂浓度为1%的Nd:YAG晶体,还可以为Nd:Glass、Yb:YAG、Er:AG等其它增益介质,其中,晶体的两通光端面镀有1064nm的增透膜。
具体地,偏振选择器件209为布儒斯特片,用于获得线偏振的基频光,放置在第一全反射镜和增益介质206之间。
利用构建的具有望远镜谐振腔结构的倍频激光器,可以定义所述第一透镜203与第二透镜204之间的调焦量。定义第一透镜203与第二透镜204之间的调焦量的步骤具体包括:
分别获取所述第一透镜203的焦距f1、所述第二透镜204的焦距f2;
测量所述第一透镜203与所述第二透镜204之间的距离L;
根据所述第一透镜203的焦距f1、所述第二透镜204的焦距f2以及所述第一透镜203与所述第二透镜204之间的距离L定义所述调焦量Δ,其中,L=f1+f2+Δ。
图3为调焦量Δ与腔内基频光束质量曲线图,从图中可知,通过调节第一透镜203与第二透镜204之间的调焦量Δ可以改变谐振腔内基频光的光束质量因子。图4给出基频光的光束质量因子M2分别为8和9.5的光束腔内倍频效率与倍频晶体202长度的关系。以长度为8mm的倍频晶体202为例,在M2=8时,倍频效率大约为22%,在M2=9.5时,倍频效率降至约为3.9%。也即,在给定长度倍频晶体202的倍频效率与谐振腔内的光束质量因子M具有极强的关联关系。基于以上的数值分析结果,可以通过调节第一透镜203与第二透镜204之间的调焦量Δ来优化激光器的倍频效率。
步骤S120:调节所述第一透镜203或第二透镜204,使所述调焦量为零,并记录所述激光器的输出能量。
将闪光灯的泵浦源205调整至基频(1064nm)光输出能量对应3.5J的状态,并将激光器锁定在此状态,在光轴上调节第一透镜203或第二透镜204,改变第一透镜203和第二透镜204之间的间距,使第一透镜203和第二透镜204的调焦量Δ为零,使第一透镜203和第二透镜204的间距L之和刚好等于第一透镜203的焦距f1与第二透镜204的焦距f2之和,也即,L=f1+f2。当Δ=0时,记录此时激光器的(绿光)出光能量或者输出功率。
步骤S130:在调焦量小于零的范围内按预设步长调节所述第一透镜203或第二透镜204,每调节一次,对应记录所述激光器的输出能量。
在锁定激光器设定参数的条件下,从调焦量Δ=0的位置按预设步长调节所述第一透镜203或第二透镜204,使第一透镜203或第二透镜204在所述调焦量小于零的范围内移动。每调节一次,对应记录所述激光器的输出能量或输出功率。在调焦量小于零的范围内,建立调焦量与输出能量或输出功率的第一对应表。
步骤S140:在调焦量大于零的范围内按预设步长调节所述第一透镜203或第二透镜204,每调节一次,对应记录所述激光器的输出能量。
在锁定激光器设定参数的条件下,从调焦量Δ=0的位置按预设步长调节所述第一透镜203或第二透镜204,使第一透镜203或第二透镜204在所述调焦量大于零的范围内移动。每调节一次,对应记录所述激光器的输出能量或输出功率。在调焦量大于零的范围内,建立调焦量与输出能量或输出功率的第二对应表。
步骤S150:根据所述激光器的输出能量确定目标调焦量。
根据上述步骤S120、步骤S130以及步骤S140记录的激光器的输出能量或输出功率,查询所述输出能量或输出功率的最大值。根据最大值在第一对应表和第二对应边中查询输出能量或输出功率的最大值所对应的调焦量。并将筛选出的调焦量作为目标调焦量,通过上述方法,其目标调焦量Δ=-5.5mm。脉冲宽度为1ms时,激光器在目标调焦量下获得的绿光单脉冲能量如图5所示,获得了最大1.35J绿光单脉冲能量,绿光的倍频效率为21.1%。倍频效率是具有相同结构的传统激光器倍频效率的4倍,其输出能量具有相同结构的传统激光器单脉冲能量的6倍。
上述调节方法简便,易于操作,通过调节第一透镜203和第二透镜204之间的调焦量,并筛选出目标调焦量,激光器在目标调焦量下便可以提升激光器的倍频效率和输出能量(功率)。
在一个实施例中,步骤S130中,在调焦量小于零的范围内按预设步长调节所述第一透镜203或第二透镜204,具体包括:
从所述调焦量为零的位置开始,按预设步长沿第一方向调节所述第一透镜203或沿第二方向调节所述第二透镜204,使在第一透镜203或所述第二透镜204调焦量Δ<0的范围内运动,直到激光器停止出光。还可以同时沿第一方向调节所述第一透镜203,沿第二方向调节所述第二透镜204,使第一透镜203与第二透镜204之间的间距L小于所述第一透镜203的焦距f1与第二透镜204的焦距f2之和(f1+f2)。其中,所述第一方向为光传输方向;所述第二方向与所述第一方向相反。同时,每个步长下,记录下对应的(绿光)输出能量或功率。
在一个实施例中,步骤S140中在调焦量大于零的范围内按预设步长调节所述第一透镜203或第二透镜204,具体包括:
