CN212725944U

CN212725944U - 一种500w级高耦合效率光纤输出纳秒脉冲激光器

Info

Publication number: CN212725944U
Application number: CN202022232939.4U
Authority: CN
Inventors: 亓云轩
Original assignee: Shenfeng Suzhou Laser Technology Co ltd
Current assignee: Shenfeng Suzhou Laser Technology Co ltd
Priority date: 2020-10-09
Filing date: 2020-10-09
Publication date: 2021-03-16
Anticipated expiration: 2030-10-09

Abstract

本实用新型揭示了一种500W级高耦合效率光纤输出纳秒脉冲激光器，其包括沿光学路径依次设置的主振荡器、空间光路调节系统、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、第一声光调Q模块、激光模块、第二声光调Q模块、平面输出镜；所述空间光路调节系统包括第一45°反射镜、第二45°反射镜；所述光纤耦合模块包括光纤耦合透镜、激光焦点三维调节装置、以及传能光纤。本实用新型可实现在大功率范围内获得稳定的光纤耦合效率，解决传统对称式谐振腔存在的激光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降低的问题。

Description

一种500W级高耦合效率光纤输出纳秒脉冲激光器

【技术领域】

本实用新型属于激光器技术领域，特别是涉及一种500W级高耦合效率光纤输出纳秒脉冲激光器。

【背景技术】

激光清洗作为一种高效环保、灵活、易于操作的绿色清洁技术，目前已广泛应用于清洗金属模具表面的橡胶、油污、油漆、锈蚀等各种污染物，并在舰船、飞机、火车等大型的机械设备清洗中日益表现出广阔的应用前景。光纤耦合输出技术的使用极大地提高了激光清洗的灵活性，并广泛地拓展了激光清洗的应用场景。激光在光纤中的柔性传输，既可以实现灵活的人工手持操作，又可以实现智能的全自动化操作。因此，激光清洗既适用于小型设备灵活的人工清洗，又适用于大型设备高效、安全的全自动化清洗。

激光器作为激光清洗设备最为核心的部件，其性能的优劣对于激光清洗的效果具有至关重要的影响，这主要包括激光的输出功率、能量、脉冲宽度、峰值功率、重复频率等。同时，由于激光清洗采用的是光纤耦合输出技术，因此激光的光束质量对于光纤耦合的效率具有非常重要的影响。然而，传统激光清洗用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，这严重影响了高功率下激光耦合进光纤的效率，并影响整个激光系统的效率，过低的耦合效率甚至会损伤光纤器件。

从技术方面分析，传统激光清洗用固体激光器主要采用对称式的谐振腔设计，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显著降低。然而，对于一个光纤耦合系统来说，其参数基本上是确定的，难以实现在线式的随意调节，如耦合系统的透镜焦距、光纤的芯径、纤芯数值孔径等。因此，在耦合系统确定的前提下，谐振腔输出激光光束质量的改变必然会导致光纤耦合效率的降低。通常，传统的激光清洗用固体激光器主要通过调整参数使其在一定的功率范围内保证较高的光纤耦合效率，这极大地限制了激光清洗系统的功率灵活性和实用性。

综上考虑，虽然目前现有的激光谐振腔结构设计可以获取高功率、高能量的激光清洗光源，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。因此有必要改进现有激光谐振腔的结构设计，以提高大功率范围内的激光光束质量，并进而提高光纤的耦合效率，从而为激光清洗系统提供一种高效、稳定的激光光源。

【实用新型内容】

本实用新型的主要目的在于提供一种500W级基于非对称谐振腔结构设计的高功率、高光束质量、高光纤耦合效率的纳秒脉冲激光器，该设计可在大功率范围内获得稳定的光纤耦合效率，解决了传统对称式谐振腔存在的激光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降低的问题。

