CN117175338A - 一种纳秒皮秒复合激光器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种纳秒皮秒复合激光器，其包括用于输出皮秒激光的第一激光源、用于输出纳秒激光的第二激光源，两种激光偏振态不同；还包括调节波片、薄膜偏光片、功率检测组件和控制模块，皮秒激光和纳秒激光择一入射所述调节波片并调节偏振态，所述薄膜偏光片用于将激光分离为S偏振光束和P偏振光束，所述功率检测组件用于检测所述S偏振光束的功率，所述控制模块用于根据功率值调整所述调节波片，使得种子激光与放大器中激光晶体的发射偏振态一致；本发明能够通过同一放大光路对种子激光进行放大，且两种脉冲输出光束的指向性一致；相较于两台激光器组合的集成度高，切换时无需反复进行外光路调试，效率更高。

Description

一种纳秒皮秒复合激光器

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，尤其是指一种纳秒皮秒复合激光器。

背景技术

皮秒脉冲具有峰值功率高、脉冲宽度窄、加工热影响区小等特点，直接升华材料获得无明显热影响区的“冷加工”效果，但存在刻蚀效率低、加工时间长等缺陷；纳秒脉冲虽能实现高效加工，但由于脉冲宽度较宽，等离子体屏蔽严重，热影响区较大，又难以控制加工精度。

随着工业场景中对激光器加工需求的提高，现有技术中通过使用两台不同输出参数的激光器将两种脉冲结合，使用两套放大光路，进行复合加工时需要更换激光器，并重新调试外光路才能继续正常使用，投入成本高、加工效率低。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中纳秒皮秒两种脉冲分别配置一套放大光路，复合加工时需要反复调试影响加工效率的技术难点，提供一种纳秒皮秒复合激光器，通过同一套放大光路实现能量放大。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种纳秒皮秒复合激光器，其包括，

第一激光源，其用于输出皮秒激光，所述皮秒激光具有第一偏振态；

第二激光源，其用于输出纳秒激光，所述纳秒激光具有第二偏振态；其中，所述第一偏振态与所述第二偏振态不同；

调节波片，所述皮秒激光和所述纳秒激光择一入射所述调节波片，所述调节波片用于调节入射光的偏振态并输出具有第三偏振态的种子光；

薄膜偏光片，所述第三偏振态的种子光入射所述薄膜偏光片，所述薄膜偏光片用于分离所述种子光为S偏振光束和P偏振光束；

功率检测组件，其用于检测所述S偏振光束的功率；

一级放大器，其具有第一激光晶体，所述第一激光晶体具有发射偏振态；其中，所述P偏振光束进入所述第一激光晶体后被能量放大；

控制模块，同时与所述调节波片和所述功率检测组件连接，其用于根据所述S偏振光束的功率值调整所述调节波片，使得所述第三偏振态的种子光与所述第一激光晶体的发射偏振态一致。

在本发明的一个实施例中，还包括激光源开关，所述激光源开关连接所述第一激光源和所述第二激光源，通过所述激光源开关控制所述纳秒激光和所述皮秒激光择一入射所述调节波片。

在本发明的一个实施例中，所述第一激光源包括相连的皮秒种子源和脉冲选择组件，所述脉冲选择组件与所述激光源开关连接，其用于根据所述激光源开关的控制信号选择所述皮秒种子源的有效脉冲序列，当所述有效脉冲序列被选择时所述皮秒激光入射所述调节波片。

在本发明的一个实施例中，所述第二激光源包括相连的纳秒种子源和温控组件，所述纳秒种子源与所述激光源开关连接，其用于根据所述激光源开关的控制信号输出所述纳秒种子源的有效脉冲序列；所述温控组件用于调谐所述第二激光源的输出脉冲波长，当所述第二激光源的输出脉冲波长被调谐至目标脉冲波长时所述纳秒激光入射所述调节波片。

在本发明的一个实施例中，还包括准直模块，所述第一激光源和所述第二激光源均耦合至所述准直模块的输入端，所述准直模块输出激光至所述调节波片。

在本发明的一个实施例中，所述控制模块根据所述S偏振光束的功率值控制电机，并驱动调整所述调节波片的偏置角度，进而调整所述纳秒激光或所述皮秒激光的线偏方向；所述控制模块被配置为当所述功率值最小时停止调整。

