CN110036543A - 激光振荡装置 - Google Patents

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Abstract

激光振荡装置(100)具备外部共振器(10)，该外部共振器(10)由激光介质(11、12)和部分反射镜(14)构成，该激光介质(11、12)发出的激光束的波长不同，该部分反射镜(14)使激光束的一部分透过并且对剩余进行反射而返回至激光介质(11、12)侧，在外部共振器(10)的内部配置有：衍射光栅(13)，其将从激光介质(11、12)发出的波长不同的多个激光束重叠为1个，使其进行波长耦合而向部分反射镜(14)射出；以及棱镜(15)，其配置于激光介质(11、12)和衍射光栅(13)之间，将多个激光束在衍射光栅(13)之上重叠为1个，并且形成顶角的2个面的一个是入射面，另一个面是出射面。

Description

激光振荡装置
技术领域
本发明涉及将从多个激光介质发出的波长不同的多个激光束进行波长耦合而输出的激光振荡装置。
背景技术
为了提高激光束的亮度，尝试使从多个激光介质发出的波长不同的多个激光束在波长色散元件进行波长耦合。此外，在本说明书中，“波长耦合”表示使波长不同的多个激光束以相同的出射角射出，即，将波长不同的多个激光束重叠为1个。
在专利文献1中公开了如下技术，即，通过包含多个激光介质及波长色散元件的外部共振器，将来自多个激光介质的激光束的波长决定为固有值，以在外部共振器外设置的其他波长色散元件使来自多个激光介质的激光束耦合。
专利文献1：日本特表2013-521666号公报
发明内容
但是，在上述专利文献1公开的发明中，由于波长色散元件的作用，通过波长色散元件之后的激光束的光束直径以及发散角针对每个激光介质而不同。因此，会有以下课题，即，由于以外部共振器使光束直径以及发散角不同的多个激光束产生共振，从外部共振器输出的激光束的聚光性降低，外部共振器的输出降低。
本发明就是鉴于上述课题而提出的，目的在于得到提高了从外部共振器输出的激光束的聚光性的激光振荡装置。
为了解决上述课题而达成目的，本发明具备外部共振器，该外部共振器由多个激光介质和部分反射元件构成，该多个激光介质发出的激光束的波长不同，该部分反射元件使激光束的一部分透过并且对剩余进行反射而返回至激光介质侧。在外部共振器的内部配置有：波长色散元件,其将从多个激光介质发出的波长不同的多个激光束重叠为1个进行波长耦合并向部分反射素子射出；以及棱镜，其配置于多个激光介质和波长色散元件之间，将多个激光束在波长色散元件之上重叠为1个，形成顶角的2个面的一个是入射面，另一个面是出射面。
发明的效果
本发明涉及的激光振荡装置获得如下的效果，即，能够提高从外部共振器输出的激光束的聚光性。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式1涉及的激光振荡装置的结构的示意图。
图2是用于说明实施方式1涉及的激光振荡装置的衍射光栅中的光束直径变换作用的图。
图3是用于说明实施方式1涉及的激光振荡装置的棱镜的动作的图。
图4是表示本发明的实施方式2涉及的激光振荡装置的结构的图。
具体实施方式
以下基于附图详细说明本发明的实施方式涉及的激光振荡装置。
此外，本发明不受该实施方式限定。
实施方式1
图1是表示本发明的实施方式1涉及的激光振荡装置的结构的示意图。实施方式1涉及的激光振荡装置100具备：控制部90；驱动电路71、72；驱动电源81、82；以及外部共振器10。外部共振器10由激光介质11、12和部分反射镜14构成，该激光介质11、12发出的激光束的波长不同，该部分反射镜14使激光束的一部分透过，并且对剩余进行反射而返回至激光介质11、12侧。在外部共振器10的内部配置有衍射光栅13和棱镜15，该衍射光栅13使从激光介质11、12发出的波长不同的多个激光束重叠为1个进行波长耦合而向部分反射镜14射出，该棱镜15配置于激光介质11、12和衍射光栅13之间，将多个激光束在衍射光栅13之上重叠为1个。衍射光栅13是表示光的入射角和出射角的关系因波长而变化的波长依赖性的波长色散元件。棱镜15设置为形成顶角φ的2个面的一个是入射面，另一个面是出射面。驱动电路71、72具有在激光介质11、12的通断的控制及短路发生时切断向激光介质11、12的电力供给的保护功能。驱动电源81、82是向驱动电路71、72供给电力的电源。控制部90基于从数控装置输入的指令而控制驱动电路71、72。
激光介质11、12通过给予光或电这样的能量，产生激光。在激光介质11、12中，能够例示半导体激光的活性层以及光纤激光器的磁芯，但不限于此。在激光介质11、12的后侧的端面形成有高反射率的反射涂层111、121，对光的大部分进行反射。因此，在激光介质11、12产生的光从前端112、122向前方射出。