本实用新型通过如下技术方案实现上述目的：一种500W级高耦合效率光纤输出纳秒脉冲激光器，其包括沿光学路径依次设置的主振荡器、空间光路调节系统、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、第一声光调Q模块、激光模块、第二声光调Q模块、平面输出镜；所述空间光路调节系统包括第一45°反射镜、第二45°反射镜；所述光纤耦合模块包括光纤耦合透镜、激光焦点三维调节装置、以及传能光纤。

优选的，所述平面反射镜对信号光高反，其反射率大于99％。

优选的，所述激光模块包括泵浦光源和激光晶体；所述泵浦光源输出波长包括808nm、940nm、969nm；所述激光晶体为Nd:YAG或Yb:YAG，晶体直径为4～10mm，晶体长度为100～150mm。

优选的，所述第一声光调Q模块和第二声光调Q模块在激光腔内垂直放置，以达到最佳的调Q效果。

优选的，所述激光晶体的前端面与所述平面反射镜沿光路的距离为100～200mm。

优选的，所述激光晶体的后端面与所述平面输出镜沿光路的距离为150～300mm。

优选的，所述平面输出镜对信号光的反射率为60％～90％。

优选的，所述主振荡器输出激光的波长为1030nm或1064nm。

优选的，所述第一45°反射镜、第二45°反射镜对激光高反，45°方向反射率均大于99％。

优选的，所述光纤耦合透镜的焦距视光斑的大小根据传能光纤的芯径而定，其焦距的范围为30～70mm，如40mm、50mm、60mm。以满足在不同芯径的耦合输出光纤下均获得最佳的激光耦合效率。

优选的，所述激光焦点三维调节装置可以实现激光焦点的精确调节，以获得良好的光纤耦合效率。

优选的，所述传能光纤的芯径范围为200～1000μm，典型值为200μm、400μm、500μm、600μm，对应纤芯数值孔径NA的典型值为0.22、0.12，不同的光纤芯径以满足不同激光清洗的要求，如不同的光斑大小、不同的焦深要求等。

与现有技术相比，本实用新型一种500W级高耦合效率光纤输出纳秒脉冲激光器的有益效果在于：是一种基于非对称谐振腔结构设计的高功率、高光束质量、高光纤耦合效率的纳秒脉冲激光器，该谐振腔采用非对称结构设计，输出光束质量好，可实现大功率范围内稳定的光纤耦合效率，其耦合效率在整个可调功率范围内均大于94％，从而提高了整个激光器系统的效率和稳定性，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非对称的动态稳定腔设计，谐振腔输出激光的光束质量好，且光束质量不会随着泵浦功率的改变而出现明显的恶化；

2)本方案激光器输出激光的光束质量好，稳定性高，保证了在不同输出功率下均可以实现极高的光纤耦合效率，有效解决了传统对称式谐振腔结构因光束质量随输出功率提高而急剧恶化，并进导致光纤耦合效率降低的问题；

3)本方案激光器结构简单，没有复杂的级间光束整形和光路耦合系统，稳定性高。

【附图说明】

图1为本实用新型实施例的结构示意图；

图2为本实用新型实施例的光纤耦合效率实测结果图；

图3为本实用新型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、第一声光调Q模块；3、激光模块；4、第二声光调Q模块；5、平面输出镜；6、第一45°反射镜；7、第二45°反射镜；8、光纤耦合透镜；9、激光焦点三维调节装置；10、传能光纤。

【具体实施方式】

实施例一：

参照图1，本实施例一种基于非对称谐振腔结构设计的高功率、高光束质量、高光纤耦合效率的纳秒脉冲激光器，包括沿光学路径依次设置的主振荡器、空间光路调节系统、光纤耦合模块。其中，主振荡器沿光学路径依次包括：平面反射镜1、第一声光调Q模块2、激光模块3、第二声光调Q模块4、平面输出镜5。空间光路调节系统包括：第一45°反射镜6、第二45°反射镜7；光纤耦合模块包括：光纤耦合透镜8、激光焦点三维调节装置9、传能光纤10。

