CN111769432A - 功率任意可调的高耦合效率千瓦级光纤输出纳秒激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种功率任意可调的高耦合效率千瓦级光纤输出纳秒激光器，其包括沿光学路径依次设置的主振荡器、功率调节系统、第一放大器、第二放大器以及光纤耦合模块；主振荡器包括平面反射镜、第一激光模块、90°石英旋光器、第二激光模块、声光调Q开关、第一偏振片及平面输出镜；功率调节系统包括λ/2波片、第二偏振片、光学相机、第一45°反射镜、第二45°反射镜；第一放大器包括第三激光模块；第二放大器包括第四激光模块。本发明借助于动态稳定腔结构设计，可以在保持极高的光纤耦合效率下实现大功率范围内0～100％的连续功率可调，且光纤耦合效率在整个功率调节范围内均大于94％。
Description
【技术领域】
本发明属于激光器技术领域，特别是涉及一种功率任意可调的高耦合效率千瓦级光纤输出纳秒激光器。
【背景技术】
激光清洗是一种无污染、高效环保的绿色清洗技术。高功率、纳秒脉冲、光纤耦合输出的激光器是激光清洗应用中的重要光源。声光调Q固体激光器技术是产生这一光源的有效手段。传统固体激光器存在光束质量差，光束质量随泵浦功率提高而严重恶化等问题，严重影响高功率大能量激光耦合进传能光纤的整体效率，在实际应用中效果不佳。
从激光谐振器的结构设计考虑，传统的激光清洗用激光谐振腔均采用对称式的结构设计，该结构的一个显著问题就是激光的光束质量随着泵浦功率的增加而逐渐降低。在光纤耦合系统参数确定的情况下，光束质量的改变必然引起耦合效率的降低，即光纤耦合系统的效率只在一个有限的功率范围内满足实际的要求，这极大地限制了激光清洗系统的功率灵活性和实用性。虽然可以通过引入热透镜补偿器件或者光学自适应系统在一定程度上缓解这一问题，但是却显著增加了系统的复杂程度和成本。
综上考虑，虽然目前现有的激光器技术可以获取高功率、高能量、重复频率可调、且有限功率可调的激光清洗光源，但是功率调整引起的光束质量改变并进而影响光纤耦合效率降低的问题仍然未能得到有效的解决。
因此，有必要提供一种新的功率任意可调的高耦合效率千瓦级光纤输出纳秒激光器来解决上述问题。
【发明内容】
本发明的主要目的在于提供一种功率任意可调的高耦合效率千瓦级光纤输出纳秒激光器，可实现大功率调节范围内获得稳定的光效耦合效率，实现千瓦级大能量纳秒脉冲激光的柔性传输；解决因传统激光器光束质量随输出功率提高急剧恶化，进而导致光纤耦合效率低、稳定性差的问题。
本发明通过如下技术方案实现上述目的：一种功率任意可调的高耦合效率千瓦级光纤输出纳秒激光器，其包括沿光学路径依次设置的主振荡器、功率调节系统、第一放大器、第二放大器以及光纤耦合模块；所述主振荡器包括沿光学路径依次设置的平面反射镜、第一激光模块、90°石英旋光器、第二激光模块、声光调Q开关、第一偏振片以及平面输出镜；所述功率调节系统包括λ/2波片、第二偏振片、光学相机、第一45°反射镜、第二45°反射镜；所述第一放大器包括第三激光模块；所述第二放大器包括第四激光模块；所述光纤耦合模块包括第三45°反射镜、第四45°反射镜、光纤耦合透镜、可实现激光焦点三维位置调节的调焦系统及传能光纤。
优选的，所述λ/2波片带有电动旋转调节机构实现自动调节。
优选的，所述第一偏振片和第二偏振片均为薄膜偏振片。
优选的，所述传能光纤的芯径为200～1000μm。
优选的，所述第一激光模块、第二激光模块、第三激光模块及第四激光模块均包括泵浦源和激光晶体。
优选的，所述泵浦源的波长为808nm或940nm；所述激光晶体为Nd:YAG或Yb:YAG晶体，直径为4～10mm。
优选的，所述第一激光模块、第二激光模块、第三激光模块及第四激光模块输出的激光波长包括1030nm和1064nm。
优选的，所述泵浦源短腔多模输出功率为100～500W。
优选的，所述平面输出镜的反射率为50％～90％。
优选的，所述第一激光模块的激光晶体前端面与所述平面反射镜沿光路的距离为100～500mm。
优选的，所述第二激光模块的激光晶体后端面与所述平面输出镜沿光路的距离为100～500mm。
优选的，所述平面输出镜与所述第三激光模块的激光晶体前端面沿光路的距离为100～500mm。
优选的，所述第三激光模块的激光晶体后端面与所述第四激光模块的激光晶体的前端面沿光路的距离为100～500mm。