在激光介质11、12产生的光经由棱镜15到达至衍射光栅13，在衍射光栅13之上重叠为1个。向衍射光栅13的入射角α和衍射光栅13中的出射角即衍射角β的关系使用衍射光栅13的槽间隔d、波长λ以下述式(1)进行表示。m是被称为衍射的次数的自然数。
d(sinα+sinβ)＝mλ···(1)
如图1所示，来自激光介质11的激光束以及来自激光介质12的激光束以不同的入射角向衍射光栅13射入，以相同的衍射角射出。来自激光介质11的激光束和来自激光介质12的激光束在向衍射光栅13射入时形成角度δ1。
在衍射光栅13中衍射后的激光束的一部分在部分反射镜14反射，剩余的激光束透过部分反射镜14向外部共振器10外输出。向外部共振器10外输出的激光束用于以激光加工为代表的各种用途。
在部分反射镜14反射的激光束逆向沿着上述光路，经过衍射光栅13以及棱镜15，返回至激光介质11、12。返回至激光介质11、12的激光束在激光介质11、12中放大，在激光介质11、12的后侧的反射涂层111、121反射，再次从激光介质11、12射出。
在外部共振器10成立时，根据部分反射镜14、衍射光栅13、棱镜15以及激光介质11、12的位置关系，针对每个激光介质11、12决定光路，来自激光介质11的激光束以及来自激光介质12的激光束在衍射光栅13之上重叠为1个。而且，通过决定光路而决定满足上述式(1)的固有的波长。实施方式1涉及的激光振荡装置100通过使具有不同波长的来自激光介质11、12的激光束重合为1条激光束，从而能够提高激光束的亮度。
下面，说明棱镜15的作用。棱镜15配置的目的在于，通过衍射光栅13的光束直径变换作用，对以来自激光介质11的激光束和来自激光介质12的激光束进行波长耦合后的激光束的光束直径以及发散角不同的情况进行抑制，提高外部共振器10的效率，提高输出光束的聚光性。
图2是用于说明实施方式1涉及的激光振荡装置的衍射光栅的光束直径变换作用的图。在图2中，衍射光栅13之上的光束宽度x使用入射光束直径2ωi以及衍射光束直径2ωd以x＝2ωi/cosα＝2ωd/cosβ表示，在入射光束直径2ωi和衍射光束直径2ωd之间，下述式(2)成立。
ωd＝(cosβ/cosα)ωi···(2)
即，在衍射光栅13的前后，光束直径变成(cosβ/cosα)倍。即，如果入射角α或衍射角β不同，则通过衍射光栅13后的光束直径变成不同的值。由于存在在衍射光栅13的前后保存光束直径和发散角之积的关系，所以光束发散角变成(cosα/cosβ)。由此，衍射光栅13的光线矩阵以下述式(3)表示。式(3)中的A、B、C、D是光线矩阵的分量。
【数学式1】
另一方面，棱镜15也有光束直径变换作用。实施方式1涉及的激光振荡装置100通过棱镜15的光束直径变换作用，降低衍射光栅13的光束直径变换作用的影响。
图3是用于说明实施方式1涉及的激光振荡装置的棱镜的动作的图。严格讲，虽然棱镜15的折射率有波长依赖性，但由于如果从激光介质11、12产生的激光束的波长的范围小则影响小，所以折射率看成是固定值也没有问题。例如，合成石英的折射率在波长950nm时n＝1.45115，在波长1000nm时是1.45047。由于波长950nm时的折射率和波长1000nm时的折射率的差异为0.04％，所以如果是波长950nm的激光束以及波长1000nm的激光束，则棱镜15的折射率看成是固定值也没有问题。
如图3所示，在棱镜15中的光路长度是l的情况下，棱镜15的光线矩阵以下述式(4)表示。
【数学式2】
另外，根据斯涅尔定律以及三角形的内角的关系，下述式(5)、式(6)以及式(7)成立。此外，式(6)中的n是构成棱镜15的材料的折射率。
sinθ1＝nsinθ2···(5)
nsinθ3＝sinθ4···(6)
θ2+θ3＝φ···(7)
通过使用式(1)、式(3)、式(4)、式(5)、式(6)以及式(7)、从激光介质11、12至棱镜15的光线矩阵、从棱镜15至衍射光栅13的自由传播的光线矩阵，能够针对每个激光介质11、12求出从激光介质11、12至衍射光栅13的出口的光线矩阵。
可以决定棱镜15的顶角φ以及向棱镜15的入射角θ1这样的参数，使得从激光介质11至衍射光栅13的出口的光线矩阵和从激光介质12至衍射光栅13的出口的光线矩阵的差变小。此外，在激光介质11、12与衍射光栅13之间，除了棱镜15之外，还可以设置用于将激光束校准的光学元件以及圆柱透镜。在设置用于将激光束校准的光学元件以及圆柱透镜的情况下，能够使用光学元件以及圆柱透镜的光线矩阵实施同样的最优化。
