CN204558874U - 用于产生不同波长的两个激光射束的激光振荡器 - Google Patents

用于产生不同波长的两个激光射束的激光振荡器 Download PDF

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Abstract

一种用于产生不同波长(λω、λ2ω)的两个激光射束(A、B)的激光振荡器(1)，其具有一激光谐振腔(2)，所述激光谐振腔具有：一激光活性固体(3)，其用于产生一基础激光射线(λω)；一非线性固体(8)，其用于从所述基础激光射线(λω)中产生一变频激光射线(λ2ω)；至少一个耦出反射镜(5、7)，其用于同时使所述基础激光射线和所述变频激光射线(λω、λ2ω)从所述激光谐振腔(2)中耦出，在该激光振荡器中，所述激光谐振腔(2)根据本实用新型具有一调制装置(10)，其用于调制基础激光射线和变频激光射线(λω、λ2ω)的耦出比率。

Description

用于产生不同波长的两个激光射束的激光振荡器
技术领域
本实用新型涉及一种用于产生不同波长的两个激光射束的激光振荡器，所述激光振荡器具有一激光谐振腔，所述激光谐振腔具有：一激光活性固体，其用于产生一基础激光射线；一非线性固体，其用于从所述基础激光射线中产生一变频激光射线；至少一个耦出反射镜，其用于同时使所述基础激光射线和所述变频激光射线从所述激光谐振腔中耦出。
背景技术
例如由文献US 5,083,007公开了这类激光振荡器和这类方法。
为了进行材料加工需要具有稳定参数的强激光射线，这些参数例如是激光能量、激光功率和射束品质。理论上，非常多的激光模落到激光谐振腔内部的活性固体介质的增益带宽中。然而，谐振腔优选在增益带宽内经历最高增益的那个激光模上发射激光。如果谐振腔准确地作用在该激光模上，则其处于一稳定的状态中。在内部变频的情况下，变换效率取决于待变换的射线的温度、相位、入射角、激光模和结晶特性。对于激光谐振腔，变频应被视为激光射线的损失，并且激光谐振腔尝试着在增益带宽之内的、具有较有利的增益率/损失率的另外的激光模上工作。因此，在谐振腔内部变频的情况下，在产生经过变频的激光光线时，会出现由于模阶跃的动态不稳定性问题，其中，该问题尤其能够在高功率激光的情况下看出来。在谐振腔中返回反射时，纯红外谐振腔的光纤耦合有时造成非常不希望出现的张弛振荡。此外，在谐振腔内部进行变频时需要复杂的频率选择元件以固定波长(即用于产生对于不进行变频的波长而言的损失)。
对于由文献US 5,083,007公开的激光振荡器，基本激光射束和变频激光射束通过相同的耦出反射镜以一预先给定的固定功率比率进行耦出。所述两个激光射束的所希望的功率比率在谐振腔外部通过分束器的被选出的反射覆层如所希望的那样，但是然后固定地进行调整。
由文献GB 2 175 737 A公开了通过使用较短波长的第二激光射束来对一高能激光射束耦入到一工件中进行改进，该第二激光射束与第一激光射束同时并且在与第一激光射束相同的加工点中投射到所述工件上。利用CO2激光器形成较长波长的激光射束并且利用YAG激光器形成较短波长的激光射束。
此外，由文献US 2008/0296272 A1公开了一种激光振荡器，其中，不同波长的两个激光射束以可调整的调制频率从所述激光谐振腔中交替地耦出并且分别指向到相同的加工点上。所述激光谐振腔包括用于产生第一激光射束的第一光学谐振腔路径和用于仅仅耦出所述第一激光射束的第一耦出反射镜、用于产生第二激光射束的第二光学谐振腔路径和用于仅仅耦出所述第二激光射束的第二耦出反射镜，以及包括一电子光学的调制器，所述调制器要么连接所述一个光学谐振腔路径要么连接所述另一个光学谐振腔路径。通过施加在所述电子光学调制器上的电压脉冲序列来确定所述两个激光射束的调制频率。在所示出的实施方式变体中，在两个光学谐振腔路径中，激光活性固体的基础激光射线和第二谐波激光射线分别利用调制频率交替地产生并且通过对应的耦出反射镜从所述激光谐振腔中耦出，其中，在谐振腔外部还发生耦出的激光射束到第三和第四谐波激光射束上的频率变换。
实用新型内容
