專利名稱：一級(jí)諧振兩級(jí)放大的千瓦級(jí)大功率脈沖NdYAG激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種固體激光器，特別是涉及一種工業(yè)用千瓦級(jí)大功率脈沖Nd:YAG 激光器，屬于激光器領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前應(yīng)用于工業(yè)加工中的激光器主要是CO2激光器和固體Nd:YAG激光器，固體 Nd:YAG激光器具有輸出能量大、峰值功率高、器件結(jié)構(gòu)緊湊、便于光纖藕合、比0)2氣體激光器波長(zhǎng)短、使用壽命長(zhǎng)和單元技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已在工業(yè)激光材料加工、激光醫(yī)學(xué)、激光化學(xué)、科學(xué)研究與發(fā)展以及國(guó)防軍事等方面獲得廣泛的應(yīng)用，形成了廣闊的世界固體激光市場(chǎng)。然而我國(guó)千瓦以上的工業(yè)化固體激光器全部依賴進(jìn)口，極大地制約了我國(guó)先進(jìn)制造業(yè)的發(fā)展。目前我國(guó)的激光設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)主要生產(chǎn)50W-600W激光加工設(shè)備，工業(yè)大功率固體激光器研發(fā)相對(duì)滯后。除國(guó)內(nèi)某大學(xué)采用多棒串接的方式研發(fā)出2kW的大功率連續(xù)固體激光器和國(guó)內(nèi)某半導(dǎo)體所全固態(tài)光源實(shí)驗(yàn)室軍用5KW固體激光器外，國(guó)內(nèi)千瓦級(jí)工業(yè)大功率固體激光器的生產(chǎn)制造還沒有實(shí)現(xiàn)。前述兩種國(guó)內(nèi)研發(fā)的固體激光器由于光束質(zhì)量不夠高，不能耦合進(jìn)入光纖，只能硬光路進(jìn)行傳輸，因此還只能在實(shí)驗(yàn)室中使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種光束質(zhì)量高、能柔性輸出的千瓦級(jí)工業(yè)大功率固體激光器。本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)一種一級(jí)諧振兩級(jí)放大的千瓦級(jí)大功率脈沖Nd:YAG激光器，它采用一級(jí)諧振兩級(jí)放大的三級(jí)MOPA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和光纖柔性輸出方式，它包括分別安裝在底座上的激光準(zhǔn)直系統(tǒng)、諧振級(jí)、一級(jí)放大級(jí)、二級(jí)放大級(jí)和柔性輸出系統(tǒng)，所述的一級(jí)放大級(jí)位于諧振級(jí)輸出端的中心線上；二級(jí)放大級(jí)位于一級(jí)放大級(jí)的一側(cè)，且與一級(jí)放大級(jí)平行；所述柔性輸出系統(tǒng)位于二級(jí)放大級(jí)的輸出端；激光準(zhǔn)直系統(tǒng)位于諧振級(jí)輸入端的中心線上。所述的諧振級(jí)由光學(xué)諧振腔、激光腔組成；一級(jí)放大級(jí)由一級(jí)激光腔、一級(jí)45° 全反鏡組成；二級(jí)放大級(jí)由二級(jí)激光腔、二級(jí)45°全反鏡、激光器輸出鏡組成。