CN113725710A - 一种正交偏振、脉宽可调的激光器 - Google Patents

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刘洪才
贾文增
刘树
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梅凯
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Abstract

本发明涉及激光器技术领域，提供了一种正交偏振、脉宽可调的激光器。本发明提供的正交偏振、脉宽可调的激光器，包括：两路线偏振激光器，每路线偏振激光器上分别电连接有调Q驱动源；上位机，上位机分别与两个调Q驱动源电连接，以控制两个调Q驱动源的输出延时；合束模块，合束模块位于两路线偏振激光器的下游，用于对两路线偏振激光器输出的线偏振信号光进行双路合成。本发明提供的正交偏振、脉宽可调的激光器，采用双路偏振合束的方式，通过上位机对两路调Q驱动源触发的时序进行精准控制，实现了合束光脉冲的脉宽可大范围、精准调节。合束后的激光其偏振方向不随时域、空域发生变化，可大幅提高激光加工的工艺一致性及加工效率。

Description

一种正交偏振、脉宽可调的激光器
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，尤其涉及一种正交偏振、脉宽可调的激光器。
背景技术
随着高亮度半导体激光技术、侧面泵浦技术及调Q技术的飞速发展，全固态激光器正朝着高功率、高光束质量、高稳定性、可调谐的方向取得不断突破，在科学研究、激光医疗、激光显示、军事国防和激光加工等领域具有广阔的应用前景。同时，行业的发展对激光器性能的可靠与稳定性，操作方便性、结构紧凑便携性、工程化推广等方面都提出了越来越高的要求。
在某些应用场合，如对铝、铜及其合金、复合材料等进行焊接、切割或精密加工时，不仅需要激光器实现脉冲输出，而且要求其在时域上同时具有两个互垂直的偏振态，同时输出激光的脉宽可大范围精确调节，从而提高材料的加工质量及加工效率。然而，现有的脉宽调节技术普遍存在调节范围窄、精度低、功率不足等问题，且实际的应用场景对激光的工作波长范围和偏振方式也提出了更高的要求。
发明内容
为了解决现有技术中存在的脉宽调节范围窄、精度低、功率不足的问题，本发明实施例提供了一种正交偏振、脉宽可调的激光器。
本发明实施例提供的正交偏振、脉宽可调的激光器，包括：两路线偏振激光器，每路所述线偏振激光器上分别电连接有调Q驱动源；上位机，所述上位机分别与两个所述调Q驱动源电连接，以控制两个所述调Q驱动源的输出延时；合束模块，所述合束模块位于两路所述线偏振激光器的下游，用于对两路所述线偏振激光器输出的线偏振信号光进行双路合成。
根据本发明的一个实施例，每路所述线偏振激光器包括：按照光路传播方向按顺序依次设置的后腔镜、偏振元件、第一调Q开关、泵浦增益模块、第二调Q开关和输出腔镜，其中，所述第一调Q开关和所述第二调Q开关在垂直于所述光路传播方向的平面中正交放置，所述泵浦增益模块距离所述后腔镜和所述输出腔镜的光程相等。
根据本发明的一个实施例，所述调Q驱动源分别与所述第一调Q开关和所述第二调Q开关电连接，以控制所述第一调Q开关和所述第二调Q开关的开闭。
根据本发明的一个实施例，所述第一调Q开关和所述第二调Q开关为声光开关或电光开关，并且所述第一调Q开关和所述第二调Q开关的散热方式为风冷或水冷。
根据本发明的一个实施例，所述后腔镜上镀有高反射膜。
根据本发明的一个实施例，所述偏振元件为薄膜偏振片、布鲁斯特角偏振片或偏振分光棱镜。
根据本发明的一个实施例，所述泵浦增益模块采用二极管侧面泵浦结构以及灯泵结构，并且所述泵浦增益模块的散热方式为风冷或水冷。
根据本发明的一个实施例，所述输出腔镜上镀有部分透射膜。
根据本发明的一个实施例，所述合束模块包括：偏振棱镜，所述偏振棱镜位于一路所述线偏振激光器的所述输出腔镜的下游；平面全反镜，所述平面全反镜位于另一路所述线偏振激光器的所述输出腔镜的下游；其中，所述合束模块设置成：使得进入所述偏振棱镜的线偏振信号光的偏振方向，与经过所述平面全反镜后进入所述偏振棱镜的线偏振信号光的偏振方向互相垂直。
