CN110036544B - 激光振荡装置 - Google Patents

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Abstract

具有：多个激光介质(1、2)，它们所发出的激光束的波长不同；衍射光栅(3)，其使从多个激光介质(1、2)射入的多个激光束重叠地射出；部分反射镜(4)，其对从衍射光栅(3)射出的多个激光束的一部分进行反射而使其返回至衍射光栅(3)，使剩余部分透过；以及多个透镜(5、6)，它们分别配置于多个激光介质(1、2)的每一个和衍射光栅(3)之间，多个透镜(5、6)各自针对在多个激光介质(1、2)和衍射光栅(3)之间形成的每个光路进行配置，使来自多个激光介质(1、2)的激光束在向衍射光栅(3)的入射面上以同一外径进行重叠。

Description

激光振荡装置
技术领域
本发明涉及一种激光振荡装置，该激光振荡装置通过将波长不同的多个激光束耦合而得到高功率的激光束。
背景技术
为了提高激光束的亮度，尝试了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”是指使波长不同的多个激光束以相同的出射角射出，即，是指将波长不同的多个激光束重叠为一束。
在专利文献1中公开了如下技术，即，利用包含多个激光介质以及波长色散元件的外部谐振器，根据多个激光介质将激光束的波长确定为固有值，由设置于外部谐振器外的其他波长色散元件对来自多个激光介质的激光束进行耦合。
专利文献1：日本特表2013-521666号公报
发明内容
然而，在上述专利文献1所公开的发明中，由于使具有相同波长且相同光学特性的多个激光束射入至波长色散元件上，因此，无法以相同光束直径使激光束重叠于波长色散元件上，激光束的重叠会产生偏差。其结果，使光束直径不同的多个激光束在外部谐振器进行谐振，因此存在如下课题，即，从外部谐振器输出的激光束的汇聚性降低，外部谐振器的输出降低。
本发明就是鉴于上述情况而提出的，目的在于得到提高了从外部谐振器输出的激光束的汇聚性的激光振荡装置。
为了解决上述课题，实现目的，本发明具有：多个激光介质，它们所发出的激光束的波长不同；波长色散元件，其使从多个激光介质射入的多个激光束重叠而射出；部分反射元件，其对从波长色散元件射出的多个激光束的一部分进行反射而使其返回至波长色散元件，使剩余部分透过；以及多个透镜，它们分别配置于多个激光介质的每一个和波长色散元件之间。多个透镜各自针对在多个激光介质和波长色散元件之间形成的每个光路进行配置，将来自多个激光介质的激光束在向波长色散元件的入射面上以同一外径进行重叠。
发明的效果
本发明涉及的激光振荡装置具有提高了从外部谐振器输出的激光束的汇聚性的效果。
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处的光束直径变换作用的图。
图3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。
图4是表示本发明的实施方式3涉及的激光振荡装置的结构的图。
具体实施方式
下面，基于附图对本发明的实施方式涉及的激光振荡装置进行详细说明。此外，本发明并不限定于本实施方式。
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图。实施方式1涉及的激光振荡装置100具有控制部90、驱动电路71、72、驱动电源81、82、外部谐振器10。外部谐振器10由所发出的激光束的波长不同的激光介质1、2、以及对入射光的一部分进行反射并使剩余部分透过的部分反射元件即部分反射镜4构成。在外部谐振器10的内部设置有衍射光栅3以及透镜5、6，衍射光栅3是使从激光介质1、2射入的波长不同的激光束重叠地射出的波长色散元件。透镜5、6设置于激光介质1、2和衍射光栅3之间，焦距彼此不同。透镜5、6配置于在激光介质1、2和衍射光栅3之间形成的每个光路，使来自激光介质1、2的激光束在向衍射光栅3的入射面上以同一外径进行重叠。此外，在激光束未垂直地射入衍射光栅3的入射面的情况下，在衍射光栅3的入射面上激光束变为椭圆形状，但在本说明书中，将相对于衍射光栅3未垂直地射入的激光束以同一外径进行重叠，是指使椭圆的长径一致而将激光束重叠。驱动电路71、72控制激光介质1、2的通断，并具有在发生短路时将向激光介质1、2的电力供给切断的保护功能。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对驱动电路71、72进行控制。