与现有技术相比，本发明一种功率任意可调的高耦合效率千瓦级光纤输出纳秒激光器的有益效果在于：可实现大功率范围内0～100％的连续功率可调，并具有稳定的光纤耦合效率，其耦合效率在整个可调功率范围内大于94％，从而实现千瓦级大能量纳秒脉冲激光的柔性传输，有利于在实际的激光清洗应用中获得更好的加工效果。具体的，
1)本方案中的主振荡器采用动态稳定腔设计，可以实现较大功率范围内的稳定高光束质量激光输出，避免光束质量随输出功率提高而急剧恶化的问题；
2)本方案激光器可实现在大功率调节范围内获得稳定的激光耦合效率，实现千瓦级大能量纳秒脉冲激光的柔性传输；通过非对腔结构设计，优化了种子光在不同输出功率下的光束质量，在放大级泵浦功率不变的条件下，可以保证高光束质量的激光输出，进而保证了在任何输出功率下都可以实现极高的光纤耦合效率；解决因传统激光器因光束质量随输出功率提高而急剧恶化，并进而导致光纤耦合效率低、稳定性差的问题；
3)本方案激光器没有复杂的级间光束整形与光路耦合系统，结构简单，可靠性高，成本低。
【附图说明】
图1为本发明实施例的结构示意图；
图2为本发明实施例的光纤耦合效率实测结果图；
图3为本发明实施例中对比例的光纤耦合效率测量结果图；
图中数字表示：
1、平面反射镜；2、第一激光模块；3、90°石英旋光器；4、第二激光模块；5、声光调Q开关；6、第一偏振片；7、平面输出镜；8、λ/2波片；9、光学相机；10、第二偏振片；11、第一45°反射镜；12、第二45°反射镜；13、第三激光模块；14、第四激光模块；15、第三45°反射镜；16、第四45°反射镜；17、光纤耦合透镜；18、激光焦点三维调焦系统；19、传能光纤。
【具体实施方式】
实施例：
请参照图1，本实施例一种功率任意可调的高耦合效率千瓦级光纤输出纳秒激光器，其包括沿光学路径依次设置的主振荡器、功率调节系统、第一放大器、第二放大器以及光纤耦合模块。
其中，所述主振荡器沿光学路径依次包括平面反射镜1、第一激光模块2、90°石英旋光器3、第二激光模块4、声光调Q开关5、第一偏振片6、以及平面输出镜7。
本实施例中，所述激光模块(第一激光模块2和第二激光模块4)均包括808nm半导体激光器和侧面泵浦Nd:YAG模块，输出激光波长为1064nm。第一激光模块2的激光晶体前端面与平面反射镜1间的距离为120mm，第二激光模块4的激光晶体后端面与平面输出镜7间的距离为160mm。激光晶体的直径为5mm，平面输出镜7的反射率为70％。
经实测，所述主振荡器输出激光参数为：平均功率为400W，重复频率为10kHz，脉冲宽度为70ns，光束质量M2因子在20～24之间。
本实施例中，所述功率调节系统包括带电动旋转调节的λ/2波片8、光学相机9、第二偏振片10、第一45°反射镜11以及45°第二反射镜12，λ/2波片8通过一电动旋转机构驱动实现调节。通过调节λ/2波片8的角度可以分配进入下一级的激光功率，调节比例在0～100％范围之内，从而实现在整个功率范围内的任意可调。
本实施例中，所述第一放大器包括第三激光模块13，第二放大器包括第四激光模块14。平面输出镜7到第一放大器激光晶体前端面的距离为350mm；第三激光模块13的激光晶体后端面到第四激光模块14的激光晶体前端面的距离为400mm。
第三激光模块13与第四激光模块14均包括940nm半导体激光器和侧面泵浦Nd:YAG模块，输出激光波长为1064nm。在其他实施例中，也可以采用侧面泵浦Nb:YAG模块，直径为4～10mm。
所述主振荡器输出的脉冲激光经过两级放大器进行功率放大，输出激光参数为：平均功率为1000W，重复频率为10kHz，脉冲宽度为60ns，光束质量M2因子保持在21～25之间，光斑大小较为稳定。
本实施例中，所述光纤耦合模块包括第三45°反射镜15、第四45°反射镜16、光纤耦合透镜17、激光焦点三维调焦系统18、以及传能光纤19。其中，传能光纤19的芯径为200～1000μm，本实施例中为600μm。
第一偏振片6与第二偏振片10均为薄膜偏振片。