在本发明的一个实施例中，还包括二级放大器和三级放大器；所述二级放大器包括第二激光晶体，所述三级放大器包括第三激光晶体，所述P偏振光束被所述一级放大器能量放大后依次进入所述第二激光晶体和所述第三激光晶体被能量放大。

在本发明的一个实施例中，所述一级放大器还包括依次设置的放大泵浦源、准直透镜和聚焦透镜，所述放大泵浦源输出泵光，经所述准直透镜准直和所述聚焦透镜聚焦后进入所述第一激光晶体放大激光能量。

在本发明的一个实施例中，所述一级放大器还包括分别位于所述第一激光晶体两侧相对设置的双色镜，所述P偏振光束在所述双色镜之间反射，并在所述第一激光晶体内形成方向相反的两个传播通道。

在本发明的一个实施例中，还包括声光调制组件，所述声光调制组件包括声光调制器、反射镜和收光筒；激光经所述声光调制器衍射后导入收光筒，形成一级衍射光输出。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

本发明所述的纳秒皮秒复合激光器，能够自由切换纳秒或皮秒脉冲输出；通过偏振态调整使得复合激光器能够使用同一放大光路对种子激光进行放大，形成大能量输出，且两种脉冲的输出光束指向性一致，加工效果好；相较于现有两台激光器组合使用的方案，集成度和空间利用率更高，可靠性更好，在模式切换时无需反复进行外光路调试，生产成本更低效率更高。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：

图1是本发明优选实施例中纳秒皮秒复合激光器的模块结构示意图；

图2是本发明优选实施例中固体放大器的结构示意图；

图3是本发明优选实施例中偏振调节组件的结构示意图；

图4是本发明优选实施例中声光调制组件的结构示意图。

说明书附图标记说明：1、第一激光源；11、皮秒种子源；12、脉冲选择组件；2、第二激光源；21、纳秒种子源；22、温控组件；3、激光源开关；4、准直模块；5、输出模块；6、固体放大器；60、偏振调节组件；600、透镜一；602、调节波片；604、薄膜偏光片；606、功率检测组件；608、控制模块；61、一级放大器；6100、反射镜一；6101、隔离器；6102、反射镜二；611、双色镜一；612、第一激光晶体；613、双色镜二；614、放大泵浦源一；615、准直透镜一；616、聚焦透镜一；617、透镜二；618、反射镜三；619、反射镜四；62、二级放大器；620、双色镜三；621、第二激光晶体；622、放大泵浦源二；623、准直透镜二；624、聚焦透镜二；625、双色镜四；63、三级放大器；630、双色镜五；631、第三激光晶体；632、放大泵浦源三；633、准直透镜三；634、聚焦透镜三；635、双色镜六；7、声光调制组件；700、反射镜五；701、反射镜六；702、反射镜七；71、声光调制器；72、收光筒。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

参照图1~图4所示，本发明提供一种纳秒皮秒复合激光器，其包括第一激光源1、第二激光源2、激光源开关3、准直模块4和输出模块5；第一激光源1用于输出皮秒激光，所述皮秒激光具有第一偏振态，第二激光源2用于输出纳秒激光，所述纳秒激光具有第二偏振态；其中，所述第一偏振态与所述第二偏振态不同；所述激光源开关3连接所述第一激光源1和所述第二激光源2，并用于控制所述纳秒激光与所述皮秒激光择一输出至所述准直模块4，所述输出模块5用于激光放大后衍射输出；本发明所述纳秒皮秒复合激光器能够进行复合加工，集成两种激光脉冲的种子源，通过所述激光源开关3实现切换后经合束准直，再通过同一放大光路进行放大输出，相较于现拥有的两台激光器组合使用的加工方案效率更高且成本更低，无需反复调试外光路。

具体地，参照图1所示，所述第一激光源1包括相连接的皮秒种子源11和脉冲选择组件12，所述激光源开关3连接所述脉冲选择组件12；所述脉冲选择组件12根据所述激光源开关3的控制信号选择所述皮秒种子源11的有效脉冲序列，当所述皮秒种子源11的有效脉冲序列被选择时所述皮秒激光入射所述准直模块4，进而实现对复合激光器能否输出皮秒激光的控制。