与此相对的，本实用新型的任务在于在开头提到的类型的激光振荡器的情况下能够简便且快速地改变两个耦出的激光射束的功率比率。
对于开头提到的激光振荡器，根据本实用新型地通过如下方式来解决该任务，即，所述激光谐振腔具有一用于调制基础激光射线和变频激光射线的耦出比率的调制装置。
利用根据本实用新型的激光振荡器，在高的总效率和在高的功率下(大于100Watt cw)，所述基础激光射线和所述变频激光射线能够以可近乎随意调整的功率比率同时被耦出并且可供用于加工过程。可变的耦出比率能够实现工件借助于两个激光射束的优化加工。因此在加工开始时(插入过程)，所述工件材料还是冷的并且需要很多能量，从而使得利用近乎100％的变频激光射线来进行工作。在进一步的加工进程中，尤其总功率起作用， 从而使得所述变频激光射线的份额可以回落。
在本实用新型第一优选的实施方式中，所述耦出比率调制装置通过一用于使所述基础激光射线与偏振相关地耦出的、与偏振相关的耦出反射镜和一用于调整投射到所述耦出反射镜上的所述基础激光射线的偏振方向的偏振调制器来构成。该偏振调制能够机械式在ms范围中，例如利用可马达式转动的减速板进行，或者电子光学地(或者还有电弹性或光磁地)在ns范围至μs范围中利用一可电操控的偏振调制器(例如普克尔斯盒)进行。
在本实用新型的第二种实施方式中，通过一用于调节所述非线性固体的温度的加热和/或冷却装置构成所述耦出比率调制装置。所述非线性固体的变频与温度相关并且因而可以通过所述非线性固体的温度有针对性地进行调整。
在本实用新型的第三种实施方式中，通过一用于使所述非线性固体相对于入射的基础激光射线转动的装置来构成所述耦出比率调制装置。所述非线性固体的变频效率依赖于所述基础激光射线的入射角并且因而可以通过所述非线性固体的转动角度有针对性地进行调整。
激光活性介质例如可以具有一主晶体，所述主晶体由包括YAG、YVO4、YO3、Sc2O3、Lu2O3、KGdWO4、KYWO4、YAP、YALO、GGG、GSGG、GSAG、LBS、GCOB、FAP、SFAP、YLF等的组中选出。这些主晶体可以分别掺入作为活性材料的Yb3+或者Nd3+、Ho、Tm3等。所述激光活性固体例如可以是Yb:YAG或者Nd:YAG，其中，Yb:YAG基于其较高的效率为优选的，但是基于其相较于Nd:YAG较宽的增益波谱需要选择波长的元件。
本实用新型也涉及一种用于产生不同波长的两个激光射束的方法，所述方法尤其是用于借助于所述两个激光射束对一工件进行激光加工，其中，所述两个激光射束在一激光谐振腔中形成作为一激光活性固体的基础激光射线和变频激光射线并且通过至少一个耦出反射镜从所述激光谐振腔中同时耦出，并且其中，在谐振腔内通过调制基础激光射线和变频激光射线的所述耦出比率来调整两个耦出的激光射束的功率比率。
优选在一加工过程进行中改变基础激光射线和变频激光射线的所述耦出比率。因此例如在该加工过程开始时，耦出的变频激光射线的功率份额可以是至少25％、优选至少50％、特别优选至少90％并且随后在进一步的加 工过程中被降低到小于50％、优选降低到0.1％和20％之间。该可变的耦出比率能够实现借助所述两个激光射束对所述工件进行优化地加工。因此在加工开始(插入过程)时，所述工件材料还是冷的并且还具有对红外射线较小的吸收，从而使得需要较高份额的变频激光射线。对于铜材料，该效果尤其突出。在进一步的加工进程中，尤其总效率起作用，从而使得所述变频激光射线的份额能够回落。
从权利要求书、说明书和附图中得出本实用新型的其他优点。同样能够对上文提到的和还要进一步实施的特征各本身地或者多个地以任意组合的方式进行应用。所示出的和所描述的实施例不应理解成排他性的列举，而是确切地说具有为了对本实用新型进行描述的示例性性质。
附图说明
其示出了，
图1-4是根据本实用新型的、分别具有一用于调制基础激光射线和变频激光射线的耦出比率的调制装置的激光振荡器的不同实施例，即具有一可转动的波长片(图1)、具有一电子光学的偏振调制器(图2)、具有一温度调节装置(图3)和具有一转动驱动装置(图4)；
图5a-5c是根据本实用新型的激光振荡器的耦出的激光射束的一自由射束导向装置的不同变体方案；