根据本发明的一个实施例，所述合束模块还包括：1/2波片，所述1/2波片位于所述平面全反镜与所述输出腔镜之间，用于对由所述输出腔镜输出的线偏振信号光的偏振方向进行调节。
本发明提供的正交偏振、脉宽可调的激光器，通过上位机对两路调Q驱动源触发的时序进行精准控制，实现了合束光脉冲的脉宽可大范围、精准调节，采用双路偏振合束，合束后的激光其偏振方向不随时域、空域发生变化，相比传统随机偏振及圆偏振激光，可大幅提高激光加工的工艺一致性及加工效率，尤其是在碳钢、复合材料等对不同偏振方向激光的吸收率不同的情况下，该激光器的加工优势更加凸显。同时，采用两路线偏振激光器，功率为单路的两倍，加工效率更高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的正交偏振、脉宽可调的激光器的结构示意图；
图2为图1示出的线偏振激光器谐振腔结构的纵向剖面图。
附图标记说明：
1-后腔镜；3-偏振元件；5-第一调Q开关；7-泵浦增益模块；9-第二调Q开关；11-输出腔镜；13-调Q驱动源；15-上位机；16-1/2波片；17-平面全反镜；18-偏振棱镜；A-激光光路；B-射频信号传输线；C-串口转接线；D-光路传播方向；E-第一调Q开关和第二调Q开关中的声场方向。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，或两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”、“多根”、“多组”的含义是两个或两个以上，“若干个”、“若干根”、“若干组”的含义是一个或一个以上。
现参照图1和图2，对本发明提供的实施例进行描述。应当理解的是，以下所述仅是本发明的示意性实施方式，并不对本发明构成任何特别限定。此外在此需要指出的是，图中附图标记A示出了激光器的激光光路；附图标记B、C示出了用于起部件之间电连接作用的射频信号传输线和串口转接线；附图标记D示出了光路传播方向；附图标记E示出了第一调Q开关和第二调Q开关中的声场方向。应当理解的是，以上各附图标记所示的线型和箭头仅起到解释说明本发明实施例和原理的作用，并不对本发明构成任何限定。
图1为本发明实施例提供的正交偏振、脉宽可调的激光器。如图1所示，本发明实施例提供的正交偏振、脉宽可调的激光器包括：两路线偏振激光器，每路线偏振激光器上分别连接有调Q驱动源13；上位机15，上位机15分别与两个调Q驱动源13电连接，以控制两个调Q驱动源13的输出延时；合束模块，合束模块位于两路线偏振激光器的下游，用于对两路线偏振激光器输出的线偏振信号光进行双路合成。
具体地，本发明实施例提供的正交偏振、脉宽可调的激光器，采用偏振合束的方式，由两路主动调Q线偏振激光器和偏振合束模块组成。每路线偏振激光器上分别电连接有调Q驱动源13，每路脉冲信号分别由调Q驱动源13控制。合束模块位于两路线偏振激光器的下游，用于对两路线偏振激光器输出的线偏振信号光进行双路合成。上位机15分别与两个调Q驱动源13电连接，可精准控制两路调Q驱动源13的输出延时，进而调节两路激光脉冲的相对延时，可实现对合束光脉宽的调节，同时在时域上两路激光的偏振方向不变。
为达到脉宽调谐的目的，可通过上位机15精确控制两路调Q驱动源13的相对延时(在合束脉冲的脉宽范围之内)，即两路激光脉冲的相对延时，则合束后叠加脉冲的脉宽会随相对延时的增大而增大。本发明实施例提供的正交偏振、脉宽可调的激光器的脉宽调节范围与合束脉冲本身的脉宽是正相关的，所以当选定不同的激光器结构参数时，如不同的输出腔镜透过率、调Q开关等，可得到不同脉宽的信号光输出，进而可获得不同的脉宽调节范围。
另外，两调Q驱动源13的相对延时量可通过上位机15进行精确控制，其相较于激光脉宽本身是很小的，所以本方案具有高的脉宽调节精度。在本发明的一个实施例中，上位机15通过高速FPGA技术实现了控制精度可到1ns，可对声光调Q后的100ns的脉宽进行延迟。通过延迟，实现脉冲宽度为100-1000ns之间的任意激光输出，输出功率不稳定性<±1％。此外，本发明实施例提供的正交偏振、脉宽可调的激光器在做成实际产品时，可分模块进行装调并固定，脉宽调节只需通过上位机15的软件进行远程控制即可，操作方便免二次调试。
