CN111082297A - 一种清洗用高峰值功率激光高效耦合输出方法 - Google Patents

一种清洗用高峰值功率激光高效耦合输出方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种清洗用高峰值功率激光高效耦合输出方法，为实现此目标，本发明激光器采用MOPA结构（即通过振荡器产生的激光经放大器放大后输出），激光器的振荡器谐振腔采用动态非对称稳定腔，既能保证有较好的激光输出模式，又可具有较高的功率，并且镜片的失调灵敏度较低，使光斑填满放大器中晶体棒的有效区域，增加放大器抽取效率，又可以避免激光光斑过大，使LD损坏。

Description

一种清洗用高峰值功率激光高效耦合输出方法
技术领域
本发明涉及激光清洗技术领域，具体涉及一种清洗用高峰值功率激光高效耦合输出方法。
背景技术
激光清洗是一种新兴的绿色清洗方法，今年来受到越来越多的关注，与传统的清洗方式相比，激光清洗具有精度高、节能环保等优势。峰值功率是影响激光清洗效果的关键因素，目前市面上清洗用激光器主要分为光纤和固体两种，固体激光器可在高激光平均功率下突破高的峰值功率，在清洗方面比光纤激光器优势明显，但是由于固体激光器光束质量较光纤激光器差，难以耦合入传能光纤输出，在高峰值功率下容易造成激光耦合器损坏，并且目前耦合设计存在效率低的问题，是固体激光器应用较难突破的问题。
在发明专利《一种高平均功率高重复频率的固体激光器》（200910082481.4）中，提出的固体激光器，振荡级和放大级采用不同的增益介质，从而获得高平均功率和高重复频率的激光脉冲输出，有效解决单一增益介质固体激光器难以获得高平均功率和高重复频率激光输出的问题。但此发明振荡级采用单一模块加单一Q开关，难以保证脉冲激光光束质量，且该未涉及高平均功率和高重复频率的激光耦合进传能光纤的做法，这样不能保证其在清洗领域的适用性。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种清洗用高峰值功率激光高效耦合输出方法。
本发明是为获得高峰值功率、高光束质量脉冲激光，并实现通过光纤耦合传导输出，达到可以高效率激光清洗的目的。
为实现此目标，本发明激光器采用MOPA结构（即通过振荡器产生的激光经放大器放大后输出），激光器的振荡器谐振腔采用动态非对称稳定腔，既能保证有较好的激光输出模式，又可具有较高的功率，并且镜片的失调灵敏度较低，使光斑填满放大器中晶体棒的有效区域，增加放大器抽取效率，又可以避免激光光斑过大，使LD损坏。
通过对声光开关位置正交放置设计，保证对输出连续激光的有效关断，减少作用在光纤断面的热积累，设计激光准直、耦合方法，实现高峰值功率激光耦合光纤传导输出，提高激光耦合效率。
本专利技术方案的详细阐述，应该结合附图进行说明。
1、振荡器模块3靶条设计为五方向三线，功率15*30W，选用Nd:YAG晶体作为工作物质，掺杂浓度大于0.6%，尺寸φ4*78mm，这种设计可在尽可能大的光斑下保证均匀的能量密度，防止脉冲模式下高能量密度对光学器件造成损伤。
2、采用动态非对称稳定腔，输出镜7到振荡器模块3的距离为全反镜1到振荡器模块3距离的2倍，此设计可在保证高光束质量下使输出功率最大化，
3、采用双Q开关正交放置的方法，使其对称放置在振荡器模块3两侧，正交放置可在高重复频率下有效关断高功率激光。双Q开关与振荡器模块3距离保持1~2cm之间，防止在振荡器模块3加载大电流下，由于工作物质热透镜效应聚焦，在离振荡器模块3过远处损伤Q开关光学晶体，同时可避免由于距离较近，Q开关散射光对振荡器模块3中的晶体产生影响。
4、采用MOPA结构设计，防止振荡器高功率损伤光学器件，放大器模块8设计为五方向三线，功率15*40W，选用Nd:YAG晶体作为工作物质，掺杂浓度大于0.6%，尺寸φ5*78mm，保证振荡器输出激光可以全部作用在放大器模块8晶体上，避免对放大器模块8内靶条造成损坏。
