專利名稱：平行雙光路偏振相干合成大功率激光器以及焊接切割系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種激光器和焊接切割系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
激光器廣泛用于各種用途，例如焊接切割系統(tǒng)中。平均輸出功率和光束質(zhì)量是激光器在科研及生產(chǎn)等行業(yè)應(yīng)用中的主要技術(shù)參數(shù)，然而由于激光器本身的各種機(jī)制或條件的限制，其輸出功率是有限的；而且光束質(zhì)量隨著輸出功率的增加而降低，因此二者成為發(fā)展高能激光技術(shù)的關(guān)鍵問題?，F(xiàn)有技術(shù)中的高能激光器通常包括聚光腔、尾鏡和頭鏡，其中尾鏡為全反射鏡，頭鏡為部分反射鏡。這種結(jié)構(gòu)的激光器輸出功率較低且光束質(zhì)量不溫度，在實(shí)際應(yīng)用中造成諸多不便。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型公開了一種激光器和焊接切割系統(tǒng)，其將基于角錐作為全反鏡的兩路子激光器平行放置，由偏振片產(chǎn)生偏振光束并最后達(dá)到兩路P/S光相干合成提高輸出功率和光束質(zhì)量。本實(shí)用新型的平行雙光路偏振相干合成大功率激光器，包括脈沖電源和諧振腔，諧振腔包括第一聚光腔、第二聚光腔、第一工作物質(zhì)、第二工作物質(zhì)、角錐棱鏡、半反射鏡、第一全反射鏡、第二全反射鏡、第一偏振片和第二偏振片，其中，第一聚光腔和第二聚光腔平行設(shè)置；第一工作物質(zhì)置于第一聚光腔內(nèi)且位于第一聚光腔的軸向中心線上，第二工作物質(zhì)置于第二聚光腔內(nèi)且位于第二聚光腔的軸向中心線上；角錐棱鏡、第一全反射鏡、第二全反射鏡、第一偏振片、第二偏振片以及半反射鏡的中心與第一聚光腔以及第二聚光腔的腔體中心位于同一平面上；角錐棱鏡、第一偏振片、第一工作物質(zhì)、第二偏振片和半反射鏡位于同一條直線上，第一偏振片和第二偏振片分別位于第一工作物質(zhì)的兩側(cè)，且與第一工作物質(zhì)的夾角為45度；第一全反射鏡、第二工作物質(zhì)和第二全反射鏡位于同一條直線上，第一全反射鏡和第二全反射鏡分別位于第二工作物質(zhì)的兩側(cè)，且于第二工作物質(zhì)的夾角為45度。提高單束激光能量的可行方法是采用光束合成技術(shù)，即把多束低功率而且光束質(zhì)量良好的激光束合成為一束，在獲得高功率激光束的同時(shí)維持或提高光束質(zhì)量。目前，光束合成技術(shù)已得到了廣泛的研究，也發(fā)展了各種各樣的合成方法。根據(jù)光束的相干性可以分為相干合成和非相干合成，按照合成光束的空間結(jié)構(gòu)可以分為陣列合成和同軸合成，依據(jù)合成過程與諧振腔的關(guān)系又可分為腔內(nèi)合成、腔耦合以及腔外合成。偏振光束合成是光束合成的一個(gè)技術(shù)方案，其合束兀件是偏振分束鏡，可以實(shí)現(xiàn)多束相干光的同軸合成。單就該方法而言，理論合成效率高，而且由于實(shí)現(xiàn)了同軸合成，光束質(zhì)量好。[0012]偏振光束合成時(shí)，參與合成的P光和s光具有相同的頻率以及固定的相位差,兩束光經(jīng)過偏振分束鏡合為一束橢圓偏振光(或線偏振光)。將一個(gè)X/4波片插入該橢圓偏振光束中，光軸與橢圓偏振光的主軸平行，則經(jīng)過X /4波片后橢圓偏振光變?yōu)榫€偏振光，該線偏振光經(jīng)過I個(gè)X/2波片旋轉(zhuǎn)成p光(或s光)。