本发明实施例提供的脉宽可调节的激光器组件，通过上位机FPGA对两路调Q驱动源触发的时序进行精准控制，实现了合束光脉冲的脉宽可大范围、精准调节，精度控制分为两档：1档精度：1ns，调节范围：1-1000ns；2档精度:1ps，调节范围：1-1000ps。该方法对所有的线偏振激光器均适用，本发明实施例提供的脉宽可调节的激光器组件的技术方案操作简单，脉宽控制精度高、调节范围大。
采用双路偏振合束，合束后的激光其偏振方向不随时域、空域发生变化，相比传统随机偏振及圆偏振激光加工，大幅提高激光加工的工艺一致性及加工效率，尤其是在碳钢、复合材料等对不同偏振方向激光的吸收率不同的情况下，该激光器的加工优势凸显。同时，采用两路线偏振激光器，功率为单路的两倍，加工效率更高。
参照图1，在本发明的一个实施例中，每路线偏振激光器包括：按照光路传播方向D按顺序依次设置的后腔镜1、偏振元件3、第一调Q开关5、泵浦增益模块7、第二调Q开关9和输出腔镜11，其中，第一调Q开关5和第二调Q开关9在垂直于光路传播方向的平面中互相垂直正交设置，泵浦增益模块7距离后腔镜1和输出腔镜11的光程相等。
具体地，在每路线偏振激光器中，按照光路传播方向D，偏振元件3设置在后腔镜1的下游，用于将通过后腔镜1的随机线偏振信号光转换为水平线偏。
如图1所示，在本发明的一个实施例中，调Q驱动源13分别与第一调Q开关5和第二调Q开关9电连接，以控制第一调Q开关5和第二调Q开关9的开闭。具体地，在本发明的一个实施例中，第一调Q开关5和第二调Q开关9选用声光开关，由同一调Q驱动源13提供声场驱动信号以保证双开关工作的同步性。为达到最好的关断效果，对双声光调Q开关进行装调时须保证二者相互垂直正交，从而实现振荡光孔径与声场孔径的最佳匹配。
图2为图1示出的线偏振激光器谐振腔结构的纵向剖面图。如图2所示，第一调Q开关5和第二调Q开关9在垂直于光路传播方向的平面中互相垂直正交设置，其工作模式可分为以下几种：如果每路线偏振激光器均采用双Q开关工作，即第一路线偏振激光器中的第一调Q开关5和第二调Q开关9同时工作，第二路线偏振激光器中的第一调Q开关5和第二调Q开关9也同时工作，此时，需要保证同一路线偏振激光器中的第一调Q开关5和第二调Q开关9在垂直于光路传播方向D的平面中正交放置。具体地，如图2所示，E为第一调Q开关5和第二调Q开关9中的声场方向，第一调Q开关5和第二调Q开关9中声场的方向是正交的。
若第一路线偏振激光器中采用单个声光Q开关工作，即第一路线偏振激光器中只有第一调Q开关5或第二调Q开关9工作，那么第二路线偏振激光器中也只有第一调Q开关5或第二调Q开关9工作。
若第一路线偏振激光器中采用单个声光Q开关工作，即第一调Q开关5或第二调Q开关9工作，第二路线偏振激光器中采用双声光Q开关工作，即第二路线偏振激光器中第一调Q开关5和第二调Q开关9同时工作，那么第二路线偏振激光器中的第一调Q开关5和第二调Q开关9在垂直于光路传播方向的平面中正交放置。
进一步地，第一调Q开关5和第二调Q开关9为偏振相关型声光晶体或电光晶体。在本发明的一个实施例中，可选地，第一调Q开关5和第二调Q开关9为声光开关。并且第一调Q开关5和第二调Q开关9的散热方式为风冷或水冷。可选地，在本发明的一个实施例中，第一调Q开关5和第二调Q开关9由20℃的循环水进行冷却。
具体地，在本发明的一个实施例中，后腔镜1上镀有1064nm的高反膜。
具体地，在本发明的一个实施例中，输出腔镜11上镀有透射膜，进一步地，输出腔镜11镀有1064nm部分透射膜。
根据实际输出功率和光束质量的工程要求，后腔镜1和输出腔镜11(具有不同透射率)可选用平面镜或合适曲率半径的凸面镜、凹面镜组合。
具体地，在本发明的一个实施例中，偏振元件3可为薄膜偏振片、布鲁斯特角偏振片或高性能偏振分光棱镜(PBS)，可选地，在本发明的一个实施例中，偏振元件3为布鲁斯特角偏振片。
具体地，在本发明的一个实施例中，泵浦增益模块7采用二极管侧面泵浦结构以及灯泵结构，进一步地，泵浦增益模块7采用808nm激光二极管阵列侧面泵浦结构，增益介质为Nd:YAG晶体，可产生1064nm连续振荡光。并且泵浦增益模块7的散热方式为风冷或水冷。进一步地，泵浦增益模块7由20℃的循环水进行冷却。