进一步地，所述皮秒种子源11设置为1064nm皮秒光纤种子源，在本发明优选实施例中，所述皮秒种子源11设置为sesam锁模光纤种子源，所述脉冲选择组件12设置为高频声光调制器；在其他实施例中，所述皮秒种子源11和所述脉冲选择组件12也可以设置为其他能够满足实际皮秒发射需求和脉冲选择需求的模块，不限于此。

具体地，参照图1所示，所述第二激光源2包括相连接的纳秒种子源21和温控组件22，所述纳秒种子源21与所述激光源开关3连接，所述激光源开关3对所述纳秒种子源21进行电调制，根据所述激光源开关3的控制信号输出需要的所述纳秒种子源21的有效脉冲序列，当所述纳秒种子源21的有效脉冲序列被选择时所述纳秒激光入射所述准直模块4，实现对复合激光器能否输出纳秒激光的控制。

进一步地，所述纳秒种子源21设置为1064nm半导体激光器，具体为能够快速响应的增益开关型半导体激光器；所述温控组件22用于调节所述第二激光源2的温度，进而调谐所述第二激光源2的输出脉冲波长，当所述第二激光源2的输出脉冲波长被调谐至目标脉冲波长时，实现输出脉冲波长与所述输出模块5中固体放大器6发射波长的匹配，便于后续放大。

具体地，所述激光源开关3通过逻辑电路控制激光源的切换输出，使所述复合激光器能够将两种脉冲结合使用，提取不同脉宽的优势，实现高效、高精度的微型加工，获得更优的刻蚀深度和刻蚀率。

具体地，参照图1所示，所述准直模块4的输入端连接激光源，所述第一激光源1和所述第二激光源2耦合至所述准直模块4的输入端，所述准直模块4对激光源的输出激光进行合束与准直，其输出端连接所述输出模块5进行放大输出。

具体地，参照图1~图4所示，所述输出模块5包括固体放大器6和声光调制组件7，所述固体放大器6包括偏振调节组件60，所述偏振调节组件60用于调整激光源输出的种子激光的偏振态，使之与所述固体放大器6中第一激光晶体612的发射偏振一致；通过偏振态调整使两种激光脉冲能够通过同一放大光路进行能量放大，避免偏振不一致时影响放大效果，使输出光束的指向性一致。

进一步地，参照图3所示，所述偏振调节组件60连接激光源，其包括调节波片602、TFP薄膜偏光片604，功率检测组件606和控制模块608；所述皮秒激光和所述纳秒激光择一入射所述调节波片602，所述调节波片602用于调节入射光的偏振态，并输出具有第三偏振态的种子光，随后所述第三偏振态的种子光入射所述薄膜偏光片604，并被分离偏振方向，所述薄膜偏光片604用于分离所述种子光为S偏振光束和P偏振光束，所述P偏振光束几乎完全通过所述薄膜偏光片60透射，而所述S偏振光束被反射，并进入所述功率检测组件606进行功率检测。所述控制模块608同时与所述调节波片602和所述功率检测组件606连接，其用于根据所述功率检测组件606的功率检测结果，即所述S偏振光束的功率值调整所述调节波片602，形成闭环控制直至所述第三偏振态的种子光与后续固体放大器6中第一激光晶体612的发射偏振态一致。

进一步地，所述控制模块608设置为电路控制，所述调节波片602设置为马达调节波片；所述控制模块608控制电机驱动调整所述调节波片602的偏置角度使之旋转，进而调整激光线偏方向；所述控制模块608被配置为当所述功率值最小时停止调整，此时被反射的所述S偏振光束功率最小，透过的所述P偏振光束最多；此时激光的偏振态与所述固体放大器6内的晶体一致，种子激光与固体放大器6的偏振态实现匹配。