合成的p(或s)光可以和其他的s (或p)光重復(fù)上述合束及轉(zhuǎn)換過程，如此實(shí)現(xiàn)多束偏振光的合成。偏振光束合成時(shí)對條件有一定的要求，如具有良好穩(wěn)定性的機(jī)械器件、有效的隔震措施、穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)環(huán)境等，以控制相位差的穩(wěn)定，獲得較高的合成效率。當(dāng)參與合成的p光和s光的強(qiáng)度相差較大時(shí)，相位差的不穩(wěn)定性對合成效率的影響較小，而當(dāng)兩束光等強(qiáng)度時(shí)，合成效率對相位差的變化最為敏感。理論上，經(jīng)過P B S平行射出的p光和s光在空間上是完全重合的 ，但實(shí)際上不可避免地存在重合誤差。由于重合誤差的存在，P光和s光的一小部分光束因沒有發(fā)生偏振疊加而損失；而在疊加區(qū)域S內(nèi)，光束橫截面上各點(diǎn)處的振幅比不同，因此合成光束在橫截面上各點(diǎn)處的偏振態(tài)不同，這種非均勻偏振的效果使偏振合成損耗增大。一般來說，后一種損耗是光斑重合誤差引起的主要影響。實(shí)際中，經(jīng)過P B S輸出的s光和p光的光軸不可能是完全平行的。所謂平行度，指兩束光的傳播夾角9。平行誤差主要從兩個(gè)方面影響合成效率一是s光和p光的波前不再平行，使得合成區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)的相位差不同，同樣形成非均勻偏振的橫截面，降低合成效率；二是在合成光束的傳播平面上兩光斑不重合，因此產(chǎn)生了重合度誤差?？紤]到實(shí)際中通常是在近場的兩點(diǎn)觀察光斑的疊加效果并測量合成強(qiáng)度，因此上述第二個(gè)方面的影響可以忽略。由此可見，兩束光的強(qiáng)度差值越大，各種因素對合成效率的影響越小。然而，實(shí)際情況中通常將單元光束放大至合理的強(qiáng)度之后再進(jìn)行合成，如果其中一束的強(qiáng)度相對很小，盡管合成效率高了，但其合成強(qiáng)度未必最大。因此改善方法是提高實(shí)驗(yàn)環(huán)境穩(wěn)定性，穩(wěn)定相位差；盡可能采用大尺寸的光束進(jìn)行合成；提高光束傳播方向的控制精度。偏振是光的三大特性干涉、衍射和偏振之一。偏振光源在與目標(biāo)表面作用以后出來的散射光會(huì)帶有自身特性所決定的偏振信息。散射介質(zhì)的特性可以通過改變?nèi)肷涔獾钠駪B(tài)而后分析出射光的偏振特性得到。偏振鏡的運(yùn)用在本實(shí)用新型的激光器光路中實(shí)現(xiàn)雙平行腔的耦合起著關(guān)鍵的作用，由布儒斯特定律我們已知，當(dāng)光以布儒斯特角入射偏振鏡時(shí)，反射光中沒有P光，只有垂直入射面振動(dòng)的S光,發(fā)生全偏振現(xiàn)象,反射光是偏振光；此時(shí)的折射光波中含有全部的P光和部分S光,是一個(gè)P光占優(yōu)勢的部分偏振光。角錐棱鏡又稱回歸反射器，圖3示出了其結(jié)構(gòu)示意圖。其是利用臨界角原理制造的內(nèi)部全反射鏡，以任何入射角進(jìn)入有效孔徑的光線，會(huì)以與它平行的方向被反射回去。即對射入有效孔徑的入射光將會(huì)被原路反射回去。在定向很困難或不可能控制的應(yīng)用中，角錐棱鏡是理想的選擇。