就衍射光栅13的作用和棱镜15的作用而言，其原理不同，因此，入射角和出射角的关系、即入射光束直径和出射光束直径的关系的角度依赖性不完全一致。因此，在使用大于或等于3个激光介质形成外部共振器10时，以棱镜15的光束直径变换作用可能不能完全消除衍射光栅13的光束直径变换作用。在以棱镜15的光束直径变换作用不能完全消除衍射光栅13的光束直径变换作用的情况下，通过针对每个激光介质调整从激光介质至棱镜15的距离，从而能够使来自衍射光栅13之上的各激光介质的光束直径成为更统一的状态。具体而言，在多个激光介质中、包含在衍射光栅13衍射而朝向部分反射镜14的激光束的光束直径比来自其他激光介质的激光束大的激光介质的情况下，通过使该激光介质靠近棱镜15，能够缩小在衍射光栅13衍射而朝向部分反射镜14的激光束的光束直径而使激光束的光束直径统一。相反，在多个激光介质中、包含在衍射光栅13衍射而朝向部分反射镜14的激光束的光束直径比来自其他激光介质的激光束小的激光介质的情况下，通过使该激光介质远离棱镜15，从而能够扩大在衍射光栅13衍射而朝向部分反射镜14的激光束的光束直径而使激光束的光束直径统一。
此外，根据棱镜15的顶角φ以及棱镜15的配置方法，能够不牺牲效率、装置尺寸以及稳定性而增加能在外部共振器10中设置的激光介质的数量。
在未将棱镜15设置在外部共振器10中的情况下，来自激光介质11的激光束和来自激光介质12的激光束所成的角度以图1中的δ1表示。另一方面，在设置棱镜15的情况下，来自激光介质11的激光束和来自激光介质12的激光束所成的角度是δ2。即，在实施方式1涉及的激光振荡装置100中，棱镜15在衍射光栅13侧减小来自多个激光介质11、12的激光束彼此所成的角度。如图1所示，如果δ2＞δ1，能够增大在外部共振器10中设置的激光介质的数量。
由于激光介质具有实际尺寸，所以如果要增加在外部共振器内设置的激光介质的数量，则需要增大从衍射光栅观察的两端的激光介质所成的角度δ1、或是增加激光介质和衍射光栅的距离。前者会使波长区域扩大，后者会使外部共振器尺寸增大。如果波长区域扩大，则必须使用衍射光栅的衍射效率降低的区域，效率降低。另外，由于激光介质的增益的波长宽度也有限，所以在激光介质中也成为效率降低的因素。另一方面，如果外部共振器尺寸增大，在激光振荡装置的尺寸变大而成本增加的基础上，外部共振器的稳定性也降低。
实施方式1涉及的激光振荡装置100在以扩大从衍射光栅13观察的激光介质11、12之间的角度的方式配置了棱镜15的情况下，能够增加能在外部共振器10中设置的激光介质的数量，提高激光振荡装置100的输出以及激光束亮度。
另一方面，在如果未设置棱镜15，激光介质11、12之间的角度变大而在外部共振器10内产生死区的情况下，通过使δ1＞δ2，从而能够实现外部共振器10的小型化。即，通过棱镜15在衍射光栅13侧增大来自多个激光介质11、12的激光束彼此所成的角度，从而能够实现外部共振器10的小型化。
在上述说明中，虽然配置棱镜15，使得从衍射光栅13朝向部分反射镜14的波长耦合后的激光束的光束直径以及发散角一致，但如果波长耦合后的光束直径的差以及发散角的差比多个激光束直接入射至衍射光栅13的情况小，则光束直径以及发散角也可以不一致。
实施方式2
图4是表示本发明的实施方式2涉及的激光振荡装置的结构的图。在实施方式2涉及的激光振荡装置101中，外部共振器10的结构与实施方式1不同。
在实施方式1中，虽然对衍射光栅13中的激光束的一次衍射光设置了部分反射镜14，但在实施方式2中，将衍射光栅23中的激光束的二次衍射光返回至激光介质11、12。即，在实施方式2涉及的激光振荡装置101中，由激光介质11、12和衍射光栅23构成外部共振器10。此时，一次衍射光以衍射角零度进行衍射。即，一次衍射光相对于衍射光栅23垂直地射出。在激光振荡装置101的输出光束中使用的是一次衍射光。虽然激光振荡装置101具有多个激光介质1、2，但由于一次衍射光与衍射光栅23垂直地射出，所以能够将来自多个激光介质11、12的多个激光束重叠为1个。
在实施方式2涉及的激光振荡装置101中，通过设置棱镜15，使得在衍射光栅23进行衍射后的激光束的光束直径在激光介质11和激光介质12中相同，能够使得在衍射光栅23进行衍射后的各激光束的光束直径一致，提高光束品质。
实施方式2涉及的激光振荡装置101由于不使用部分反射镜而能够使装置简化及小型化，在此基础上，能够降低外部共振器10内部的损失而提高激光振荡的效率。
以上的实施方式所示的结构表示本发明的内容的一个例子，也能够与其他的公知技术进行组合，还能够在不脱离本发明的主旨的范围对结构的一部分进行省略、变更。
标号的说明
10外部共振器，11、12激光介质，13衍射光栅，14部分反射镜，15棱镜，71、72驱动电路，81、82驱动电源，90控制部，100激光振荡装置，111、121反射涂层，112、122前端。