所述光學(xué)諧振腔采用平凹結(jié)構(gòu)腔，由凹面全反鏡和平面輸出鏡這兩種光學(xué)鏡片組成，兩光學(xué)鏡片以設(shè)定的間距相向放置；所述激光腔由聚光腔、激光晶體棒、兩支泵浦氙燈、 濾光管組成，激光腔放置在距離凹面全反鏡具有一設(shè)定間距的諧振腔的中心線上，激光晶體棒放置在聚光腔的中心，其外套有濾光管，兩支泵浦氙燈對(duì)稱放置在激光晶體棒的兩側(cè)， 聚光腔底部接有水冷裝置。所述一級(jí)激光腔由一級(jí)聚光腔、激光晶體棒、兩支泵浦氙燈、濾光管組成，一級(jí)激光腔放置在距離諧振級(jí)平面輸出鏡為設(shè)定間距的諧振腔的中心線上，激光晶體棒放置在聚光腔的中心，其外套有濾光管，兩支泵浦氙燈對(duì)稱放置在激光晶體棒的兩側(cè)，聚光腔底部接有水冷裝置；所述一級(jí)45°全反鏡以距離一級(jí)激光腔輸出端為一設(shè)定間距放置在諧振腔的中心線上。所述二級(jí)激光腔由聚光腔、激光晶體棒、兩支泵浦氙燈及濾光管組成，激光晶體棒放置在聚光腔的中心，其外套有濾光管，兩支泵浦氙燈對(duì)稱放置在晶體棒的兩側(cè)，聚光 腔底部接有水冷裝置；所述二級(jí)45°全反鏡以距離二級(jí)激光腔輸入端為一設(shè)定間距放置在二級(jí)激光腔的中心線上。所述二級(jí)激光腔和一級(jí)激光腔以設(shè)定的間距平行且兩端對(duì)齊的放置；激光器輸出鏡由兩個(gè)45°全反鏡組成，第一 45°全反輸出鏡以距離二級(jí)激光腔輸出端為設(shè)定的間距放置在二級(jí)激光腔的中心線上，第二 45°全反輸出鏡以間距第一 45°全反輸出鏡一設(shè)定的距離平行放置在二級(jí)激光腔中心線的垂線上。所述柔性輸出系統(tǒng)包括光纖耦合頭和光纖，所述光纖耦合頭放置在第二 45°全反輸出鏡的輸出端。所述激光準(zhǔn)直系統(tǒng)為He-Ne準(zhǔn)直激光器，該He-Ne準(zhǔn)直激光器以設(shè)定的距離放置在諧振級(jí)凹面全反鏡的輸入端的中心線上。所述凹面全反鏡為Φ2cm R = 4m凹面全反鏡；所述平面輸出鏡為Φ2cm R =① T = 60%的平面輸出鏡；所述凹面全反鏡與平面輸出鏡以間距580mm的距離相向放置；所述聚光腔為雙橢圓鍍金聚光腔；所述激光晶體棒為Φ8πιπιΧ 180mm摻雜濃度為0. 8%的激光晶體棒；所述泵浦氙燈為Φ8πιπιΧ 180mm的泵浦氙燈；所述激光腔放置在距離凹面全反鏡為 200mm的諧振腔的中心線上；所述一級(jí)激光腔中的聚光腔為雙橢圓鍍金聚光腔；所述激光晶體棒為 Φ9mmX 180mm摻雜濃度為0. 8%的激光晶體棒；所述泵浦氙燈為Φ9πιπιΧ180πιπι的泵浦氙燈；所述一級(jí)激光腔放置在距離諧振級(jí)平面輸出鏡為120mm的諧振腔的中心線上；所述一級(jí)45°全反鏡以距離一級(jí)激光腔輸出端為160mm的間距放置在諧振腔的中心線上；所述二級(jí)激光腔中的聚光腔為雙橢圓鍍金聚光腔；所述激光晶體棒為 Φ9mmX 180mm摻雜濃度為0. 8%的激光晶體棒；所述泵浦氙燈為Φ9πιπιΧ180πιπι的泵浦氙燈；所述二級(jí)45°全反鏡以距離二級(jí)激光腔輸入端為160mm的間距放置在二級(jí)激光腔的中心線上；所述二級(jí)激光腔和一級(jí)激光腔以210mm的間距平行且兩端對(duì)齊的放置；所述第一 45°全反輸出鏡以距離二級(jí)激光腔輸出端為540mm的間距放置在二級(jí)激光腔輸出端的中心線上，第二 45°全反輸出鏡以間距第一 45°全反輸出鏡IOOmm的距離平行放置在二級(jí)激光腔中心線的垂線上；所述光纖耦合頭以距離激光輸出鏡中第二 45°全反輸出鏡為IlOmm的距離放置。本發(fā)明總體上采用一級(jí)諧振兩級(jí)放大的三級(jí)MOPA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和光纖柔性輸出方式，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)千瓦級(jí)大功率脈沖Nd:YAG激光器。