角錐由3個(gè)互相垂直的面和一個(gè)斜面組成。不論角錐的方向如何，它能使進(jìn)入棱鏡的任何光線或光束的成像又回到原位。而反射鏡只有以普通內(nèi)射角入射時(shí)才能達(dá)到此效果。角錐內(nèi)共發(fā)生3次反射。由角錐組成的諧振光路可以減少調(diào)光的復(fù)雜性。本實(shí)用新型公開了一種激光器，其包括脈沖電源和諧振腔，諧振腔包括第一聚光腔、第二聚光腔、第一工作物質(zhì)、第二工作物質(zhì)、角錐棱鏡、半反射鏡、第一全反射鏡、第二全反射鏡、第一偏振片和第二偏振片。其中，第一聚光腔和第二聚光腔平行設(shè)置；第一工作物質(zhì)置于第一聚光腔內(nèi)且位于第一聚光腔的軸向中心線上，第二工作物質(zhì)置于第二聚光腔內(nèi)且位于第二聚光腔的軸向中心線上；角錐棱鏡、第一全反射鏡、第二全反射鏡、第一偏振片、第二偏振片以及半反射鏡的中心與第一聚光腔以及第二聚光腔的腔體中心位于同一平面上；角錐棱鏡、第一偏振片、第一工作物質(zhì)、第二偏振片和半反射鏡位于同一條直線上，第一偏振片和第二偏振片分別位于第一工作物質(zhì)的兩側(cè)，且與第一工作物質(zhì)的夾角為45度；第一全反射鏡、第二工作物質(zhì)和第二全反射鏡位于同一條直線上，第一全反射鏡和第二全反射鏡分別位于第二工作物質(zhì)的兩側(cè)，且于第二工作物質(zhì)的夾角為45度。

圖I為本實(shí)用新型的激光器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本實(shí)用新型的激光器的諧振腔中的光路圖。
圖3為本實(shí)用新型中使用的角錐棱鏡的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
為了使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，
以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本實(shí)用新型的激光器及焊接切割系統(tǒng)進(jìn)一步詳細(xì)說明。如圖I所示，本實(shí)用新型的激光器I包括脈沖電源2和諧振腔3，諧振腔3包括第一聚光腔41、第二聚光腔42、第一工作物質(zhì)51、第二工作物質(zhì)52、角錐棱鏡6、半反射鏡7、第一全反射鏡81、第二全反射鏡82、第一偏振片91和第二偏振片92。其中，第一聚光腔41和第二聚光腔42平行設(shè)置。第一工作物質(zhì)51置于第一聚光腔41內(nèi)且位于第一聚光腔41的軸向中心線上，第二工作物質(zhì)52置于第二聚光腔42內(nèi)且位于第二聚光腔42的軸向中心線上。角錐棱鏡6、第一全反射鏡81、第二全反射鏡82、第一偏振片91、第二偏振片92以及半反射鏡7的中心與第一聚光腔41以及第二聚光腔42的腔體中心位于同一平面上。角錐棱鏡6、第一偏振片91、第一工作物質(zhì)51、第二偏振片92和半反射鏡7位于同一條直線上，第一偏振片91和第二偏振片92位于第一工作物質(zhì)51的兩側(cè),且與第一工作物質(zhì)51的夾角為45度。 第一全反射鏡81、第二工作物質(zhì)52和第二全反射鏡82位于同一條直線上，第一全反射鏡81和第二全反射鏡82位于第二工作物質(zhì)52的兩側(cè)，且與第二工作物質(zhì)52的夾角為45度。其中，脈沖電源優(yōu)選包括兩層充電電源和兩層放電電源。工作物質(zhì)優(yōu)選為YAG晶體。激光器的冷卻系統(tǒng)優(yōu)選為單獨(dú)5匹冷卻系統(tǒng)。