CN110896194A - 光闸装置、激光器及消除热透镜效应对激光光束影响的方法 - Google Patents

光闸装置、激光器及消除热透镜效应对激光光束影响的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光闸装置、激光器及消除热透镜效应对激光光束影响的方法，包括：底座；挡板，其位于光学谐振腔结构的全反镜与输出镜之间；以及驱动装置，其安装在所述底座上，且连接所述挡板，用于驱动挡板转动；所述驱动装置可驱动所述挡板转动预设角度，以使挡板处于遮挡状态，使得在激光固体工作物质处于热透镜效应期间，激光光路被挡板截断；当激光固体工作物质处于稳定状态时，驱动装置可带动挡板转动预设角度，以使挡板处于开放状态，使得所述激光经由输出镜输出。其针对热透镜效应最显著的激光固体工作物质(如激光晶体)，采用在谐振腔内的光路上加入光闸的方式来控制激光光束的传播，从而获得稳定的光束质量。

Description

光闸装置、激光器及消除热透镜效应对激光光束影响的方法
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，具体涉及一种用于消除热透镜效应对激光光束影响的光闸装置、激光器及消除热透镜效应对激光光束影响的方法。
背景技术
激光凭借其优异特性获得了重多用户的肯定，伴随着激光在各领域的推广应用，用户对激光的要求越来越高，传统的脉冲激光器在光电转换过程中会产生大量的热，激光谐振腔内热透镜效应明显，从而使激光激发开始后的一段时间内激光光束质量明显较稳定后差，由此给精细加工带来很大困扰。目前针对上述因热透镜效应导致激光光束质量不一的现象尚无有效的解决办法，大多激光设备厂商采用丢点的方式规避，或者干脆放任不管。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种用于消除热透镜效应对激光光束影响的光闸装置、激光器及消除热透镜效应对激光光束影响的方法，其针对脉冲激光设备中热透镜效应最显著的激光固体工作物质(如激光晶体)，采用在谐振腔内的光路上加入光闸的方式来控制激光光束的传播，从而获得稳定的光束质量。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一方面，提供了一种用于消除热透镜效应对激光光束影响的光闸装置，其包括：底座；挡板，其位于光学谐振腔结构的全反镜与输出镜之间；以及驱动装置，其安装在所述底座上，且连接所述挡板，用于驱动所述挡板转动；
所述驱动装置可驱动所述挡板转动预设角度，以使挡板处于遮挡状态，使得在激光固体工作物质处于热透镜效应期间，激光光路被挡板截断；当激光固体工作物质处于稳定状态时，所述驱动装置可带动挡板转动预设角度，以使挡板处于开放状态，使得所述激光经由输出镜输出。
优选的，所述挡板整体由反光材料或吸光材料制成，或所述挡板表面包覆有反光材料或吸光材料。
优选的，所述挡板位于光学谐振腔结构的聚光腔结构与输出镜之间。
优选的，所述挡板厚度为0.5-1.5mm。
优选的，所述驱动装置包括电机。
另一方面，还提供了一种激光器，其包括：光学谐振腔结构，且所述光学谐振腔结构包括全反镜与输出镜；聚光腔结构，其位于所述全反镜与输出镜之间；泵浦源和激光固体工作物质，两者均安装在所述聚光腔结构内，且通过泵浦源激励激光固体工作物质产生激光；以及上述光闸装置，且所述光闸装置的挡板位于聚光腔结构与输出镜之间。
另一方面，还提供一种利用上述光闸装置实现的消除热透镜效应对激光光束影响的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、获取激光固体工作物质的热透镜效应持续时间T热，设定挡板遮挡状态持续时间为T，且T≥T热；
S2、当挡板从遮挡状态转换成开放状态过程中所需转动角度α一定时，先按照公式(1)计算某一激光出光频率f下挡板2对应的旋转角速度ω；
ω＝α*f (1)；
以此反复，直至计算出N个不同激光出光频率f1、f2…fN下挡板对应的旋转角速度ω1、ω2…ωN，N为正整数；
再设定挡板2由遮挡状态转换为开放状态过程中的旋转角速度为ω，且保证ω大于ω1、ω2…中的最大值ω大；
再根据公式(2)计算出激光出光频率f下相邻两激光脉冲间隔时间t，以及根据公式(3)计算挡板由遮挡状态转换为开放状态的时间t转，且保证t转≤t；
t＝1/f (2)；
t转＝α/ω (3)；
以及S3、控制驱动装置带动挡板以旋转角速度ω转动α角度，使得挡板从遮挡状态转换为开放状态，激光从所述输出镜射出。
优选的，所述T≥1.1s。