本發(fā)明的激光器具有光束質(zhì)量高、功率穩(wěn)定、能柔性輸出等優(yōu)點(diǎn)，其最高輸出功率1125W、光電轉(zhuǎn)換效率3.3%、光束質(zhì)量 22mm ^racU耦合進(jìn)入Φ0. 6mm的光纖，在輸出功率為957W連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)兩小時(shí)后的功率不穩(wěn)定度為2.5%，能滿足工業(yè)生產(chǎn)大功率、柔性加工的需求，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)千瓦級(jí)大功率激光加工系統(tǒng)用的商品級(jí)可靠、穩(wěn)定的脈沖Nd:YAG激光器的空缺，具有顯著經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。


圖1是本發(fā)明的一級(jí)諧振兩級(jí)放大的千瓦級(jí)大功率脈沖Nd: YAG激光器結(jié)構(gòu)示意圖；圖中1、底座；2、He-Ne準(zhǔn)直激光器；3、激光腔；4、諧振級(jí)；5、一級(jí)放大級(jí)；6、二級(jí)放大級(jí)；7、光纖耦合頭；8、光纖；9、凹面全反鏡；10、平面輸出鏡；11、一級(jí)45°全反鏡；12、 雙橢圓鍍金聚光腔；13、外部套有濾光管的激光晶體棒；14、泵浦氙燈1 ；15、第一 45°全反輸出鏡；16、第二 45°全反輸出鏡；17、二級(jí)45°全反鏡；31、一級(jí)激光腔；32、二級(jí)激光腔。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。如圖1所示結(jié)構(gòu)是本發(fā)明實(shí)施例一的一種一級(jí)諧振兩級(jí)放大的千瓦級(jí)大功率脈沖Nd: YAG激光器，它采用一級(jí)諧振兩級(jí)放大的三級(jí)MOPA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和光纖柔性輸出方式，它包括分別安裝在底座1上的激光準(zhǔn)直系統(tǒng)2、諧振級(jí)4、一級(jí)放大級(jí)5、二級(jí)放大級(jí)6和柔性輸出系統(tǒng)，所述的一級(jí)放大級(jí)5位于諧振級(jí)4輸出端的中心線上；二級(jí)放大級(jí)6位于一級(jí)放大級(jí)5的一側(cè)，且與一級(jí)放大級(jí)5平行；所述柔性輸出系統(tǒng)位于二級(jí)放大級(jí)6的輸出端；激光準(zhǔn)直系統(tǒng)2位于諧振級(jí)4輸入端的中心線上。所述的諧振級(jí)4由光學(xué)諧振腔、激光腔3組成；一級(jí)放大級(jí)5由一級(jí)激光腔31、一級(jí)45°全反鏡11組成；二級(jí)放大級(jí)6由二級(jí)激光腔32、二級(jí)45°全反鏡17、激光器輸出鏡組成。所述光學(xué)諧振腔采用平凹結(jié)構(gòu)腔，由Φ2cm R = 4m凹面全反鏡9和Φ2οπι R = -T = 60%平面輸出鏡10這兩種光學(xué)鏡片組成，兩光學(xué)鏡片以間距580mm的距離相向放置；所述激光腔3由雙橢圓鍍金聚光腔12、OSmmX 180mm摻雜濃度為0. 8%的激光晶體棒 13、兩支OSmmX 180mm的泵浦氙燈14、濾光管組成，所述激光腔3放置在距離凹面全反鏡9 為200mm的諧振腔的中心線上，激光晶體棒13放置在聚光腔12的中心，其外套有濾光管， 兩支泵浦氙燈14對(duì)稱放置在激光晶體棒13的兩側(cè)，聚光腔12底部接有水冷裝置(圖中未示出)。