圖2示出了該激光器的諧振腔中的光路圖。當(dāng)激光氙燈按照一定的頻率、脈寬發(fā)光從而激發(fā)第一工作物質(zhì)以及第二工作物質(zhì)產(chǎn)生激光。第一工作物質(zhì)和第二工作物質(zhì)產(chǎn)生的激光經(jīng)偏振片分出P光和S光，于諧振腔內(nèi)并通過角錐棱鏡及半反射鏡震蕩耦合，最終得到具有較高質(zhì)量和能量的激光輸出。下面介紹各個(gè)部件的優(yōu)選技術(shù)參數(shù)，但應(yīng)該理解，其僅用于解釋，并不用于限定本實(shí)用新型的激光器。脈沖電源可以采用傳統(tǒng)地四路四燈雙腔開關(guān)電源，三相電壓進(jìn)入經(jīng)過三相整流后直接給充放電電容供電，開關(guān)部分使用絕緣柵雙極型晶體管IGBT，可正常工作于幾十kHz頻率范圍內(nèi)，檢測部分使用點(diǎn)流傳感器，對電容負(fù)極電流檢測，其檢測結(jié)果直接反饋到雙路反饋板，主控板在對反饋信號(hào)和基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行比較之后，將比較結(jié)果輸出到IGBT驅(qū)動(dòng)板，實(shí)現(xiàn)對IGBT的開關(guān)控制。優(yōu)選采用的脈沖電源的技術(shù)參數(shù)電源型號(hào)ZGM_4C ;規(guī)格四電源四路；電源輸入電壓380v±5% ；電源輸出功率32KW ;控制電流100A到400A可調(diào)；脈沖寬度0. 2ms-20ms ;工作頻率1HZ-500HZ ;環(huán)境溫度低于30°C干燥條件下使用；環(huán)境潔度空氣粉塵< 0. 01g/m2 ;預(yù)燃電壓空載1200v ;預(yù)燃電流100MA-120MA。聚光腔采用140鍍金聚光腔，腔體反光面采用鍍金結(jié)構(gòu)，增加鍍金面對光的反射，使工作物質(zhì)在低閥值條件下即可實(shí)現(xiàn)粒子束反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)激光的輸出，本聚光腔采用三路濾紫玻璃水管來冷卻，濾紫管對光的吸收小，使光的損耗達(dá)到最少。優(yōu)選采用的聚光腔技術(shù)參數(shù)反射腔形緊耦合雙橢圓鍍金；反射腔長140_ ;器件總長246mm(不包括壓塞)；器件總高76mm(從底板底部計(jì)算)；棒中心高47mm(從底 板底部計(jì)算)；棒偏中心距0mm ;燈安裝孔O IOmm ;棒安裝孔O 12mm ;底板寬96mm(全金屬);安裝孔位中心對稱4-04. 5mm(176mmX88mm);泵浦源雙燈，2X6kW冷卻水流量不小于40L/min (底部進(jìn)出水)；重量6. 3kg(包括不銹鋼水嘴)。工作物質(zhì)采用激光棒，優(yōu)選采用ND :YAG激光棒。其上能級(jí)壽命230 y s ;波長1064nm ;材料為Nd3+ Y3A15012 (摻釹釔鋁石榴石)。全反射鏡優(yōu)選采用雙波長介質(zhì)膜高反射鏡。本實(shí)用新型的激光器以角錐棱鏡替代先前的全反R2M鏡片，用于平行平面光學(xué)諧振腔的尾鏡，利用其特有的自準(zhǔn)直不失調(diào)功能、偏振耦合輸出特性、角向選模和光學(xué)補(bǔ)償作用等一系列優(yōu)點(diǎn)，確保在雙平行光路中光的穩(wěn)定以及后續(xù)試驗(yàn)中P，S光的偏振耦合。將角錐作為諧振腔的尾鏡可獲得如下光學(xué)特性(I)自準(zhǔn)直，不失調(diào)諧振腔功能。