优选的，所述α角度为10-15°。
优选的，所述ω≥1000°/s。
与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：
本发明针对脉冲激光设备中热透镜效应最显著的激光固体工作物质(如激光晶体)，采用在谐振腔内的光路上加入光闸的方式来控制激光光束的传播，即，在激光固体工作物质处于热透镜效应期间遮挡激光，截断光路；在激光固体工作物质处于稳定状态后打开光路，使激光经谐振腔振荡后出射，从而消除激光固体工作物质的热透镜效应带来的不利影响，从而获得稳定的光束质量。
附图说明
图1a为实施例一中光闸装置(无夹持块)的整体结构图；
图1b为实施例一中光闸装置的整体结构图；
图2a为实施例一中挡板位于聚光腔结构与输出镜之间，且挡板处于遮挡状态时的光路图；
图2b为实施例一中挡板位于聚光腔结构与输出镜之间，且挡板处于开放状态时的光路图；
图3为实施例一中挡板位于聚光腔结构与全反镜之间，且挡板处于遮挡状态时的光路图；
图4a为实施例二中激光器的俯视图；
图4b为实施例二中激光器的主视图；
图5为实施例三中F1＝5Hz时，第一到第三十个脉冲的激光光束轮廓图像信息；
图6为实施例三中F2＝10Hz时，第一到第三十个脉冲的激光光束轮廓图像信息；
图7为实施例三中F3＝15Hz时，第一到第三十个脉冲的激光光束轮廓图像信息；
图8为实施例三中挡板从遮挡状态转换成开放状态的步骤流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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做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。
实施例一：
如图1a-1b，2a-2b所示，本发明中用于消除热透镜效应对激光光束影响的光闸装置包括：具有内部空腔101的底座1，其在激光光路S上开设有入射孔102，所述激光通过泵浦源激励激光固体工作物质(如激光晶体等)产生，且所述泵浦源、激光固体工作物质均安装在聚光腔结构100内，同时，激光器的光学谐振腔结构的全反镜103与输出镜104(如部分反射镜)分别对应设置于所述激光固体工作物质的两端；挡板2，其设置于内部空腔101内，且位于激光器的光学谐振腔结构的聚光腔结构100与输出镜104之间，同时，所述挡板2厚度为0.5-1.5mm(优选为1.0mm)；驱动装置3(如电机等)，其连接所述挡板2，用于驱动所述挡板2在所述内部空腔101内转动，具体的，如图1a-1b所示，本实施例中的底座1光闸装置还包括：固定座301，其连接所述底座1的上端面，且可与所述底座1一体成型，所述固定座301朝向聚光腔结构100的一面上开设有容纳部分驱动装置3的第一槽口3012以及安装孔3011；夹持块302，其朝向所述固定座301的一面上开设有容纳部分驱动装置3的第二槽口3021；所述夹持块302通过所述安装孔3011与所述固定座301连接，使得第一槽口3012以及第二槽口3021分别对应容纳部分驱动装置3，以通过夹持固定所述驱动装置3的位置。
如图2a所示，聚光腔结构100内产生的激光分别向全反镜103和输出镜104射出；所述驱动装置3可驱动所述挡板2转动预设角度，以使挡板2处于遮挡状态，使得在激光固体工作物质处于热透镜效应期间，所述激光经入射孔102进入到底座1后，激光被挡板2反射或吸收，激光光路S被挡板2截断，进而无法在穿过底座1后经由输出镜104输出；如图2b所示，当激光固体工作物质处于稳定状态，即不再产生热透镜效应或产生的热透镜效应低于预期值时，所述驱动装置3可带动挡板2转动预设角度α(即从图2b中的虚线位置转动α角度后达到实线位置)，以使挡板2处于开放状态，使得所述激光经入射孔102进入到底座1内，且在穿过底座1后经由输出镜104输出。
该种设置的优点在于，如图3所示，当挡板2位于全反镜103及聚光腔结构100之间，且激光固体工作物质处于热透镜效应期间时，即使挡板2处于遮挡状态，仍然会有部分激光经振荡后由输出镜104出射，该部分激光光束质量同样难以保证，而当挡板2位于聚光腔结构100与输出镜104之间时，即使在激光固体工作物质处于热透镜效应期间，激光也完全无法从输出镜104发出，只有待激光固体工作物质稳定后，再次旋转挡板2，打开光路，激光才能出射，由此可充分保证出射激光光束的质量。
进一步的，为保证挡板2可充分截断激光光路，所述挡板2整体由反光材料(如铝)或吸光材料制成，或所述挡板2表面包覆有反光材料或吸光材料，只要能保证激光不会透过挡板2继续传播即可。