进一步地，参照图2所示，所述固体放大器6包括一级放大器61和次级放大器，所述一级放大器61包括所述偏振调节组件60，输出激光调整偏振态后经过反射镜一6100和隔离器6101，并依次入射所述一级放大器61内的晶体和至少两个所述次级放大器内的晶体，所述偏振调节组件60调整完成后激光的偏振态与所述一级放大器61中的第一激光晶体612的发射偏振一致。在本发明优选实施例中，所述次级放大器包括结构相同且依次设置的二级放大器62和三级放大器63。

进一步地，所述一级放大器61、所述二级放大器62和所述三级放大器63均包括自下而上依次设置的放大泵浦源、准直透镜、聚焦透镜、激光晶体和双色镜；在一些实施例中，所述激光晶体设置为Nd：YVO4掺钕钒酸钇晶体。所述放大泵浦源输出泵光经所述准直透镜准直和所述聚焦透镜聚焦后进入激光晶体，并在所述激光晶体处被能量放大，放大后经所述双色镜反射输出。

需要注意的是，所述一级放大器61设置为双通道放大器，所述一级放大器61包括放大泵浦源一614、准直透镜一615、聚焦透镜一616、第一激光晶体612和双色镜一611，所述一级放大器61还包括双色镜二613，所述双色镜二613位于所述第一激光晶体612和所述聚焦透镜一616之间；所述P偏振光束通过隔离器6101后经反射镜二6102反射至所述双色镜一611，所述P偏振光束在所述双色镜一611和所述双色镜二613之间反射，两次通过所述第一激光晶体612，并具有相反的传播方向，形成双通放大，对小信号进行高效的能量放大。

进一步地，所述二级放大器62包括放大泵浦源二622、准直透镜二623、聚焦透镜二624、第二激光晶体621，所述三级放大器63包括放大泵浦源三632、准直透镜三633、聚焦透镜三634、第三激光晶体631；在一些实施例中，所述放大泵浦源一614设置为808nm半导体激光器，所述放大泵浦源二622设置为878nm半导体激光器，所述放大泵浦源三632设置为888nm半导体激光器。

具体地，参照图4所示，所述声光调制组件7包括声光调制器71、反射镜和收光筒72；激光经所述声光调制器71衍射后，反射导入收光筒72，形成一级衍射光输出。

本发明所述的一种纳秒皮秒复合激光器的工作原理如下：

根据实际需要通过所述激光源开关3控制选择皮秒种子源11的脉冲序列，并通过所述激光源开关3控制纳秒种子源21的输出有效脉冲序列，实现皮秒激光或纳秒激光的选择与切换，输出种子激光。

参照图2所示，所述种子激光在所述准直模块4内进行合束准直后输出，经过透镜一600聚焦进入所述偏振调节组件60，通过功率检测及控制反馈直至偏振态与所述第一激光晶体612的发射偏振一致。调整后，激光经45°反射镜一6100反射，再通过隔离器6101，再经0°反射镜二6102反射，反射后经所述双色镜一611进入所述第一激光晶体612，继续经双色镜二613反射，在所述第一激光晶体612中形成相反的两个传播方向，后经所述隔离器6101输出。同时，所述放大泵浦源一614输出泵光，经准直透镜一615准直，再经聚焦透镜一616聚焦，进入所述第一激光晶体612，对激光进行其在所述一级放大器61中的放大。

参照图2所示，经所述一级放大器61放大后，激光由所述隔离器6101输出，经透镜二617聚焦，经45°反射镜三618反射至0°反射镜四619，继续反射至双色镜三620，经所述双色镜三620反射后通过所述第二激光晶体621；由所述放大泵浦源二622输出泵光，经准直透镜二623准直，再经聚焦透镜二624聚焦到所述第二激光晶体621，对激光进行其在所述二级放大器62中的放大。

参照图2所示，经所述二级放大器62放大后，激光由双色镜四625反射至双色镜五630，经所述双色镜五630反射后通过所述第三激光晶体631；由所述放大泵浦源三632输出泵光，经准直透镜三633准直，再经聚焦透镜三634聚焦到所述第三激光晶体631，对激光进行其在所述三级放大器63中的放大。