图6a、6b是根据本实用新型的激光振荡器的耦出的激光射束的一光纤导向装置的不同变体方案；并且
图7a、7b是根据本实用新型的激光振荡器的耦出的激光射束的一聚焦装置的不同变体方案。
具体实施方式
根据本实用新型的激光振荡器1用于产生不同波长λω、λ2ω的两个激光射束A、B并且在附图中以盘形激光器为例进行说明。在附图中省略了对于所述盘形激光器的光学泵所必须的泵源(例如激光二极管)。在附图中利用相同的附图标记来标识相同的或者功能相同的部件。
在图1至图4中示出的所述激光振荡器1分别包括一用于产生一基础激光射线λω的、具有一Yb:YAG-盘形激光器晶体3形式的激光活性固体的 激光谐振腔2。所述激光谐振腔2通过两个关于所述基础激光射线λω高反射率的λω端部反射镜4a、4b进行限定，在所述λω端部反射镜之间所述基础激光射线λω被往复反射。在激光谐振腔2中此外布置有一用于仅仅使所述基础激光射线λω耦出的耦出反射镜5、两个(或者也可以更多个)关于所述基础激光射线λω高反射率的λω转向反射镜6、7以及一用于从所述基础激光射线λω中产生频率加倍的激光射线λ2ω的非线性固体(SHG晶体(二阶谐波发生器晶体))8。所述λω端部反射镜4a对于所述频率加倍的激光射线λ2ω也是高反射率的并且由此也是一种高反射率的λ2ω端部反射镜。第二λω转向反射镜7对于所述频率加倍的激光射线λ2ω是透射的并且由此构成一用于仅仅使所述频率加倍的激光射线λ2ω耦出的耦出反射镜。所述基础激光射线λω和所述频率加倍的激光射线λ2ω同时从所述激光谐振腔2中耦出。如图1至图4中所示，所述激光谐振腔2可以具有用于所述基础激光射线λω和所述变频激光射线λ2ω的唯一一个谐振腔路径。
当所述激光振荡器1在CW运行中或者近乎CW运行中工作时，其他波长可以作为其中在加倍过程中获得最高效率的那些波长起振。为了获得高效稳定的变频过程，装入频率选择元件例如波长滤波器。在所示出的实施例中，这样的波长滤波器9示例性地被布置在λω端部反射镜4b和盘式激光器晶体3之间，但是也可以位于所述激光谐振腔2中的其他部位处。过滤也可以仅利用一滤波器来实现。
在所述激光振荡器1中，利用1030nm的所述基本Yb:YAG激光射线λω形成一谐振腔内部的射线场。该基础激光射线λω的一部分经由所述λω耦出反射镜5从所述激光谐振腔2中作为激光射束A被耦出。所述基础激光射线λω的另一部分借助所述SHG晶体8被频率加倍到515nm并且通过所述频率选择的λ2ω耦出反射镜7从所述激光谐振腔2中作为激光射束B被耦出。为了获得一高效的、稳定的变频过程，所述波长滤波器9作为频率选择元件被安装在所述光路中。在所述频率加倍的激光射线λ2ω和所述作为基础的基础激光射线λω之间不存在线性的变换关系、而是存在近似二次方的变换关系。因此，投射到所述SHG晶体8上的基础激光射线λω的功率越高，在所述SHG晶体8中产生的所述频率加倍的激光射线λ2ω的功率也增加得越强。
在图1至图2中示出的所述激光振荡器1此外在所述基础激光射线λω 的光路上具有一用于调制基础激光射线和变频激光射线λω、λ2ω的所述耦出比率的调制装置10。该调制装置10通过一用于使所述基础激光射线λω与偏振相关地耦出的、与偏振相关的耦出反射镜5和通过一用于调整投射到所述耦出反射镜5上的所述基础激光射线λω的偏振方向的偏振调制器来构成。在图1中，所述偏振调制器通过一用于调制直到ms范围中的、马达式沿双箭头方向12能绕光学轴线转动的拉姆达减速板11构成并且所述偏振调制器在图2中通过一用于调制直到ns至μs范围中的、电子光学的偏振调制器21，例如普克尔斯盒或者光弹性的或者光磁的调制器构成。
所述与偏振相关的耦出反射镜5对于所述基础激光射线λω的不同偏振方向具有不同强度的透射率。根据投射的基础激光射线λω的偏振方向，所述耦出反射镜5形成一个部分反射的λω耦出反射镜，在该耦出反射镜处，一部分基础激光射线λω作为激光射束A从所述激光谐振腔2中耦出，所述耦出反射镜或者形成一高反射率的λω转向反射镜，在该转向反射镜处没有基础激光射线λω从所述激光谐振腔2中耦出。由此，通过所述偏振调制器11、21能够改变用于所述基本波长λω的所述耦出反射镜5的部分反射率并且因而也能够改变所述基础激光射线λω的耦出功率以及分别配属的频率加倍的激光射线λ2ω的耦出功率。对于所述基础激光射线λω的在所述偏振调制器11、21上调整的每个耦出度获得谐振腔中的激光射线λω的不同功率并且基于非线性的变换关系获得基础激光射线和变频激光射线的一个不同的耦出比率，该不同的耦出比率能够由接近0％至100％经变频的激光射线进行调整。