從角錐底面入射的光線，經(jīng)三個(gè)反射面反射，其出射光線反向平行于入射光線(2)光學(xué)補(bǔ)償作用。出射光線始終是反向平行于入射光線，且以棱鏡頂點(diǎn)呈中心對稱分布，其物像關(guān)系為鏡像；(3)等光程全波段反射特性。對于任何波長、任何點(diǎn)、任何方向入射的光線。只要光線在三個(gè)反射面上依次反射，其在棱鏡內(nèi)部所走的光程為一定值。等于從頂點(diǎn)到入射點(diǎn)和出射點(diǎn)連線中點(diǎn)距離的兩倍；(4)偏振耦合輸出特性。線偏振光經(jīng)角錐棱鏡反射會(huì)退偏為橢圓光，即反射光可分解為相互垂直的兩個(gè)偏振態(tài)TEMtl3模。本實(shí)用新型的激光器輸出功率高，光束質(zhì)量的穩(wěn)定性好。本實(shí)用新型還公開了一種焊接切割系統(tǒng)，其包括上述激光器。上面通過具體實(shí)施方式
描述了本實(shí)用新型，但是應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。
權(quán)利要求1.一種激光器，包括脈沖電源和諧振腔，其特征在于，諧振腔包括第一聚光腔、第二聚光腔、第一工作物質(zhì)、第二工作物質(zhì)、角錐棱鏡、半反射鏡、第一全反射鏡、第二全反射鏡、第一偏振片和第二偏振片，其中， 第一聚光腔和第二聚光腔平行設(shè)置； 第一工作物質(zhì)置于第一聚光腔內(nèi)且位于第一聚光腔的軸向中心線上，第二工作物質(zhì)置于第二聚光腔內(nèi)且位于第二聚光腔的軸向中心線上； 角錐棱鏡、第一全反射鏡、第二全反射鏡、第一偏振片、第二偏振片以及半反射鏡的中心與第一聚光腔以及第二聚光腔的腔體中心位于同一平面上； 角錐棱鏡、第一偏振片、第一工作物質(zhì)、第二偏振片和半反射鏡位于同一條直線上，第 一偏振片和第二偏振片分別位于第一工作物質(zhì)的兩側(cè)，且與第一工作物質(zhì)的夾角為45度；第一全反射鏡、第二工作物質(zhì)和第二全反射鏡位于同一條直線上，第一全反射鏡和第二全反射鏡分別位于第二工作物質(zhì)的兩側(cè)，且于第二工作物質(zhì)的夾角為45度。
2.如權(quán)利要求I所述的激光器，其特征在于，脈沖電源為四路四燈雙腔開關(guān)電源。
3.如權(quán)利要求I所述的激光器，其特征在于，第一聚光腔和第二聚光腔均為140鍍金聚光腔。
4.如權(quán)利要求I所述的激光器，其特征在于，第一工作物質(zhì)和第二工作物質(zhì)均為YAG晶體。
5.如權(quán)利要求I所述的激光器，其特征在于，全反射鏡為雙波長介質(zhì)膜高反射鏡。
6.一種焊接切割系統(tǒng)，其特征在于，包括如權(quán)利要求I所述的激光器。
專利摘要本實(shí)用新型公開了平行雙光路偏振相干合成大功率激光器以及焊接切割系統(tǒng)，其包括脈沖電源和諧振腔，諧振腔包括第一聚光腔、第二聚光腔、第一工作物質(zhì)、第二工作物質(zhì)、角錐棱鏡、半反射鏡、第一全反射鏡、第二全反射鏡、第一偏振片和第二偏振片。該激光腔將基于角錐棱鏡作為全反鏡的兩路子激光器平行放置，由偏振片產(chǎn)生偏振光束并最后達(dá)到兩路P/S光相干合成提高輸出功率和光束質(zhì)量。
文檔編號(hào)H01S3/139GK202534935SQ201120447700
公開日2012年11月14日 申請日期2011年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月14日
發(fā)明者李輝琪 申請人:武漢市楚源光電有限公司