激光介质1、2通过赋予光或电之类的能量而产生激光。对于激光介质1、2，可以例示出半导体激光器的有源层以及光纤激光器的纤芯，但并不限定于此。在激光介质1、2的后侧的端面形成高反射率的反射涂层11、21，对光的大部分进行反射。因此，由激光介质1、2产生的光从前端12、22向前方射出。
从激光介质1、2发出的激光束通过透镜5、6对发散角进行调整，该透镜5、6设置于针对每个激光介质1、2调整后的距离、焦距不同。在图1中，激光束的光轴上的激光介质1和透镜5的距离为L1，激光束的光轴上的激光介质2和透镜6的距离为L2。从透镜5、6穿过的激光束射入至以针对每个激光介质1、2调整后的距离分离的衍射光栅3。在图1中，激光束的光轴上透镜5的中心和衍射光栅3之间的距离为l1，激光束的光轴上的透镜6的中心和衍射光栅3之间的距离为l2。
透镜5、6也可以是球面透镜之类的轴对称的透镜，但是更优选为仅在与纸面平行的面即光束耦合的维度具有功率的圆筒面透镜。其理由如下述那样，基于透镜5、6进行的光束直径变换作用的校正是在光束耦合的维度进行的，优选不对与纸面垂直的面即非光束耦合的维度造成影响。另外，对于激光介质1、2和透镜5、6的中心之间的距离L1、L2以及透镜5、6的中心和衍射光栅3之间的距离l1、l2，如果将透镜5、6设为凹透镜，则其与透镜5、6为凸透镜的情况相比变短。因此，通过将透镜5、6设为凹透镜，能够使外部谐振器10小型化。
由激光介质1、2产生的激光束经由透镜5、6而到达衍射光栅3。向衍射光栅3的入射角α和衍射光栅3的出射角即衍射角β之间的关系使用衍射光栅3的槽间距d、波长λ而由下述式(1)表示。m是称为衍射次数的自然数。
d(sinα+sinβ)＝mλ···(1)
如图1所示，来自激光介质1的激光束以及来自激光介质2的激光束以不同的入射角射入至衍射光栅3，以相同衍射角射出。即，从激光介质1发出的激光束、和从激光介质2发出的激光束在衍射光栅3中重叠为1束而向部分反射镜4侧射出。在衍射光栅3中衍射后激光束的一部分由部分反射镜4进行反射，剩余部分的激光束透过部分反射镜4而输出至外部谐振器10之外。输出至外部谐振器10之外的激光束在以激光加工为代表的各种用途中使用。
在部分反射镜4被反射的激光束逆向地循着上述光路，经由衍射光栅3以及透镜5、6而返回至激光介质1、2。返回至激光介质1、2的激光束在激光介质1、2中被放大，在激光介质1、2的后侧的反射涂层11、21发生反射，再次从激光介质1、2射出。
在外部谐振器10成立时，根据部分反射镜4、衍射光栅3、透镜5、6以及激光介质1、2的位置关系，针对每个激光介质1、2而决定光路。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使来自具有不同波长的激光介质1、2的激光束在向衍射光栅3的入射面上以同一外径进行重叠，将从衍射光栅3向部分反射镜4侧射出的激光束重合为一束，由此能够提高激光束的亮度。
衍射光栅3在入射角α和衍射角β不同的情况下，具有光束直径变换作用。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处的光束直径变换作用的图。在图2中，衍射光栅3上的光束宽度x使用入射光束41的光束直径2ωi以及衍射光束42的光束直径2ωd而由x＝2ωi/cosα＝2ωd/cosβ表示，因此在入射光束41的光束直径2ωi和衍射光束42的光束直径2ωd之间，下述式(2)成立。
ωd＝(cosβ/cosα)ωi···(2)
即，穿过衍射光栅3之前的激光束的光束直径是穿过衍射光栅3之后的激光束的光束直径的(cosβ/cosα)倍。即，如果入射角α或者衍射角β不同，则穿过衍射光栅3后的激光束的光束直径变为不同的值。在衍射光栅3的前后，存在光束直径和发散角之积不变的关系。因此，如果入射光束41的发散角为θ1、衍射光束42的发散角为θ2，则下述式(3)成立。
2ωi×θ1＝2ωd×θ2···(3)
如果使用上述式(2)对上述式(3)进行变形，则变为下述式(4)。
θ2＝(cosα/cosβ)θ1···(4)
因此，衍射光束42的发散角θ2变为入射光束41的发散角θ1的(cosα/cosβ)倍。因而，衍射光栅3的光线矩阵A由下述式(5)表示。
【算式1】
Figure BDA0002082191570000051
式(5)表示，如果将波长不同、光束直径以及发散角相同的激光束以不同的入射角α射入至衍射光栅3，则以针对每个激光束而不同的直径以及发散角进行衍射。
如果在外部谐振器10使不同光束特性的激光束进行谐振，则被输出的激光束的效率降低，并且汇聚性也变差。