其中，Nd:YAG模块为增益介质，808nm半导体激光器为增益介质提供泵浦能量。平面反射镜1、第一激光模块2、90°石英旋光器3、第二激光模块4、声光调Q开关5、第一偏振片6、以及平面输出镜7组成主振荡器。由于采用非对称的动态稳定腔结构设计，可以在不同的输出功率下均可以获得高光束质量的种子激光输出。所述第一放大器和所述第二放大器用来对种子光进行两次功率放大。特别的，在两级放大器泵浦功率一定的情况下，其晶体对应的热透镜是一定的，即只需要通过调节λ/2波片8的角度可以自由分配进入放大器的种子光功率，且在不影响最后放大输出激光的光束质量前提下实现任意输出功率可调。最终消除了输出功率改变对光束质量的影响，进而保证了在整个功率范围内均可以实现极高的光纤耦合效率。最后，通过调节第三45°反射镜15、第四45°反射镜16、光纤耦合透镜17和激光焦点三维调焦系统18，可以将放大后的激光稳定耦合进传能光纤19当中。
实测证明，本实施例一种千瓦级光纤输出纳秒脉冲激光器，通过参数优化设计出非对称腔结构的主振荡器，主振荡器输出的脉冲光经过二级放大器得到有效的放大，放大后的激光经过光纤耦合模块导入传能光纤，实现千瓦级纳秒激光的柔性传输，整体输出效率高，能获得高效的光纤耦合效率实测结果如图2所示，通过调节主谐振腔输出激光分配进入放大级的功率大小，可以实现比例在0～100％范围之内连续功率可调；由于主谐振腔输出激光的光束质量稳定性好，在整个功率范围内都可以实现较高的光纤耦合效率，且耦合效率均大于94％；同时，该方案有利于在激光加工过程中保持稳定的光斑大小和加工效果，实际应用效果突出。
为了进一步说明本实施例所述激光器的优异效果，此处引用已知的相关案例进行对比，对比例为根据文献(Optics&Laser Technology,2019,116:139-143.)所记载的方案，其光纤耦合效率实测结果如图3所示，由于谐振腔输出激光的光束质量随着泵浦功率的增加而不断改变，导致其光纤耦合效率存在显著的波动现象，这种不稳定性对于实际的应用会产生严重的不利影响，应用效果较差。
以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种功率任意可调的高耦合效率千瓦级光纤输出纳秒激光器，其特征在于：其包括沿光学路径依次设置的主振荡器、功率调节系统、第一放大器、第二放大器以及光纤耦合模块；所述主振荡器包括沿光学路径依次设置的平面反射镜、第一激光模块、90°石英旋光器、第二激光模块、声光调Q开关、第一偏振片及平面输出镜；所述功率调节系统包括λ/2波片、第二偏振片、光学相机、第一45°反射镜、第二45°反射镜；所述第一放大器包括第三激光模块；所述第二放大器包括第四激光模块；所述光纤耦合模块包括第三45°反射镜、第四45°反射镜、光纤耦合透镜、激光焦点三维调焦系统以及传能光纤。
2.如权利要求1所述的一种功率任意可调的高耦合效率千瓦级光纤输出纳秒激光器，其特征在于：所述主振荡器的激光晶体为Nd:YAG或Yb:YAG晶体，直径为4～10mm。
3.如权利要求1所述的一种功率任意可调的高耦合效率千瓦级光纤输出纳秒激光器，其特征在于：所述第一激光模块、所述第二激光模块、所述第三激光模块与所述第四激光模块输出的激光波长包括1030nm和1064nm。
4.如权利要求1所述的一种功率任意可调的高耦合效率千瓦级光纤输出纳秒激光器，其特征在于：所述平面输出镜的反射率为50％～90％。
5.如权利要求1所述的一种功率任意可调的高耦合效率千瓦级光纤输出纳秒激光器，其特征在于：所述第一激光模块的激光晶体与所述平面反射镜沿光路的距离为100～500mm。
6.如权利要求1所述的一种功率任意可调的高耦合效率千瓦级光纤输出纳秒激光器，其特征在于：所述第二激光模块的激光晶体与所述平面输出镜沿光路的距离为100～500mm。
7.如权利要求1所述的一种功率任意可调的高耦合效率千瓦级光纤输出纳秒激光器，其特征在于：所述λ/2波片带有电动旋转调节机构实现自动调节。
8.如权利要求1所述的一种功率任意可调的高耦合效率千瓦级光纤输出纳秒激光器，其特征在于：所述第一偏振片和所述第二偏振片均均为薄膜偏振片。
9.如权利要求1所述的一种功率任意可调的高耦合效率千瓦级光纤输出纳秒激光器，其特征在于：所述平面输出镜与所述第三激光模块的激光晶体前端面沿光路的距离为100～500mm。
10.如权利要求1所述的一种功率任意可调的高耦合效率千瓦级光纤输出纳秒激光器，其特征在于：所述第三激光模块的激光晶体后端面与所述第四激光模块的激光晶体的前端面沿光路的距离为100～500mm。
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