所述一級(jí)激光腔31由雙橢圓鍍金聚光腔12、0 9mmX 180mm摻雜濃度為0. 8%的激光晶體棒13、兩支Φ9πιπιΧ 180mm的泵浦氙燈14、濾光管組成，一級(jí)激光腔31放置在距離諧振級(jí)4平面輸出鏡10為120mm的諧振腔的中心線上，激光晶體棒13放置在聚光腔12的中心，其外套有濾光管，兩支泵浦氙燈14對(duì)稱放置在激光晶體棒13的兩側(cè)，聚光腔12底部接有水冷裝置(圖中未示出)；所述所述一級(jí)45°全反鏡11以距離一級(jí)激光腔31輸出端為160mm的間距放置在諧振腔的中心線上。所述二級(jí)激光腔32由雙橢圓鍍金聚光腔12、0 9mmX 180mm摻雜濃度為0. 8%的激光晶體棒13、兩支Φ9πιπιΧ 180mm的泵浦氙燈14及濾光管組成，激光晶體棒13放置在聚光腔12的中心，其外套有濾光管，兩支泵浦氙燈14對(duì)稱放置在晶體棒13的兩側(cè)，聚光腔12 底部接有水冷裝置(圖中未示出)；所述二級(jí)45°全反鏡17以距離二級(jí)激光腔32輸入端為160mm的間距放置在二級(jí)激光腔的中心線上。所述二級(jí)激光腔32和一級(jí)激光腔31以210mm的間距平行且兩端對(duì)齊的放置；激光器輸出鏡由兩個(gè)45°全反鏡組成，第一 45°全反輸出鏡15以距離二級(jí)激光腔32輸出端為540mm的間距放置在二級(jí)激光腔32輸出端的中心線上，第二 45°全反輸出鏡16以間距第一 45°全反輸出鏡IOOmm的距離平行放置在二級(jí)激光腔32輸出端中心線的垂線上。
所述柔性輸出系統(tǒng)包括光纖耦合頭7和光纖8，所述光纖耦合頭7以距離激光輸出鏡中第二 45°全反輸出鏡16為IlOmm的距離放置。所述激光準(zhǔn)直系統(tǒng)2為He-Ne準(zhǔn)直激光器，該He-Ne準(zhǔn)直激光器以設(shè)定的距離放置在諧振級(jí)4凹面全反鏡9的輸入端的中心線上。在上述一級(jí)諧振兩級(jí)放大的Nd:YAG激光器中，泵浦氙燈輻射的光能，經(jīng)過聚光腔，使諧振級(jí)、放大級(jí)晶體棒中的激活粒子吸收光能，讓其形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。諧振腔中的晶體棒實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)后，通過諧振腔的選頻、選向，使頻率一定、沿軸線方向的受激輻射光子在腔內(nèi)多次往返形成相干的持續(xù)振蕩，從而實(shí)現(xiàn)光的放大。諧振級(jí)輸出的放大光依次經(jīng)過已處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的一級(jí)放大級(jí)、二級(jí)放大級(jí)，實(shí)現(xiàn)激光的單程行波放大。使得激光器的總功率不斷增加，最終輸出大功率的激光。本發(fā)明并不限于以上實(shí)施方式，只要是本說明書及權(quán)利要求書中提及的方案均是可以實(shí)施的。
權(quán)利要求
