專利名稱：一種高平均功率固體激光系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及輸出平均功率為幾百瓦至幾千瓦的固體激光器。本發(fā)明在激光加工中，特別是在切割、焊接和打孔等金屬加工中有廣闊的應(yīng)用前景。
在激光加工中，目前千瓦級平均功率激光器只有CO2激光器。由于它輸出波長太長，對絕大部分金屬加工對象，表面反射率極高，不易吸收CO2激光。同時CO2激光器還有供電電壓高、體積較大等缺點。所以，人們考慮用固體激光器產(chǎn)生高平均功率輸出，它具有波長短、體積小，供電電壓低、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。
但是，固體激光器平均功率的提高受到一些限制。單棒或單片的激光器，其輸出平均功率受材料的熱應(yīng)力破壞極限(熱炸)的限制。為了獲得高平均功率輸出，只能增加材料的尺寸。而對YAG激光器，由于晶體生長工藝限制，目前只能獲得長約150毫米、寬約幾十毫米的晶體片，而且價格昂貴，光學(xué)質(zhì)量也欠佳。對釹玻璃材料，容易獲得高光學(xué)質(zhì)量大尺寸的激光材料，目前最大的釹玻璃片面積可達1平方米，面形加工精度可達0.1波長，而且價格較低。但由于玻璃導(dǎo)熱性能差，泵浦產(chǎn)生的熱不易被冷卻劑帶走，因而其熱負載能力較低。同時由于釹玻璃受激輻射截面小，只有在高泵浦功率下才有較高的激光功率，因此只能在高光泵低重復(fù)率下運轉(zhuǎn)。
高峰值功率玻璃激光系統(tǒng)所用的圓盤式片狀放大器，其口徑可做得很大，原則上可承受較大的熱負載，但在重復(fù)率運轉(zhuǎn)時，如采用水冷，其通光面一定要浸沒于水中，影響光傳播。如用氣冷，則需龐大的噴流系統(tǒng)。這種放大器的另一問題是增益長度遠小于截面尺寸、存在著難于克服的自發(fā)輻射損耗，影響輸出功率。
七十年代發(fā)展起來的板條激光器，由于采用薄板狀的激光介質(zhì)，采用面泵浦面冷卻方式，光束在板條內(nèi)全反射之字形傳播，從而提高了熱負載能力和光束質(zhì)量。但它的輸出平均功率仍受燈和材料熱負載能力的限制。
1982年美國專利U.S.P4，555，786提出了運動板條玻璃激光器，由雙閃光燈、釹玻璃板條、光學(xué)諧振腔、聚光腔、冷卻套和冷卻液等組成，其特點是激光介質(zhì)運動，使閃光燈在某一瞬間泵浦玻璃板條的局部區(qū)域產(chǎn)生激光，另一瞬間則泵浦板條的另一區(qū)域。局部泵浦可達到較高的功率密度而保持高的激光效率，而冷卻和應(yīng)力分布在整個大板條上，因而可實現(xiàn)較高平均功率的激光輸出。但該激光器仍存在以下缺點1、器件輸出功率受閃光燈板條負載限制，難于提高，目前只達到百瓦水平;
2、激光介質(zhì)運動帶來了冷卻和機械結(jié)構(gòu)的困難。
3、對大尺寸激光板條作快速運動，驅(qū)動系統(tǒng)也存在問題。
本發(fā)明的目的是為了克服上述困難，提供一種具有幾百瓦至幾千瓦的固體激光系統(tǒng)。
本發(fā)明的激光系統(tǒng)由N(N＞3)臺激光器、電子控制系統(tǒng)和光耦合系統(tǒng)組成。N臺激光器是由2N支閃光燈，N只聚光腔、連續(xù)大尺寸板條或N塊分立小尺寸板條或圓棒激光介質(zhì)、諧振腔片、冷卻套等按某種排列固定安裝的。2N支閃光燈在電子控制系統(tǒng)控制下按N組依次放電，泵浦各自對應(yīng)的激光介質(zhì)而產(chǎn)生激光，電子控制系統(tǒng)控制光耦合系統(tǒng)運動，將不同時刻不同激光器發(fā)出的光耦合至同一小區(qū)域輸出。