参照图4所示，经所述三级放大器63放大后的激光通过双色镜六635输出至所述声光调制组件7衍射输出，先经0°反射镜五700反射后，经声光调制器71衍射后，经45°反射镜六701和45°反射镜七702反射后，将0级光导入收光筒72，形成一级衍射光输出。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种纳秒皮秒复合激光器，其特征在于，包括，

第一激光源，其用于输出皮秒激光，所述皮秒激光具有第一偏振态；

第二激光源，其用于输出纳秒激光，所述纳秒激光具有第二偏振态；其中，所述第一偏振态与所述第二偏振态不同；

调节波片，所述皮秒激光和所述纳秒激光择一入射所述调节波片，所述调节波片用于调节入射光的偏振态并输出具有第三偏振态的种子光；

薄膜偏光片，所述第三偏振态的种子光入射所述薄膜偏光片，所述薄膜偏光片用于分离所述种子光为S偏振光束和P偏振光束；

功率检测组件，其用于检测所述S偏振光束的功率；

一级放大器，其具有第一激光晶体，所述第一激光晶体具有发射偏振态；其中，所述P偏振光束进入所述第一激光晶体后被能量放大；

控制模块，同时与所述调节波片和所述功率检测组件连接，其用于根据所述S偏振光束的功率值调整所述调节波片，使得所述第三偏振态的种子光与所述第一激光晶体的发射偏振态一致。

2.根据权利要求1所述的纳秒皮秒复合激光器，其特征在于：还包括激光源开关，所述激光源开关连接所述第一激光源和所述第二激光源，通过所述激光源开关控制所述纳秒激光和所述皮秒激光择一入射所述调节波片。

3.根据权利要求2所述的纳秒皮秒复合激光器，其特征在于：所述第一激光源包括相连的皮秒种子源和脉冲选择组件，所述脉冲选择组件与所述激光源开关连接，其用于根据所述激光源开关的控制信号选择所述皮秒种子源的有效脉冲序列，当所述有效脉冲序列被选择时所述皮秒激光入射所述调节波片。

4.根据权利要求2所述的纳秒皮秒复合激光器，其特征在于：所述第二激光源包括相连的纳秒种子源和温控组件，所述纳秒种子源与所述激光源开关连接，其用于根据所述激光源开关的控制信号输出所述纳秒种子源的有效脉冲序列；所述温控组件用于调谐所述第二激光源的输出脉冲波长，当所述第二激光源的输出脉冲波长被调谐至目标脉冲波长时所述纳秒激光入射所述调节波片。

5.根据权利要求1~4中任意一项所述的纳秒皮秒复合激光器，其特征在于：还包括准直模块，所述第一激光源和所述第二激光源均耦合至所述准直模块的输入端，所述准直模块输出激光至所述调节波片。

6.根据权利要求1所述的纳秒皮秒复合激光器，其特征在于：所述控制模块根据所述S偏振光束的功率值控制电机，并驱动调整所述调节波片的偏置角度，进而调整所述纳秒激光或所述皮秒激光的线偏方向；所述控制模块被配置为当所述功率值最小时停止调整。

7.根据权利要求1所述的纳秒皮秒复合激光器，其特征在于：还包括二级放大器和三级放大器；所述二级放大器包括第二激光晶体，所述三级放大器包括第三激光晶体，所述P偏振光束被所述一级放大器能量放大后依次进入所述第二激光晶体和所述第三激光晶体被能量放大。

8.根据权利要求7所述的纳秒皮秒复合激光器，其特征在于：所述一级放大器还包括依次设置的放大泵浦源、准直透镜和聚焦透镜，所述放大泵浦源输出泵光，经所述准直透镜准直和所述聚焦透镜聚焦后进入所述第一激光晶体放大激光能量。

9.根据权利要求8所述的纳秒皮秒复合激光器，其特征在于：所述一级放大器还包括分别位于所述第一激光晶体两侧相对设置的双色镜，所述P偏振光束在所述双色镜之间反射，并在所述第一激光晶体内形成方向相反的两个传播通道。

10.根据权利要求7所述的纳秒皮秒复合激光器，其特征在于：还包括声光调制组件，所述声光调制组件包括声光调制器、反射镜和收光筒；激光经所述声光调制器衍射后导入收光筒，形成一级衍射光输出。