实施例二：
本实施例提供了一种激光器，如图4a-4b所示，其包括：光学谐振腔结构，且所述光学谐振腔结构包括相对设置的全反镜103与输出镜104(如部分反射镜)，且所述全反镜103与输出镜104均垂直于光轴；聚光腔结构100，其位于所述全反镜103与输出镜104之间；泵浦源和激光固体工作物质(如激光晶体等)，两者均安装在所述聚光腔结构100内，且通过泵浦源激励激光固体工作物质产生激光；如实施例一或二所述的光闸装置200，且所述光闸装置200的挡板2位于聚光腔结构100与输出镜104之间；以及氙灯电极固定座5，其用于电连接作为电源的氙灯。
实施例三：
本实施例提供了一种利用实施例一或二所述光闸装置实现的消除热透镜效应对激光光束影响的方法，其包括如下步骤：
S1、获取激光固体工作物质的热透镜效应持续时间T热，且设定挡板2遮挡状态持续时间为T，且T≥T热；由此可保证热透镜效应持续时间内产生的质量不稳定的激光不会从输出镜104输出；
S2、如图2a所示，在激光器接收到出光信号前，驱动装置3先驱动挡板2顺时针转动，使挡板2处于遮挡状态，且挡板2与光路S呈α’夹角，以截断光路；激光固体工作物质稳定(即不再产生热透镜效应或产生的热透镜效应低于预期值)后，如图2b所示，驱动装置3驱动挡板2逆时针转动α角度(α可以与α’相同)，使得挡板2处于开放状态，此时挡板2不再遮挡光路，激光从输出镜104出射；
激光固体工作物质从产生热透镜效应至达到稳定期间，激光持续处于激发状态，因此需要保证激光固体工作物质稳定(即不再产生热透镜效应或产生的热透镜效应低于预期值)后，挡板2由遮挡状态转换为开放状态过程中不会对激光持续出射造成遮挡；
因此本步骤中，当挡板2从遮挡状态转换成开放状态过程中所需转动角度α一定时(所述α角度为10-15°，优选为12°)，先按照公式(1)计算某一激光出光频率f下挡板2对应的旋转角速度ω；
ω＝α*f (1)；
以此反复，直至计算出N个不同激光出光频率f1、f2…fN下挡板2对应的旋转角速度ω1、ω2…ωN，N为正整数；
再设定挡板2由遮挡状态转换为开放状态过程中的旋转角速度为ω，且保证ω大于或等于ω1、ω2…中的最大值ω大；例如，若取出光频率f1、f2…fN中的最大出光频率f＝100Hz,α＝10°，则ω大＝10*100＝1000°/s，且ω≥1000°/s；
再根据公式(2)计算出激光出光频率f下相邻两激光脉冲间隔时间t，以及根据公式(3)计算挡板2由遮挡状态转换为开放状态的时间t转，且保证t转≤t；
t＝1/f (2)；
t转＝α/ω (3)；
以及S3、控制驱动装置带动挡板2以旋转角速度ω转动α角度，使得挡板2从遮挡状态转换为开放状态，激光从所述输出镜射出。
进一步的，所述步骤S1包括如下步骤：
S11、在未消除热透镜效应的状态下，设置不同的激光出光频率F1、F2…；
S12、在不同的激光出光频率下，分别使用激光光束分析仪对从出光开始至预定时间内的每一个激光脉冲进行测算，得到处于同一焦面的每个激光脉冲的激光光束轮廓图像信息，所述激光光束轮廓图像信息包括光斑直径、光斑形状、峰值中心和几何中心中的一种或几种；
S13、通过对比得知在不同激光出光频率F1、F2…下，分别对应从第N1、N2…个激光脉冲开始激光稳定，且通过公式(4)计算出不同激光出光频率F1、F2…下对应的热透镜效应持续时间T热1、T热2…；
T热＝N/F (4)；
本步骤中，当在同一焦面时的不同激光脉冲得到的图像直径差距不超过5％、形状趋近圆形、颜色接近一致时，表明此时激光是稳定的；
以及S14、取T热1、T热2…中最大值为激光固体工作物质的热透镜效应持续时间T热。
在保证聚光腔腔型、激光固体工作物质和其它会导致光斑直径和能量分布变化的硬件不变的激光设备中，使用Spiricon激光光束分析仪和BeamGage软件测算，分别设置出光频率为F1＝5Hz、F2＝10Hz、F3＝15Hz说明上述激光固体工作物质的热透镜效应持续时间T热的获取过程：
(1)如图5所示，F1＝5Hz时，按照脉冲激发顺序，由激光光束分析仪测算从第一到第三十个脉冲的激光光束轮廓图像信息，可知N1＝5时，激光开始稳定，则T热1＝5/5＝1.0s；
(2)如图6所示，F2＝10Hz时，按照脉冲激发顺序，由激光光束分析仪测算从第一到第三十个脉冲的激光光束轮廓图像信息，可知N2＝11时，激光开始稳定，则T热2＝11/10＝1.1s；
(3)如图7所示，F3＝15Hz时，按照脉冲激发顺序，由激光光束分析仪测算的从第一到第三十个脉冲的激光光束轮廓图像信息，可知N3＝17时，激光开始稳定，则T热3＝17/15＝1.13s；