本發(fā)明的實施方案，根據(jù)光耦合系統(tǒng)的運動狀態(tài)，可以分為平動、轉(zhuǎn)動和轉(zhuǎn)鏡三類。
本發(fā)明的優(yōu)點在于用小巧輕便的光耦合器運動代替了笨重的激光介質(zhì)運動，避免了機械結(jié)構(gòu)和驅(qū)動器的困難;同時由于采用多燈照明，克服了閃光燈負載對激光輸出功率的限制。本發(fā)明的固體激光系統(tǒng)，其輸出平均功率原則上只受光耦合系統(tǒng)的激光損傷極限和高反射介質(zhì)膜的損傷極限的限制。根據(jù)單臺激光器的輸出水平和實際要求的功率水平，適當(dāng)選擇N值和相應(yīng)的光耦合器，實現(xiàn)幾千瓦甚至萬瓦激光輸出並沒有原則上的困難。
下面結(jié)合附圖對發(fā)明作進一步說明。


圖1-本發(fā)明的方案之一，大片釹玻璃板條激光系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2-圖1激光系統(tǒng)的光路圖。
圖3-本發(fā)明的方案之二，N臺分立激光器按向心均排在圓周上的激光系統(tǒng)示意圖。
圖4-圖3中單臺激光器光路圖。
圖5-本發(fā)明的方案之三，N臺分立激光器均布于圓筒上，光束沿同方向傳播的激光系統(tǒng)示意圖。
圖6-圖5系統(tǒng)中單臺激光器光路圖。
圖7-本發(fā)明方案之四，光束掃描激光系統(tǒng)示意圖。
圖8-圖7中飛輪F的正視圖。
圖9-飛輪F的幾何關(guān)系。
圖10-本發(fā)明方案之五，由激光振蕩器和掃描飛輪組成的激光系統(tǒng)。
圖11-采用方案之二的激光系統(tǒng)實施例示圖。
根據(jù)光耦合系統(tǒng)的運動狀態(tài)，本發(fā)明實施方案可分為三類。
一、平動結(jié)構(gòu)圖1、2為大片釹玻璃板條激光器。1為釹玻璃板條，2為冷卻劑，3為閃光燈，4為平板玻璃冷卻套，5為聚光腔，6為諧振腔全反射鏡，8為輸出腔片，7為平動的棱鏡或平面反射鏡組作為光耦合系統(tǒng)。2N支閃光燈分別沿玻璃板條上下兩大面一一對應(yīng)均勻排列，N只聚光腔上下排列，並使2N支閃光燈置于聚光腔焦線上，通過電子控制系統(tǒng)控制閃光燈點燃時間和棱鏡的位置，使棱鏡通光面法線與產(chǎn)生激光局部區(qū)域中心線重合時即產(chǎn)生激光，激光在板條內(nèi)沿之字形傳播，棱鏡在垂直于光束方向往復(fù)平動，使各泵浦區(qū)域產(chǎn)生的激光耦合至同一方向輸出。這一結(jié)構(gòu)與板條運動結(jié)構(gòu)(U.S.P4，555，786)相比，閃光燈的負載減小到1/N;棱鏡或平面反射鏡的平動較玻璃板條平動要容易得多，機械結(jié)構(gòu)要簡單得多，驅(qū)動馬達功率要小得多。因此，本發(fā)明方案較運動板條優(yōu)越。