该可变的耦出比率使得能够借助所述两个激光射束A、B对一工件进行优化的加工。因此，在加工开始时(插入过程)，所述工件材料还是冷的并且还具有对红外射线较小的吸收，从而使得需要较高份额的变频激光射线。对于铜材料，该效果尤其突出。在进一步的加工进程中，尤其总功率起作用，从而使得所述变频激光射线的份额可以回落。所述两个激光射束A、B例如能够同时在相同点上以不同的聚焦位态或者在不同的位置上投射，例如使所述变频激光射线在所述基础激光射线之前地投射到所述工件上，以便因此通过使用频率加倍的激光射线λ2ω对所述基础激光射线λω到所述工件中的耦入进行改进。
所述激光振荡器1例如可以按照如下方式进行构造：一Yb:YAG盘式 激光器头构成一多模式CW激光器。典型的在谐振腔内部回转的功率为10kW。选择基础激光射线和变频激光射线中的10％的总耦出。对于1kW的总耦出需要1％的加倍效率以产生100W的变频光。这已足够省略频率选择元件。典型的晶体长度处于几百微米至几毫米之间。尤其是对于高的CW强度可以是有意义的是：为所述变频的晶体设有高反射率的HR覆层并且类似于盘形激光器晶体将其布置在一散热器上。通过使用多个激光器头可以实现功率分级(Leistungsskalierung)。
在图2的在此未示出的一种变体方案中，所述偏振调制器21也可以布置在所述耦出反射镜5和所述SHG晶体8之间，以便改变投射到所述SHG晶体8上的所述激光射束的偏振并且由此改变所述SHG晶体8的变换效率。因此例如在使用λ/2板时在所述耦出反射镜5处不存在额外的耦出，而仅仅在SHG晶体8中存在另一偏振。
在图3中示出的所述激光振荡器1与图1和图2的不同之处在于，在此所述λω耦出反射镜5也构成所述端部反射镜4b并且不与偏振相关，设置另一转向反射镜16并且通过一具有配属的温度调节装置的加热和/或冷却装置31构成用于调制基础激光射线和变频激光射线λω、λ2ω的所述耦出比率的所述调制装置10，所述温度调节装置与所述SHG晶体8处于热接触。所述SHG晶体8的变频效率与温度相关并且因而可以有针对性地通过所述SHG晶体8的温度进行调整，即使是缓慢的。
在图4中示出的所述激光振荡器1与图3的不同之处在于，在此通过一用于使所述SHG晶体8相对于入射的基础激光射线λω倾斜(双箭头42)的转动驱动装置41构成用于调制基础激光射线和变频激光射线λω、λ2ω的所述耦出比率的所述调制装置10。所述非线性固体8的所述变频效率依赖于所述基础激光射线λω的入射角并且因而可以有针对性地通过所述SHG晶体8的倾斜角进行调整。在此选择了绕一垂直于射束轴线的轴线进行转动，也可以考虑绕所述射束轴线进行转动。
虽然在图1至图4中仅仅示出了线性的激光谐振腔，根据本实用新型的所述激光振荡器的所述激光谐振腔也可以是一环形谐振腔，所述基础激光射线λω在所述环形谐振腔中回转，即在所述环形谐振腔中不设置端部反射镜而是仅仅设置转向反射镜，并且所述基础激光射线和所述频率加倍的激光射线λω、λ2ω要么类似于图1在相同的耦出反射镜处要么类似于图2在 两个不同的耦出反射镜处从所述环形谐振腔中耦出。在第一种情况中，耦出具有λω和λ2ω的唯一一个耦出射束，在第二种情况中，耦出具有λω的第一耦出射束和具有λ2ω的第二耦出射束。
如在图5a-图5c中以单独地从所述激光谐振腔2中耦出的激光射束A、B为例所示出的那样，所述两个激光射束A、B能够通过自由射束传播(Freistrahlpropagation)要么单独地(图5a)要么在空间叠加后一同(图5b、5c)被导引向一激光加工机的(未示出的)加工头。在图5b中，所述激光射束A通过两个对于所述基本波长λω高反射率的λω转向反射镜51、52与所述激光射束B共线地被转向，其中，所述第二转向反射镜52对于所述变频波长λ2ω是透射的。在图5c中，所述激光射束B通过两个对于所述变频波长λ2ω高反射率的λ2ω转向反射镜53、54与所述激光射束A共线地被转向，其中，第二转向反射镜54对于所述基本波长λω是透射的。