1.一級(jí)諧振兩級(jí)放大的千瓦級(jí)大功率脈沖Nd:YAG激光器，其特征在于它包括分別安裝在底座上的激光準(zhǔn)直系統(tǒng)、諧振級(jí)、一級(jí)放大級(jí)、二級(jí)放大級(jí)和柔性輸出系統(tǒng)，所述的一級(jí)放大級(jí)位于諧振級(jí)輸出端的中心線上；二級(jí)放大級(jí)位于一級(jí)放大級(jí)的一側(cè)，且與一級(jí)放大級(jí)平行；所述柔性輸出系統(tǒng)位于二級(jí)放大級(jí)的輸出端；激光準(zhǔn)直系統(tǒng)位于諧振級(jí)輸入端的中心線上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一級(jí)諧振兩級(jí)放大的千瓦級(jí)大功率脈沖Nd:YAG激光器，其特征在于所述諧振級(jí)由光學(xué)諧振腔、激光腔組成；一級(jí)放大級(jí)由一級(jí)激光腔、一級(jí)45°全反鏡組成；二級(jí)放大級(jí)由二級(jí)激光腔、二級(jí)45°全反鏡、激光器輸出鏡組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一級(jí)諧振兩級(jí)放大的千瓦級(jí)大功率脈沖Nd:YAG激光器，其特征在于所述光學(xué)諧振腔采用平凹結(jié)構(gòu)腔，由凹面全反鏡和平面輸出鏡這兩種光學(xué)鏡片組成，兩光學(xué)鏡片以設(shè)定的間距相向放置；所述激光腔由聚光腔、激光晶體棒、兩支泵浦氙燈、 濾光管組成，激光腔放置在距離凹面全反鏡具有一設(shè)定間距的諧振腔的中心線上，激光晶體棒放置在聚光腔的中心，其外套有濾光管，兩支泵浦氙燈對(duì)稱放置在激光晶體棒的兩側(cè)， 聚光腔底部接有水冷裝置。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一級(jí)諧振兩級(jí)放大的千瓦級(jí)大功率脈沖Nd:YAG激光器，其特征在于所述一級(jí)激光腔由一級(jí)聚光腔、激光晶體棒、兩支泵浦氙燈、濾光管組成，一級(jí)激光腔放置在距離諧振級(jí)平面輸出鏡為設(shè)定間距的諧振腔的中心線上，激光晶體棒放置在聚光腔的中心，其外套有濾光管，兩支泵浦氙燈對(duì)稱放置在激光晶體棒的兩側(cè)，聚光腔底部接有水冷裝置；所述一級(jí)45°全反鏡以距離一級(jí)激光腔輸出端為一設(shè)定間距放置在諧振腔的中心線上。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一級(jí)諧振兩級(jí)放大的千瓦級(jí)大功率脈沖Nd:YAG激光器，其特征在于所述二級(jí)激光腔由聚光腔、激光晶體棒、兩支泵浦氙燈及濾光管組成，激光晶體棒放置在聚光腔的中心，其外套有濾光管，兩支泵浦氙燈對(duì)稱放置在晶體棒的兩側(cè)，聚光腔底部接有水冷裝置；所述二級(jí)45°全反鏡以距離二級(jí)激光腔輸入端為一設(shè)定間距放置在二級(jí)激光腔的中心線上。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一級(jí)諧振兩級(jí)放大的千瓦級(jí)大功率脈沖Nd:YAG激光器，其特征在于所述二級(jí)激光腔和一級(jí)激光腔以設(shè)定的間距平行且兩端對(duì)齊的放 置；激光器輸出鏡由兩個(gè)45°全反鏡組成，第一 45°全反輸出鏡以距離二級(jí)激光腔輸出端為設(shè)定的間距放置在二級(jí)激光腔的中心線上，第二 45°全反輸出鏡以間距第一 45°全反輸出鏡一設(shè)定的距離平行放置在二級(jí)激光腔中心線的垂線上。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一級(jí)諧振兩級(jí)放大的千瓦級(jí)大功率脈沖Nd:YAG激光器，其特征在于所述柔性輸出系統(tǒng)包括光纖耦合頭和光纖，所述光纖耦合頭放置在第二 45°全反輸出鏡的輸出端。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一級(jí)諧振兩級(jí)放大的千瓦級(jí)大功率脈沖Nd:YAG激光器，其特征在于所述激光準(zhǔn)直系統(tǒng)為He-Ne準(zhǔn)直激光器，該He-Ne準(zhǔn)直激光器以設(shè)定的距離放置在諧振級(jí)凹面全反鏡的輸入端的中心線上。