同时，为保证谐振腔的稳定输出，泵浦增益模块7分别距离后腔镜1和输出腔镜11的光程相等。
继续参照图1，在本发明的一个实施例中，合束模块包括：偏振棱镜18，偏振棱镜18位于一路线偏振激光器的输出腔镜11的下游；平面全反镜17，平面全反镜17位于另一路线偏振激光器的输出腔镜11的下游；其中，合束模块设置成：使得进入偏振棱镜18的线偏振信号光的偏振方向，与经过平面全反镜17后进入偏振棱镜18的线偏振信号光的偏振方向互相垂直。
具体地，两路线偏振激光器均采用相同的腔型结构，即保证两路线偏振信号光在合束模块上的时域及相位分布一致。为实现高的合束效率，应保证两路线偏振激光器所输出的线偏振信号光的偏振方向互相垂直，此时，可通过旋转两路线偏振激光器的偏振元件3的方向可分别产生水平偏振与垂直偏振的两路线偏振信号光。进一步地，偏振棱镜18为高损伤阈值PBS。
在本发明的一个实施例中，合束模块还包括：1/2波片16，1/2波片16位于平面全反镜17与输出腔镜11之间，用于对由输出腔镜11输出的线偏振信号光的偏振方向进行调节。具体地，为保证两路线偏振激光器输出的线偏振信号光进入偏振棱镜18的偏振方向互相垂直，在输出腔镜11和平面全反镜17之间设置1/2波片16，通过旋转1/2波片16可将第二路线偏振激光器输出的线偏振信号光的偏振方向调节为垂直偏振。
最后应说明的是：以上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精神和范围。

Claims (10)

1.一种正交偏振、脉宽可调的激光器，其特征在于，包括：
两路线偏振激光器，每路所述线偏振激光器上分别电连接有调Q驱动源；
上位机，所述上位机分别与两个所述调Q驱动源电连接，以控制两个所述调Q驱动源的输出延时；
合束模块，所述合束模块位于两路所述线偏振激光器的下游，用于对两路所述线偏振激光器输出的线偏振信号光进行双路合成。
2.根据权利要求1所述的正交偏振、脉宽可调的激光器，其特征在于，每路所述线偏振激光器包括：按照光路传播方向按顺序依次设置的后腔镜、偏振元件、第一调Q开关、泵浦增益模块、第二调Q开关和输出腔镜，
其中，所述第一调Q开关和所述第二调Q开关在垂直于所述光路传播方向的平面中正交放置，所述泵浦增益模块距离所述后腔镜和所述输出腔镜的光程相等。
3.根据权利要求2所述的正交偏振、脉宽可调的激光器，其特征在于，所述调Q驱动源分别与所述第一调Q开关和所述第二调Q开关电连接，以控制所述第一调Q开关和所述第二调Q开关的开闭。
4.根据权利要求2或3所述的正交偏振、脉宽可调的激光器，其特征在于，所述第一调Q开关和所述第二调Q开关为声光开关或电光开关，并且所述第一调Q开关和所述第二调Q开关的散热方式为风冷或水冷。
5.根据权利要求2所述的正交偏振、脉宽可调的激光器，其特征在于，所述后腔镜上镀有高反射膜。
6.根据权利要求2所述的正交偏振、脉宽可调的激光器，其特征在于，所述偏振元件为薄膜偏振片、布鲁斯特角偏振片或偏振分光棱镜。
7.根据权利要求2所述的正交偏振、脉宽可调的激光器，其特征在于，所述泵浦增益模块采用二极管侧面泵浦结构以及灯泵结构，并且所述泵浦增益模块的散热方式为风冷或水冷。
8.根据权利要求2所述的正交偏振、脉宽可调的激光器，其特征在于，所述输出腔镜上镀有部分透射膜。
9.根据权利要求2所述的正交偏振、脉宽可调的激光器，其特征在于，所述合束模块包括：
偏振棱镜，所述偏振棱镜位于一路所述线偏振激光器的所述输出腔镜的下游；
平面全反镜，所述平面全反镜位于另一路所述线偏振激光器的所述输出腔镜的下游；
其中，所述合束模块设置成：使得进入所述偏振棱镜的线偏振信号光的偏振方向，与经过所述平面全反镜后进入所述偏振棱镜的线偏振信号光的偏振方向互相垂直。
10.根据权利要求9所述的正交偏振、脉宽可调的激光器，其特征在于，所述合束模块还包括：1/2波片，所述1/2波片位于所述平面全反镜与所述输出腔镜之间，用于对由所述输出腔镜输出的线偏振信号光的偏振方向进行调节。
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