取T热1、T热2、T热3中最大值为T热，则T热＝1.13s。
因此，综合步骤S1-S2可得出，在激光固体工作物质稳定(即不再产生热透镜效应或产生的热透镜效应低于预期值)后，为保证挡板2的转动不对激光持续出射造成干扰，应选用可带动挡板2以旋转角速度ω≥1000°/s的驱动装置，且应挡板2遮挡状态持续时间T≥1.13s，此后从输出镜104出射的激光光束不会受到热透镜效应影响，质量最为稳定。
图8所示为通过所述光闸装置消除热透镜效应对激光光束质量影响的工作流程图，激光器收到出光信号开始出光，此时热透镜效应随之产生，同时使挡板2处于遮挡状态；挡板2遮挡状态持续预定时间T后，驱动装置带动挡板2以旋转角速度ω转动α角度，使其处于开放状态并保持，激光从输出镜104射出；待激光器接收到的出光信号中断时，出光停止，驱动装置带动挡板2再次转动，使其与光路呈α’夹角，使挡板2处于遮挡状态并保持。
综上所述，本发明可适用于YAG脉冲激光设备在精密、精细加工领域的应用，可在不更改脉冲激光设备主要配置的情况下，消除激光固体工作物质热透镜效应对激光光束的不良影响，改善激光光束质量；同时，所述光闸装置体积小、成本低廉、易于安装及调试，可模块化设计，便于对现有设备进行改进，扩大设备应用范围。
需要说明的是，上述实施例一至三中的技术特征可任意组合，且组合而成的技术方案均属于本发明的保护范围。在本文中，诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种用于消除热透镜效应对激光光束影响的光闸装置，其特征在于，包括：底座；挡板，其位于光学谐振腔结构的全反镜与输出镜之间；以及驱动装置，其安装在所述底座上，且连接所述挡板，用于驱动所述挡板转动；
所述驱动装置可驱动所述挡板转动预设角度，以使挡板处于遮挡状态，使得在激光固体工作物质处于热透镜效应期间，激光光路被挡板截断；当激光固体工作物质处于稳定状态时，所述驱动装置可带动挡板转动预设角度，以使挡板处于开放状态，使得所述激光经由输出镜输出。
2.如权利要求1所述的光闸装置，其特征在于，所述挡板整体由反光材料或吸光材料制成，或所述挡板表面包覆有反光材料或吸光材料。
3.如权利要求1所述的光闸装置，其特征在于，所述挡板位于光学谐振腔结构的聚光腔结构与输出镜之间。
4.如权利要求1所述的光闸装置，其特征在于，所述挡板厚度为0.5-1.5mm。
5.如权利要求1所述的光闸装置，其特征在于，所述驱动装置包括电机。
6.一种激光器，其包括：光学谐振腔结构，且所述光学谐振腔结构包括全反镜与输出镜；聚光腔结构，其位于所述全反镜与输出镜之间；泵浦源和激光固体工作物质，两者均安装在所述聚光腔结构内，且通过泵浦源激励激光固体工作物质产生激光；如权利要求1-4任一项所述的光闸装置，且所述光闸装置的挡板位于全反镜与聚光腔结构之间或位于聚光腔结构与输出镜之间。
7.利用权利权利要求1-4任一项所述的光闸装置实现的消除热透镜效应对激光光束影响的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、获取激光固体工作物质的热透镜效应持续时间T热，设定挡板遮挡状态持续时间为T，且T≥T热；
S2、当挡板从遮挡状态转换成开放状态过程中所需转动角度α一定时，先按照公式(1)计算某一激光出光频率f下挡板2对应的旋转角速度ω；
ω＝α*f (1)；
以此反复，直至计算出N个不同激光出光频率f1、f2…fN下挡板对应的旋转角速度ω1、ω2…ωN，N为正整数；
再设定挡板2由遮挡状态转换为开放状态过程中的旋转角速度为ω，且保证ω大于ω1、ω2…中的最大值ω大；
再根据公式(2)计算出激光出光频率f下相邻两激光脉冲间隔时间t，以及根据公式(3)计算挡板由遮挡状态转换为开放状态的时间t转，且保证t转≤t；
t＝1/f (2)；
t转＝α/ω (3)；
以及S3、控制驱动装置带动挡板以旋转角速度ω转动α角度，使得挡板从遮挡状态转换为开放状态，激光从所述输出镜射出。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述T≥1.1s。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述α角度为10-15°。
10.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述ω≥1000°/s。
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