CN108718029A - 一种脉冲宽度编程可控的固体激光器装置 - Google Patents

Abstract

一种脉冲宽度编程可控的固体激光器装置，其包括激光谐振腔、分光器、光延迟器、削波模块、光放大器、第一光隔离器和控制电路；所述削波模块包括起偏器、可编程控制器、高压脉冲发生器、延迟电路、普克尔盒和检偏器，所述高压脉冲发生器的输出端连接到普克尔盒电光晶体的开关上，延迟电路连接在高压脉冲发生器的输出端与普克尔盒电光晶体的开关之间，可编程控制器的输出端与延迟电路的控制端连接，分光器的分光路通过光电导开关与高压脉冲发生器的触发端连接，控制电路通过第一驱动电路与高压脉冲发生器的输入端连接。本发明装置具有脉冲宽度可精准调控、能量放大倍数大、稳定性和调节精度较高等特点，可作用于激光冲击成形和强化。

Description

一种脉冲宽度编程可控的固体激光器装置

技术领域

本发明涉及激光应用技术领域，具体涉及一种脉冲宽度编程可控的固体激光器装置。

背景技术

随着激光技术的快速发展，激光器的应用越来越广泛，对激光器性能多样性、可靠性、操作方便性的要求越来越高。一些用于激光加工的零件表面型面结构复杂，像航空整体叶盘/叶片以及发动机叶片都是具有曲率的复杂外表面结构，边缘位置非常薄，如果采用和中间位置相同的脉冲参数，必然会引起叶片边缘发生宏观变形或者应力分布不均等一系列有损疲劳性能的结果。用于这些复杂零件的激光强化加工的理想光源是输出光束质量高；脉宽、光斑大小形貌、重复频率和峰值功率均可调；稳定可靠的激光光源。由于不同的脉冲宽度和物质材料作用机制不一样，产生影响也不一样，不同的使用领域需要不同的脉冲宽度，脉冲宽度可调激光器还具有结构简单、散热性好、效率高等优点，现在已经在光纤通信、光纤传感、激光切割强化、生物医疗、非线性光学等领域有十分重要的作用。

现有的脉宽调节手段主要分为以下几种方式：通过机械装置手动或者利用机械步进系统调节激光腔中的滤波器件以达到对输出的锁模脉冲的时域脉宽进行调节；通过电场控制可饱和吸收调制深度对脉宽进行调节；还可以通过外加激光调制可饱和吸收体调制深度和损耗实现对脉宽的调节。但机械方式由于手动和机械步进系统精度较低，机械装置复杂的限制，导致调制精度与调制重复性不高，响应时间较长。电场调制可饱和吸收体时放出焦耳热使得可饱和吸收体的热损伤阀值大幅降低，调制电压只能控制在小范围中，并且电场调节由其受驱动电路响应影响，起调节的光学器件工作带宽被限制。所以目前的脉宽调节方式存在调节精度较低、性能不够稳定、光束质量差，范围较窄以及响应时间较长的问题。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供了一种脉冲宽度编程可控的固体激光器装置，以解决现有脉宽调节方式存在调节精度较低、性能不够稳定、光束质量差，范围较窄以及响应时间较长的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种脉冲宽度编程可控的固体激光器装置，包括激光谐振腔、分光器、光延迟器、削波模块、光放大器、第一光隔离器和控制电路，所述激光谐振腔、分光器、光延迟器、削波模块、光放大器和第一光隔离器依次沿激光光路由前至后设置；

所述削波模块包括起偏器、可编程控制器、高压脉冲发生器、延迟电路、普克尔盒和检偏器，所述起偏器、普克尔盒和检偏器依次沿激光光路由前至后设置，所述高压脉冲发生器的输出端连接到普克尔盒电光晶体的开关上，延迟电路连接在高压脉冲发生器的输出端与普克尔盒电光晶体的开关之间，可编程控制器的输出端与延迟电路的控制端连接，分光器的分光路通过光电导开关与高压脉冲发生器的触发端连接，控制电路通过第一驱动电路与高压脉冲发生器的输入端连接。