Claims (5)

1.一种激光振荡装置，其特征在于，具备：
外部共振器，其由多个激光介质和部分反射元件构成，该多个激光介质发出的激光束的波长不同，该部分反射元件使所述激光束的一部分透过并且对剩余进行反射而返回至所述激光介质侧，
在所述外部共振器的内部配置有：
波长色散元件，其将从多个所述激光介质发出的波长不同的多个所述激光束重叠为1个，使其进行波长耦合而向所述部分反射素子射出；以及
棱镜，其配置于多个所述激光介质和所述波长色散元件之间，将多个所述激光束在所述波长色散元件之上重叠为1个，并且形成顶角的2个面的一个是入射面，另一个面是出射面。
2.根据权利要求1所述的激光振荡装置，其特征在于，
所述棱镜使多个所述激光束的所述波长耦合后的光束直径的差以及发散角的差，比多个所述激光束直接入射至所述波长色散元件的情况小。
3.根据权利要求2所述的激光振荡装置，其特征在于，
所述棱镜在所述波长色散元件侧减小来自多个所述激光介质的激光束彼此所成的角度。
4.根据权利要求2所述的激光振荡装置，其特征在于，
所述棱镜在所述波长色散元件侧增大来自多个所述激光介质的激光束彼此所成的角度。
5.一种激光振荡装置，其特征在于，具备：
外部共振器，其由多个激光介质和波长色散元件构成，该多个激光介质发出的激光束的波长不同，该波长色散元件对从多个所述激光介质射入的多个所述激光束的一部分进行反射而返回至所述激光介质，使剩余的多个所述激光束进行波长耦合且重叠射出，
在所述外部共振器的内部配置有棱镜，该棱镜配置于多个所述激光介质和所述波长色散元件之间，将多个所述激光束在所述波长色散元件之上重叠为1个，并且形成顶角的2个面的一个是入射面，另一个面是出射面。
CN201780074525.1A 2017-02-13 2017-02-13 激光振荡装置 Pending CN110036543A (zh)

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