5、激光器设计采用三层结构，在放大器模块8、激光耦合系统13前端分别放置两个45°可调全反镜，这种设计一是可以使激光器长宽比协调，更重要的是可以微调整激光传输方向，使激光精确耦合入放大器模块8和光纤14中。
6、在激光耦合系统13前放置小孔11、12，小孔11紧靠45°可调全反镜10、小孔12紧靠激光耦合系统，通过调节45°可调全反镜9，使激光完全通过小孔11，然后调节45°可调全反镜10，使激光完全通过小孔12，重复以上步骤，是激光完全通过小孔11、12，确保激光可以完全正入激光耦合系统13。
7、激光耦合系统采用先放大再准直后聚焦的方式，目的是为了获得更小的激光光斑，耦合入200~300微米光纤14中，激光作用在扩束镜片16上对光束进行发散，经准直镜片17将激光准直，再经焦距更短的聚焦镜片18将光斑变小，耦合进光纤14中。其中准直镜片17左右位置可调，以此控制聚焦光斑大小。
本专利技术的优点
激光器采用MOPA结构如图1所示，振荡器谐振腔的设计是采用动态稳定腔，该腔型技能保证有比较好的激光输出模式，又可具有较高的功率，并且镜片的失调灵敏度较低，提高激光完全耦合光纤的几率。
通过设计双Q开关正交放置、双小孔准直、望远镜式耦合方法，解决高峰值功率下激光耦合光纤输出难、效率低的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本发明一实施例提供一种清洗用高峰值功率激光高效耦合输出方法流程图；
图2为图1所示的激光耦合系统的原理图。
附图中，1、全反镜；2、Q开关1；3、振荡器模块；4、Q开关2；5、45°全反镜1；6、45°全反镜2；7、输出镜；8、放大器模块；9、45°全反镜3；10、45°全反镜4；11、小孔1；12小孔2；13、耦合系统；14、传能光纤。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
为了易于说明，在这里可以使用诸如“上”、“下”“左”“右”等空间相对术语，用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图中示出的方位之外，空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定位在其他元件或特征“上”。因此，示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本专利技术方案的详细阐述，应该结合附图进行说明。
1、振荡器模块3靶条设计为五方向三线，功率15*30W，选用Nd:YAG晶体作为工作物质，掺杂浓度大于0.6%，尺寸φ4*78mm，这种设计可在尽可能大的光斑下保证均匀的能量密度，防止脉冲模式下高能量密度对光学器件造成损伤。
2、采用动态非对称稳定腔，输出镜7到振荡器模块3的距离为全反镜1到振荡器模块3距离的2倍，此设计可在保证高光束质量下使输出功率最大化，
3、采用双Q开关正交放置的方法，使其对称放置在振荡器模块3两侧，正交放置可在高重复频率下有效关断高功率激光。双Q开关与振荡器模块3距离保持1~2cm之间，防止在振荡器模块3加载大电流下，由于工作物质热透镜效应聚焦，在离振荡器模块3过远处损伤Q开关光学晶体，同时可避免由于距离较近，Q开关散射光对振荡器模块3中的晶体产生影响。
4、采用MOPA结构设计，防止振荡器高功率损伤光学器件，放大器模块8设计为五方向三线，功率15*40W，选用Nd:YAG晶体作为工作物质，掺杂浓度大于0.6%，尺寸φ5*78mm，保证振荡器输出激光可以全部作用在放大器模块8晶体上，避免对放大器模块8内靶条造成损坏。
5、激光器设计采用三层结构，在放大器模块8、激光耦合系统13前端分别放置两个45°可调全反镜，这种设计一是可以使激光器长宽比协调，更重要的是可以微调整激光传输方向，使激光精确耦合入放大器模块8和光纤14中。
6、在激光耦合系统13前放置小孔11、12，小孔11紧靠45°可调全反镜10、小孔12紧靠激光耦合系统，通过调节45°可调全反镜9，使激光完全通过小孔11，然后调节45°可调全反镜10，使激光完全通过小孔12，重复以上步骤，是激光完全通过小孔11、12，确保激光可以完全正入激光耦合系统13。