由上可知，本发明装置工作原理为：由装置中谐振腔产生输出单模脉冲激光作为种子光源，经分光器后，分光器的分光路连接到光电导开关，当光电导开关接收到分光器传输过来的光信号以后导通，输出与光脉冲形状一致的电脉冲，再由光电导开关触发高压脉冲发生器，通过延迟电路接到普克尔盒，作为普克尔盒的电源控制；可编程控制器连接到延迟电路的控制端，根据要求对延迟电路进行编程控制以改变延迟电路中的阻抗分布，再由延迟电路控制普克尔盒动作，由此改变普克尔盒电极上的电脉冲宽度，最终有规律地改变输出激光脉宽以实现脉宽调制；另外脉冲激光通过分光器后，分光器的主光路通过光延迟器进入到削波模块，保证经过分光路经过光电导开关、高压脉冲发生器和延迟电路的短暂时延后，调宽电脉冲和激光脉冲在时域上同步到达普克尔盒，实现精确的激光脉冲裁剪削波，经削波模块输出的脉冲光信号再通过光放大器部分对其功率进行有效放大，可获得高功率激光输出，且脉冲宽度可调。综上所述，本发明装置具有脉冲宽度可精准调控、稳定性和调节精度较高等特点，可作用于激光冲击成形和强化。

作为本发明的一种改进，所述分光器与光延迟器之间设有第二光隔离器。

进一步地，所述包括激光谐振腔包括全反镜、泵浦源、激光增益介质和输出镜，所述全反镜、激光增益介质和输出镜依次沿激光光路由前至后设置，泵浦源用于向激光增益介质发射泵浦光，所述控制电路通过第二驱动电路与泵浦源的控制端连接。

作为本发明的一种改进，所述光放大器包括一级放大器、一级扩束镜、二级放大器和二级扩束镜，一级放大器、一级扩束镜、二级放大器和二级扩束镜依次沿激光光路由前至后设置。

进一步地，所述一级放大器和二级放大器包括泵浦源和激光增益介质，所述控制电路通过一级驱动电路与一级放大器泵浦源的控制端连接，所述控制电路通过二级驱动电路与二级放大器泵浦源的控制端连接。

进一步地，所述激光增益介质由YAG晶体、钕玻璃及YLF晶体制成。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明装置具有脉冲宽度可精准调控、能量放大倍数大、稳定性和调节精度较高等特点，可作用于激光冲击成形和强化。

附图说明

图1为本发明脉冲宽度编程可控的固体激光器装置的示意图。

图中标记：9、全反镜，10、输出镜，11、泵浦源，12、激光增益介质，13、分光器，14、第二光隔离器，15、光延迟器，16、起偏器，17、普克尔盒，18、检偏器，19、一级放大器，20、扩束镜，21/22、45度全反镜，23、二级放大器，24、二级扩束镜，25、第一光隔离器，26、控制电路，27、高压脉冲发生器，28、光电导开关，29、延迟电路，30、可编程控制器、31、一级驱动电路，32、二级驱动电路，33、第一驱动电路，34、第二驱动电路。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图对本发明的技术方案作进一步描述说明，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

请参考图1，本发明提供了一种脉冲宽度编程可控的固体激光器装置，其包括激光谐振腔、分光器13、光延迟器15、削波模块、光放大器、第一光隔离器25和控制电路26，所述激光谐振腔、分光器13、光延迟器15、削波模块、光放大器和第一光隔离器25依次沿激光光路由前至后设置；

所述削波模块包括起偏器16、可编程控制器30、高压脉冲发生器27、延迟电路29、普克尔盒17和检偏器18，所述起偏器16、普克尔盒17和检偏器18依次沿激光光路由前至后设置，所述高压脉冲发生器27的输出端连接到普克尔盒17电光晶体的开关上，延迟电路29连接在高压脉冲发生器27的输出端与普克尔盒17电光晶体的开关之间，可编程控制器30的输出端与延迟电路29的控制端连接，分光器13的分光路通过光电导开关28与高压脉冲发生器27的触发端连接，控制电路26通过第一驱动电路33与高压脉冲发生器27的输入端连接。