本实施例中，所述激光模块3包括808nm半导体激光器和侧面泵浦Nd:YAG晶体，其中Nd:YAG晶体的直径为5mm，长度为165mm。

本实施例中，所述激光模块3的Nd:YAG晶体前端面与平面反射镜1沿光路的距离为135mm，Nd:YAG晶体的后端面与平面输出镜6沿光路的距离为190mm；

本实施例中，所述平面输出镜6的反射率为70％，谐振腔输出激光波长为1064nm，泵浦功率1500W。

经实测，所述主振荡器输出激光参数为：平均功率为500W，重复频率为20kHz，脉冲宽度为80ns，光束质量M2因子在20～22之间。

实测结果证明，本实施例一种基于非对称谐振腔结构设计的高功率、高光纤耦合效率的纳秒脉冲激光器，通过优化设计非对称腔结构的参数，主振荡器直接输出的脉冲光功率达到500W量级，激光经过光纤耦合模块导入传能光纤，光纤耦合效率较高，在整个功率范围内均大于95％。

为了进一步说明本实施例所述激光器的优异效果，我们分别对传统的对称式腔结构和本实用新型的非对称腔结构输出激光的光束质量进行了实验测试，结果如图2所示。在相同的泵浦功率下，采用非对称腔结构输出的光束质量更好，光束质量因子M2平均值在20～25之间。相比之下，传统的对称腔结构输出激光的光束质量更差，光束质量因子M2大于30，最高达到了48。

同时，我们对光纤的耦合效率进行了测试，测试结果如图3所示。在整个谐振腔输出的功率范围内，光纤耦合效率均高于95％，且耦合效率非常稳定，没有出现功率过高而耦合效率急剧降低的问题。

以上所述的仅是本实用新型的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种500W级高耦合效率光纤输出纳秒脉冲激光器，其特征在于：其包括沿光学路径依次设置的主振荡器、空间光路调节系统、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、第一声光调Q模块、激光模块、第二声光调Q模块、平面输出镜；所述空间光路调节系统包括第一45°反射镜、第二45°反射镜；所述光纤耦合模块包括光纤耦合透镜、激光焦点三维调节装置、以及传能光纤。

2.如权利要求1所述的一种500W级高耦合效率光纤输出纳秒脉冲激光器，其特征在于：所述平面反射镜的反射率大于99％。

3.如权利要求1所述的一种500W级高耦合效率光纤输出纳秒脉冲激光器，其特征在于：所述激光模块包括泵浦光源和激光晶体；所述泵浦光源输出波长为808nm、或940nm、或969nm；所述激光晶体为Nd:YAG或Yb:YAG，晶体直径为4～10mm，晶体长度为100～150mm。

4.如权利要求1所述的一种500W级高耦合效率光纤输出纳秒脉冲激光器，其特征在于：所述第一声光调Q模块和第二声光调Q模块在激光腔内垂直设置。

5.如权利要求3所述的一种500W级高耦合效率光纤输出纳秒脉冲激光器，其特征在于：所述激光晶体的前端面与所述平面反射镜沿光路的距离为100～200mm。

6.如权利要求3所述的一种500W级高耦合效率光纤输出纳秒脉冲激光器，其特征在于：所述激光晶体的后端面与所述平面输出镜沿光路的距离为150～300mm。

7.如权利要求1所述的一种500W级高耦合效率光纤输出纳秒脉冲激光器，其特征在于：所述平面输出镜对信号光的反射率为60％～90％。

8.如权利要求1所述的一种500W级高耦合效率光纤输出纳秒脉冲激光器，其特征在于：所述主振荡器输出激光的波长为1030nm或1064nm。

9.如权利要求1所述的一种500W级高耦合效率光纤输出纳秒脉冲激光器，其特征在于：所述第一45°反射镜、第二45°反射镜的45°方向反射率均大于99％。

10.如权利要求1所述的一种500W级高耦合效率光纤输出纳秒脉冲激光器，其特征在于：所述光纤耦合透镜的焦距为30～70mm，所述传能光纤的芯径范围为200～1000μm。