7、激光耦合系统采用先放大再准直后聚焦的方式，目的是为了获得更小的激光光斑，耦合入200~300微米光纤14中，激光作用在扩束镜片16上对光束进行发散，经准直镜片17将激光准直，再经焦距更短的聚焦镜片18将光斑变小，耦合进光纤14中。其中准直镜片17左右位置可调，以此控制聚焦光斑大小。
图1中，放大器模块3产生的光束在全反镜1和输出镜5组成的谐振腔中往返振荡，经输出镜5输出连续激光，双Q开关2、4正交放置，使连续激光变为纯净的脉冲激光，经两个45°可调全反镜架6、7将激光微调进入放大器模块8中，使输出的激光功率放大，再经两个45°可调全反镜架9、10 将激光完全微调通过小孔11、12，再经激光耦合系统13将激光耦合进入光纤14中。
图2中，激光作用在扩束镜片16上对光束进行发散，经准直镜片17将激光准直，再经焦距更短的聚焦镜片18将光斑变小，耦合进光纤14中。其中准直镜片17左右位置可调，以此控制聚焦光斑大小。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (7)

1.一种清洗用高峰值功率激光高效耦合输出方法，其特征在于：振荡器模块3靶条设计为五方向三线，功率15*30W，选用Nd:YAG晶体作为工作物质，掺杂浓度大于0.6%，尺寸φ4*78mm，这种设计可在尽可能大的光斑下保证均匀的能量密度，防止脉冲模式下高能量密度对光学器件造成损伤。
2.根据权利要求1所述的清洗用高峰值功率激光高效耦合输出方法，其特征在于：采用动态非对称稳定腔，输出镜7到振荡器模块3的距离为全反镜1到振荡器模块3距离的2倍，此设计可在保证高光束质量下使输出功率最大化，
根据权利要求1所述的清洗用高峰值功率激光高效耦合输出方法，其特征在于：采用双Q开关正交放置的方法，使其对称放置在振荡器模块3两侧，正交放置可在高重复频率下有效关断高功率激光。
3.双Q开关与振荡器模块3距离保持1~2cm之间，防止在振荡器模块3加载大电流下，由于工作物质热透镜效应聚焦，在离振荡器模块3过远处损伤Q开关光学晶体，同时可避免由于距离较近，Q开关散射光对振荡器模块3中的晶体产生影响。
4.根据权利要求1所述的清洗用高峰值功率激光高效耦合输出方法，其特征在于：采用MOPA结构设计，防止振荡器高功率损伤光学器件，放大器模块8设计为五方向三线，功率15*40W，选用Nd:YAG晶体作为工作物质，掺杂浓度大于0.6%，尺寸φ5*78mm，保证振荡器输出激光可以全部作用在放大器模块8晶体上，避免对放大器模块8内靶条造成损坏。
5.根据权利要求1所述的清洗用高峰值功率激光高效耦合输出方法，其特征在于：激光器设计采用三层结构，在放大器模块8、激光耦合系统13前端分别放置两个45°可调全反镜，这种设计一是可以使激光器长宽比协调，更重要的是可以微调整激光传输方向，使激光精确耦合入放大器模块8和光纤14中。
6.根据权利要求1所述的清洗用高峰值功率激光高效耦合输出方法，其特征在于：在激光耦合系统13前放置小孔11、12，小孔11紧靠45°可调全反镜10、小孔12紧靠激光耦合系统，通过调节45°可调全反镜9，使激光完全通过小孔11，然后调节45°可调全反镜10，使激光完全通过小孔12，重复以上步骤，是激光完全通过小孔11、12，确保激光可以完全正入激光耦合系统13。
7.根据权利要求1所述的清洗用高峰值功率激光高效耦合输出方法，其特征在于：激光耦合系统采用先放大再准直后聚焦的方式，目的是为了获得更小的激光光斑，耦合入200~300微米光纤14中，激光作用在扩束镜片16上对光束进行发散，经准直镜片17将激光准直，再经焦距更短的聚焦镜片18将光斑变小，耦合进光纤14中，其中准直镜片17左右位置可调，以此控制聚焦光斑大小。
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