由上可知，本发明装置工作原理为：由装置中谐振腔产生输出单模脉冲激光作为种子光源，经分光器后，分光器的分光路连接到光电导开关，当光电导开关接收到分光器传输过来的光信号以后导通，输出与光脉冲形状一致的电脉冲，再由光电导开关触发高压脉冲发生器，通过延迟电路接到普克尔盒，作为普克尔盒的电源控制；可编程控制器连接到延迟电路的控制端，根据要求对延迟电路进行编程控制以改变延迟电路中的阻抗分布，再由延迟电路控制普克尔盒动作，由此改变普克尔盒电极上的电脉冲宽度，最终有规律地改变输出激光脉宽以实现脉宽调制；另外脉冲激光通过分光器后，分光器的主光路通过光延迟器进入到削波模块，保证经过分光路经过光电导开关、高压脉冲发生器和延迟电路的短暂时延后，调宽电脉冲和激光脉冲在时域上同步到达普克尔盒，实现精确的激光脉冲裁剪削波，经削波模块输出的脉冲光信号再通过光放大器部分对其功率进行有效放大，可获得高功率激光输出，且脉冲宽度可调。综上所述，本发明装置具有脉冲宽度可精准调控、稳定性和调节精度较高等特点，可作用于激光冲击成形和强化。

在本实施例中，所述分光器13与光延迟器15之间设有第二光隔离器14。通过第二光隔离器防止散射光逆射到原路光路，提高光路的一致性和稳定性。

在本实施例中，所述可编程控制器为PLC，所述激光增益介质由YAG晶体、钕玻璃及YLF晶体制成。

具体地，在本实施例中，所述包括激光谐振腔包括全反镜9、泵浦源11、激光增益介质12和输出镜10，所述全反镜9、激光增益介质12和输出镜10依次沿激光光路由前至后设置，泵浦源11用于向激光增益介质12发射泵浦光，所述控制电路26通过第二驱动电路34与泵浦源11的控制端连接。

在本发明的一个实施例中，所述光放大器包括一级放大器19、一级扩束镜20、二级放大器23和二级扩束镜24，一级放大器19、一级扩束镜20、二级放大器23和二级扩束镜24依次沿激光光路由前至后设置；具体地，所述一级放大器19和二级放大器23包括泵浦源和激光增益介质，所述控制电路26通过一级驱动电路31与一级放大器19泵浦源的控制端连接，所述控制电路26通过二级驱动电路32与二级放大器23泵浦源的控制端连接，另外在一级扩束镜20与二级放大器23之间设有两块45度全反镜21、22，使得激光光路转向，有利于改善本发明装置的体积和便捷性。通过一级放大器和二级放大器对调节脉冲宽度后的激光进行放大，增大激光的能量倍数。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种脉冲宽度编程可控的固体激光器装置，其特征在于：包括激光谐振腔、分光器、光延迟器、削波模块、光放大器、第一光隔离器和控制电路，所述激光谐振腔、分光器、光延迟器、削波模块、光放大器和第一光隔离器依次沿激光光路由前至后设置；

所述削波模块包括起偏器、可编程控制器、高压脉冲发生器、延迟电路、普克尔盒和检偏器，所述起偏器、普克尔盒和检偏器依次沿激光光路由前至后设置，所述高压脉冲发生器的输出端连接到普克尔盒电光晶体的开关上，延迟电路连接在高压脉冲发生器的输出端与普克尔盒电光晶体的开关之间，可编程控制器的输出端与延迟电路的控制端连接，分光器的分光路通过光电导开关与高压脉冲发生器的触发端连接，控制电路通过第一驱动电路与高压脉冲发生器的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的脉冲宽度编程可控的固体激光器装置，其特征在于：所述分光器与光延迟器之间设有第二光隔离器。

3.根据权利要求1所述的脉冲宽度编程可控的固体激光器装置，其特征在于：所述包括激光谐振腔包括全反镜、泵浦源、激光增益介质和输出镜，所述全反镜、激光增益介质和输出镜依次沿激光光路由前至后设置，泵浦源用于向激光增益介质发射泵浦光，所述控制电路通过第二驱动电路与泵浦源的控制端连接。

4.根据权利要求1所述的脉冲宽度编程可控的固体激光器装置，其特征在于：所述光放大器包括一级放大器、一级扩束镜、二级放大器和二级扩束镜，一级放大器、一级扩束镜、二级放大器和二级扩束镜依次沿激光光路由前至后设置。

5.根据权利要求4所述的脉冲宽度编程可控的固体激光器装置，其特征在于：所述一级放大器和二级放大器包括泵浦源和激光增益介质，所述控制电路通过一级驱动电路与一级放大器泵浦源的控制端连接，所述控制电路通过二级驱动电路与二级放大器泵浦源的控制端连接。

6.根据权利要求1至5任一所述的脉冲宽度编程可控的固体激光器装置，其特征在于：所述激光增益介质由YAG晶体、钕玻璃及YLF晶体制成。