如在图6a和图6b中以单独地从所述激光谐振腔2中耦出的激光射束A、B为例所示出的那样，所述两个激光射束A、B可以要么分别通过一耦入透镜61、62耦入到一运输光纤63、64(图6a)中要么在空间共线叠加后(类似于图5b、5c)通过一共用的耦入透镜65输入到一共用的运输光纤66(图6b)中。
如在图7a和7b中所示出的那样，在自由射束导向装置或者光纤导向装置中单独地或者共同地导向所述加工头的所述激光射束A、B最后一同聚焦到所述工件上。在单独导引激光射束A、B(图7a)的情况中，所述激光射束A、B在空间共线叠加之后(类似于图5b、5c)通过一聚焦光学装置71聚焦到工件表面上。在共同导引所述激光射束A、B(图7b)的情况中，所述激光射束A、B通过一准直透镜72和一聚焦透镜73聚焦到所述工件表面上，其中，能够消色差地实施所有光学分量。

Claims (12)

1.用于产生不同波长(λω、λ2ω)的两个激光射束(A、B)的激光振荡器(1)，所述激光振荡器具有一激光谐振腔(2)，所述激光谐振腔具有：一激光活性固体(3)，所述激光活性固体用于产生一基础激光射线(λω)；一非线性固体(8)，所述非线性固体用于从所述基础激光射线(λω)中产生一变频激光射线(λ2ω)；至少一个耦出反射镜(5、7)，所述至少一个耦出反射镜用于同时使所述基础激光射线和所述变频激光射线(λω、λ2ω)从所述激光谐振腔(2)中耦出，其特征在于，所述激光谐振腔(2)具有一调制装置(10)，所述调制装置用于调制基础激光射线和变频激光射线(λω、λ2ω)的耦出比率。
2.按照权利要求1所述的激光振荡器，其特征在于，所述耦出比率调制装置(10)通过一与偏振相关的耦出反射镜(5)和一偏振调制器(11、21)构成，所述与偏振相关的耦出反射镜用于使所述基础激光射线(λω)与偏振相关地耦出，所述偏振调制器用于调整投射到所述耦出反射镜(5)上的所述基础激光射线(λω)的偏振方向。
3.按照权利要求2所述的激光振荡器，其特征在于，所述偏振调制器构造成一能转动的减速板(11)或者构造成一电子光学的、光弹性的或者光磁的调制器(21)。
4.按照权利要求1所述的激光振荡器，其特征在于，通过一用于改变所述非线性固体(8)的温度的加热和/或冷却装置(31)构成所述耦出比率调制装置(10)。
5.按照权利要求1所述的激光振荡器，其特征在于，通过一用于使所述非线性固体(8)相对于入射的所述基础激光射线(λω)转动的装置(41)构成所述耦出比率调制装置(10)。
6.按照前述权利要求中任一项所述的激光振荡器，其特征在于，所述激光谐振腔(2)具有一第一耦出反射镜(5)和一第二耦出反射镜(7)，所述第一耦出反射镜用于仅使所述基础激光射线(λω)耦出，所述第二耦出反射镜用于仅使所述变频激光射线(λ2ω)耦出。
7.按照前述权利要求1至5中任一项所述的激光振荡器，其特征在于，设置有用于从所述激光谐振腔(2)中耦出的所述两个激光射束(A、B)的单独的或者共用的自由射束导向装置。
8.按照前述权利要求1至5中任一项所述的激光振荡器，其特征在于，设置有用于从所述激光谐振腔(2)中耦出的所述两个激光射束(A、B)的单独的或者共用的光纤导向装置。
9.按照前述权利要求1至5中任一项所述的激光振荡器，其特征在于，设置有用于从所述激光谐振腔(2)中耦出的所述两个激光射束(A、B)的共用的聚焦光学装置(71、73)。
10.按照前述权利要求1至5中任一项所述的激光振荡器，其特征在于，所述激光活性固体(3)是Yb:YAG或者Nd:YAG。
11.按照前述权利要求1至5中任一项所述的激光振荡器，其特征在于，所述激光谐振腔(2)具有用于所述基础激光射线(λω)和所述变频激光射线(λ2ω)的唯一一个谐振腔路径。
12.按照权利要求3所述的激光振荡器，其特征在于，所述偏振调制器构造成一普克尔斯盒。
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