9.根據(jù)權(quán)利要求3、4、5、6、7和8所述的一級(jí)諧振兩級(jí)放大的千瓦級(jí)大功率脈沖 Nd: YAG激光器，其特征在于所述凹面全反鏡為Φ2cm R = 4m凹面全反鏡；所述平面輸出鏡為Φ2cm R T =60%的平面輸出鏡；所述凹面全反鏡與平面輸出鏡以間距580mm的距離相向放置；所述聚光腔為雙橢圓鍍金聚光腔；所述激光晶體棒為O8mmX180mm摻雜濃度為0.8%的激光晶體棒；所述泵浦氙燈為Φ8πιπιΧ 180mm的泵浦氙燈；所述激光腔放置在距離凹面全反鏡為 200mm的諧振腔的中心線上；所述一級(jí)激光腔中的聚光腔為雙橢圓鍍金聚光腔；所述激光晶體棒為Φ9πιπιΧ 180mm 摻雜濃度為0. 8%的激光晶體棒；所述泵浦氙燈為Φ9πιπιΧ 180mm的泵浦氙燈；所述一級(jí)激光腔放置在距離諧振級(jí)平面輸出鏡為120mm的諧振腔的中心線上；所述一級(jí)45°全反鏡以距離一級(jí)激光腔輸出端為160mm的間距放置在諧振腔的中心線上； 所述二級(jí)激光腔中的聚光腔為雙橢圓鍍金聚光腔；所述激光晶體棒為Φ9πιπιΧ 180mm 摻雜濃度為0. 8%的激光晶體棒；所述泵浦氙燈為Φ9πιπιΧ 180mm的泵浦氙燈；所述二級(jí) 45°全反鏡以距離二級(jí)激光腔輸入端為160mm的間距放置在二級(jí)激光腔的中心線上；所述二級(jí)激光腔和一級(jí)激光腔以210mm的間距平行且兩端對(duì)齊的放置；所述第一 45° 全反輸出鏡以距離二級(jí)激光腔輸出端為540mm的間距放置在二級(jí)激光腔輸出端的中心線上，第二 45°全反輸出鏡以間距第一 45°全反輸出鏡IOOmm的距離平行放置在二級(jí)激光腔中心線的垂線上；所述光纖耦合頭以距離激光輸出鏡中第二 45°全反輸出鏡為IlOmm的距離放置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種一級(jí)諧振兩級(jí)放大的千瓦級(jí)大功率脈沖Nd:YAG激光器，它采用一級(jí)諧振兩級(jí)放大的三級(jí)MOPA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和光纖柔性輸出方式，具體包括分別安裝在底座上的激光準(zhǔn)直系統(tǒng)、諧振級(jí)、一級(jí)放大級(jí)、二級(jí)放大級(jí)和柔性輸出系統(tǒng)，所述的一級(jí)放大級(jí)位于諧振級(jí)輸出端的中心線上；二級(jí)放大級(jí)位于一級(jí)放大級(jí)的一側(cè)，且與一級(jí)放大級(jí)平行；所述柔性輸出系統(tǒng)位于二級(jí)放大級(jí)的輸出端；激光準(zhǔn)直系統(tǒng)位于諧振級(jí)輸入端的中心線上。本發(fā)明的千瓦級(jí)大功率脈沖激光器具有光束質(zhì)量高、功率穩(wěn)定、能實(shí)現(xiàn)柔性輸出等優(yōu)點(diǎn)，能滿足工業(yè)生產(chǎn)大功率、柔性加工的需求，具有顯著經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
文檔編號(hào)H01S3/13GK102354902SQ20111034894
公開日2012年2月15日 申請(qǐng)日期2011年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月7日
發(fā)明者張健, 張慶茂, 郭亮 申請(qǐng)人:華南師范大學(xué)