从所述调焦量为零的位置开始,按预设步长沿第二方向调节所述第一透镜203或沿第一方向调节所述第二透镜204,使在第一透镜203或所述第二透镜204调焦量Δ>0的范围内运动,直到激光器停止出光。还可以同时沿第二方向调节所述第一透镜203,沿第一方向调节所述第二透镜204,使第一透镜203与第二透镜204之间的间距L大于所述第一透镜203的焦距f1与第二透镜204的焦距f2之和(f1+f2)。其中,所述第一方向为光传输方向;所述第二方向与所述第一方向相反。同时,每个步长下,记录下对应的(绿光)输出能量或功率。
在一个实施例中,其预设步长的范围为0.2毫米~5毫米。具体地,以0.5mm的步长调整第一透镜203与第二透镜204之间的调焦量。
在一个实施例中,还包括检测所述激光器在目标调焦量下输出能量的稳定性的步骤。
激光器在目标调焦量下获得的(绿光)输出能量,对输出能量进行三分钟的首次采样。在激光器连续运行1小时候,再次对在目标调焦量下获得的(绿光)输出能量进行三分钟的二次采样,以检测每个脉冲激光能量的一致性。通过上述调节方法调节的激光器能够输出高能量且稳定的激光,可以保证每个脉冲的激光能量一致,保证每个焊点焊斑均匀,从而实现更精密、更稳定的焊接效果,有效减少产品的不良率。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合,为使描述简洁,未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述,然而,只要这些技术特征的组合不存在矛盾,都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种激光器倍频效率调节方法,其特征在于,基于具有望远镜谐振腔结构的倍频激光器,所述望远镜谐振腔包括谐波输出镜、倍频晶体以及在所述谐波输出镜与倍频晶体之间的第一透镜和第二透镜,所述方法包括:
构建所述激光器并定义所述第一透镜与第二透镜之间的调焦量;
调节所述第一透镜或第二透镜,使所述调焦量为零,并记录所述激光器的输出能量;
在调焦量小于零的范围内按预设步长调节所述第一透镜或第二透镜,每调节一次,对应记录所述激光器的输出能量;
在调焦量大于零的范围内按预设步长调节所述第一透镜或第二透镜,每调节一次,对应记录所述激光器的输出能量;
根据所述激光器的输出能量确定目标调焦量。
2.根据权利要求1所述的激光器倍频效率调节方法,其特征在于,定义所述第一透镜与第二透镜之间的调焦量包括:
分别获取所述第一透镜的焦距f1、所述第二透镜的焦距f2;
测量所述第一透镜与所述第二透镜之间的距离L;
根据所述第一透镜的焦距f1、所述第二透镜的焦距f2以及所述第一透镜与所述第二透镜之间的距离L定义所述调焦量Δ,其中,L=f1+f2+Δ。
3.根据权利要求2所述的激光器倍频效率调节方法,其特征在于,所述在调焦量小于零的范围内按预设步长调节所述第一透镜或第二透镜,包括:
从所述调焦量为零的位置开始,按预设步长沿第一方向调节所述第一透镜或沿第二方向调节所述第二透镜,直到所述激光器的输出能量为零。
其中,所述第一方向为光传输方向;所述第二方向与所述第一方向相反。
4.根据权利要求1所述的激光器倍频效率调节方法,其特征在于,在调焦量大于零的范围内按预设步长调节所述第一透镜或第二透镜,包括:
从所述调焦量为零的位置开始,按预设步长沿第二方向调节所述第一透镜或沿第一方向调节所述第二透镜;其中,所述第一方向为光传输方向;所述第二方向与所述第一方向相反。
5.根据权利要求1所述的激光器倍频效率调节方法,其特征在于,所述预设步长的范围为0.2毫米~5毫米。
6.根据权利要求1所述的激光器倍频效率调节方法,其特征在于,根据所述激光器的输出能量确定所述目标调焦量,包括:
查询所述输出能量的最大值;
根据所述最大值查找与所述输出能量最大值所对应的调焦量;
所述输出能量最大值对应的调焦量为所述目标调焦量。
7.根据权利要求1所述的激光器倍频效率调节方法,还包括,检测所述激光器在目标调焦量下输出能量的稳定性。
8.根据权利要求1所述的激光器倍频效率调节方法,其特征在于,所述谐波输出镜、第一透镜、第二透镜、倍频晶体依次设置在光轴上,且所述第一透镜的焦距与所述第二透镜焦距的比值大于1或小于-1。
9.根据权利要求1所述的激光器倍频效率调节方法,其特征在于,所述第一透镜为凸透镜,所述凸透镜的焦距为300毫米;所述第二透镜为凹透镜,所述凹透镜的焦距为-100毫米。
10.根据权利要求1所述的激光器倍频效率调节方法,其特征在于,所述第一透镜、第二透镜的两个通光面均镀有增透膜。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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