在实施方式1中，以使得从衍射光栅3射出的、来自各激光介质1、2的激光束的光束直径变为同一外径的方式，对距离L1、l1、L2、l2以及透镜5、6的焦距进行调整。如果使用式(5)所示的衍射光栅3的光线矩阵、距离L1、L2、l1、l2的自由传输的光线矩阵、以及透镜5、6的光线矩阵，则能够针对激光介质1、2的每个发光点，计算从激光介质1、2至穿过衍射光栅3之后为止的激光束的传输。
基于从激光介质1、2至穿过衍射光栅3之后为止的激光束的传输的计算结果，以使得在衍射光栅3的衍射后的激光束的光束直径在激光介质1和激光介质2中相同的方式，设定距离L1、l1、L2、l2和透镜5、6的焦距，由此能够使在衍射光栅3衍射后的各激光束的光束直径一致。因此，激光介质1和透镜5之间的距离L1、与激光介质2和透镜6之间的距离L2变得不同。另外，透镜5和衍射光栅3之间的距离l1、与透镜6和衍射光栅3之间的距离l2变得不同。另外，透镜5的焦距和透镜6的焦距变得不同。
这里，激光介质1、2的一者设为未配置透镜5、6的基准的激光介质，能够使来自其他激光介质1、2的穿过衍射光栅3后的激光束与来自未配置透镜5、6的激光介质1、2的穿过衍射光栅3后的激光束相匹配。在该情况下，与来自其他激光介质的激光束的光路相比，在来自基准的激光介质的激光束的光路中能够减少透镜，因此具有结构简单化以及低成本化的效果。
如上所述，在实施方式1涉及的激光振荡装置100中，以使得来自激光介质1、2的波长不同的激光束在向衍射光栅3的入射面上以同一外径进行重叠的方式设置透镜5、6，使从衍射光栅3向部分反射镜4侧射出的激光束重合为一束，由此能够实现外部谐振器10的效率的提高以及抑制汇聚性变差。此外，即使在向衍射光栅3的入射面处来自激光介质1、2的激光束的光束直径未变为同一外径的情况下，如果与多个激光束从激光介质1、2射入至衍射光栅3的情况相比，透镜5、6使衍射光栅3的入射面处的来自激光介质1、2的激光束的光束直径的差变小，则也得到外部谐振器10的效率的提高以及抑制汇聚性变差的效果。
在上述说明中，示出了使用衍射光栅3作为波长色散元件的结构，但波长色散元件并不限定于衍射光栅。波长色散元件还可以使用棱镜。另外，在上述说明中，示出了使用部分反射镜4作为部分反射元件的结构，但部分反射元件还可以由以激光束部分地接触的方式设置的全反射镜实现。
实施方式2.
图3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。实施方式2涉及的激光振荡装置101与实施方式1涉及的激光振荡装置100相比，外部谐振器10的结构不同。在实施方式2涉及的激光振荡装置101的外部谐振器10中，使用了半导体激光棒之类的发光点排列有多个的激光介质17、18作为激光介质。衍射光栅23与实施方式1的衍射光栅3相同。部分反射镜24与实施方式1的部分反射镜4相同。
如图3所示，激光介质17具有发光点19a、19b、19c，激光介质18具有发光点20a、20b、20c。在激光介质17、18的后侧的端面形成高反射率的反射涂层171、181，对光的大部分进行反射。因此，由激光介质17、18产生的光从前端172、182向前方射出。
在实施方式1中，针对每个激光介质1、2而对与透镜5、6的距离进行调整，并且透镜5、6的焦距不同，但在实施方式2中，变为针对每个激光介质17、18而不同的光学系统。在图3的例子中，相对于激光介质17而在距离L1的地点配置透镜25，相对于激光介质18而在距离L2的地点配置透镜26。
激光介质17内的发光点19a、19b、19c彼此的从衍射光栅23观察的角度小，因此基于衍射光栅23的光束直径变换作用实现的光束直径的变动的比例小。同样地，激光介质18内的发光点20a、20b、20c彼此的从衍射光栅23观察的角度小，因此基于衍射光栅23的光束直径变换作用实现的光束直径的变动的比例小。因此，未使用针对每个发光点19a、19b、19c、20a、20b、20c而不同的透镜，而是使用针对每个激光介质17、18而不同的透镜25、26，由此能够得到使得激光束的光束直径的差比多个激光束从激光介质17、18射入至衍射光栅23的情况更小的效果。
通过使用包含多个发光点19a、19b、19c的激光介质17以及包含多个发光点20a、20b、20c的激光介质18，从而能够对来自更多的发光点的激光束进行耦合，能够廉价地得到高功率且高亮度的波长耦合激光器装置。
在实施方式2中，为了简化说明，示出了激光介质17具有三个发光点19a、19b、19c、激光介质18具有三个发光点20a、20b、20c的结构，但搭载于激光介质17、18的发光点的数量通常为几十左右，多的还可达到几百。
实施方式3.
图4是表示本发明的实施方式3涉及的激光振荡装置的结构的图。实施方式3涉及的激光振荡装置102的外部谐振器10的结构与实施方式1、2不同。
在实施方式1、2中，相对于衍射光栅3、23的激光束的一次衍射光而设置了部分反射镜4、24，但在实施方式3中，使衍射光栅33的激光束的二次衍射光返回至激光介质1、2。即，在实施方式3涉及的激光振荡装置102中，由激光介质1、2和衍射光栅33构成外部谐振器10。此时，一次衍射光以零度的衍射角进行衍射。即，一次衍射光相对于衍射光栅33而垂直射出。对激光振荡装置102的输出光束使用的是一次衍射光。激光振荡装置102具有多个激光介质1、2，但一次衍射光与衍射光栅33垂直地射出，因此能够将来自多个激光介质1、2的多个激光束重叠为一束。
在实施方式3涉及的激光振荡装置102中，也以使得在衍射光栅33衍射后的激光束的光束直径在激光介质1和激光介质2变为相同的方式，对激光介质1和透镜35之间的距离、透镜35和衍射光栅33之间的距离、激光介质2和透镜36之间的距离以及透镜36和衍射光栅33之间的距离、透镜35、36的焦距进行设定，由此能够使在衍射光栅33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3涉及的激光振荡装置102未使用部分反射镜，因此能够使装置实现简单化以及小型化，在此基础上，能够降低外部谐振器10内部的损耗而提高激光振荡的效率。
以上实施方式所示的结构表示本发明的内容的一个例子，可以与其它公知技术组合，在不脱离本发明的主旨的范围，还可以对结构的一部分进行省略、变更。
标号的说明
1、2、17、18激光介质，3、23、33衍射光栅，4、24部分反射镜，5、6、25、26、35、36透镜，10外部谐振器，11、21反射涂层，12、22前端，19a、19b、19c、20a、20b、20c发光点，41入射光束，42衍射光束，71、72驱动电路，81、82驱动电源，90控制部，100、101、102激光振荡装置。

Claims (4)

1.一种激光振荡装置，其特征在于，具有：
多个激光介质，它们所发出的激光束的波长不同；波长色散元件，其使从多个所述激光介质射入的多个所述激光束重叠而射出；部分反射元件，其对从所述波长色散元件射出的多个所述激光束的一部分进行反射而使其返回至所述波长色散元件，使剩余部分透过；以及多个透镜，它们分别配置于多个所述激光介质的每一个和所述波长色散元件之间，
多个所述透镜各自针对在多个所述激光介质和所述波长色散元件之间形成的每个光路进行配置，将来自多个所述激光介质的所述激光束在向所述波长色散元件的入射面上以同一外径进行重叠，
针对多个所述激光介质所发出的所述激光束的每个光路，所述激光介质和所述透镜之间的距离不同，并且所述透镜和所述波长色散元件之间的距离不同，
多个所述透镜各自的焦距不同。
2.根据权利要求1所述的激光振荡装置，其特征在于，
多个所述激光介质各自具有多个发出所述激光束的发光点。
3.根据权利要求1或2所述的激光振荡装置，其特征在于，
所述透镜是凹透镜。
4.一种激光振荡装置，其特征在于，具有：
多个激光介质，它们所发出的激光束的波长不同；波长色散元件，其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使其返回至所述激光介质，使剩余部分的多个所述激光束重叠地射出；以及多个透镜，它们分别配置于多个所述激光介质的每一个和所述波长色散元件之间，
多个所述透镜各自针对在多个所述激光介质和所述波长色散元件之间形成的每个光路进行配置，将来自多个所述激光介质的所述激光束在向所述波长色散元件的入射面上以同一外径进行重叠，
针对多个所述激光介质所发出的所述激光束的每个光路，所述激光介质和所述透镜之间的距离不同，并且所述透镜和所述波长色散元件之间的距离不同，
多个所述透镜各自的焦距不同，
所述波长色散元件将所述剩余部分的激光束相对于所述波长色散元件的表面垂直地射出。
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