二、轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)圖3和圖4是N臺分立激光器向心均布于圓周上的激光系統(tǒng)。圖中1為各玻璃或YAG板條，3為閃光燈(只畫出一組，其它的未畫)，6為光學(xué)諧振腔全反射鏡，8為輸出腔片，9為繞棱鏡中心轉(zhuǎn)動的棱鏡或平面反射鏡，其轉(zhuǎn)軸通過N臺激光器組成的圓的中心並與光束垂直。當(dāng)棱鏡或平面反射鏡在電子控制系統(tǒng)控制下轉(zhuǎn)至某一臺激光器輸出方向時，該激光器在電子控制系統(tǒng)控制下立即產(chǎn)生激光，所以光耦合系統(tǒng)將不同激光器輸出的光束耦合到一垂直于紙面的小區(qū)域內(nèi)輸出。
圖5和圖6是轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)的另一種安裝方式，N臺分立的激光器，按激光束平行于一圓筒的軸線並朝同一方向傳播的方式均勻排布在該圓筒上，圖中10為長條棱鏡或平面反射鏡組構(gòu)成的光耦合系統(tǒng)，它的一端的中心通過該圓筒的軸線，另一端的中心在該長條棱鏡或平面反射鏡組繞圓筒的軸線旋轉(zhuǎn)時，正好掃過每臺激光器。
轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)中N臺分立激光器可以是板條激光器，也可以是棒狀激光器，可以是釹玻璃激光器，也可以是重復(fù)率YAG激光器。這一結(jié)構(gòu)是非?，F(xiàn)實的激光系統(tǒng)。
三、光束掃描結(jié)構(gòu)圖7是多臺放大器的光掃描及復(fù)原系統(tǒng)。圖中F為帶掃描鏡的飛輪，它由若干組掃鏡組成。根據(jù)預(yù)定的掃描行數(shù)確定每組掃鏡的鏡片數(shù)目，若干組鏡片組成一盤(如圖8所示)。F中A面為掃描鏡面，B面為復(fù)原鏡面，均鍍高反射膜，並且A平行于B。M1、M2為復(fù)原凹面高反射率鏡，其焦距f1＝f2＝f，飛輪F位于M1、M2兩倍焦距處，M1、M2間距為4f。由1、6、8組成的激光振蕩器輸出光束以會聚方式入射于A面，經(jīng)A反射會聚用于M1的焦點f1處，當(dāng)F轉(zhuǎn)動時，入射光會聚點在M1焦面上掃動，如圖7中f1′、f1、f1″，因而在鏡M1和M2之間，每個子午光束為平行光，而且隨著F的轉(zhuǎn)動而掃動。若飛輪鏡片組設(shè)計成三行，并掃成正方形或矩形，則M1和M2間光束掃描范圍近似一棱錐。掃描光束經(jīng)M2反射后到F的鏡面B反射輸出，這時A面光斑在B面重現(xiàn)，並且在同一方向輸出，使光束復(fù)原，但輸出光束為會聚點在M2焦點上的球面波。若在M1和M2之間掃描光路上放入放大器11，可使它們得到間隙放大。按上面講的設(shè)計成三行，則放大器可排列三層，每層排三臺放大器，則整個系統(tǒng)可用九組十八臺放大器。各放大器必須共心C排列。掃描鏡與各放大器之間匹配與轉(zhuǎn)動方式相同。
下面簡述一些參數(shù)的選擇原則。
圖9是飛輪F的一個鏡片13即F′，φ為掃描角，α為反射鏡法線和飛輪轉(zhuǎn)軸之間的夾角，θ為反射鏡對飛輪中心的張角，γ為飛輪半徑，由三角關(guān)系可得sinα＝sin(φ/2)/sin(θ/2)掃角φ由所需的掃描范圍及反射鏡M1、M2的焦距決定。α由多行掃描時所要求的行距決定。當(dāng)選取三行時，則取α+△α，α，α-△α三個值，掃鏡應(yīng)取此不同α值的三片為一組。
飛輪轉(zhuǎn)速與放大器的工作方式、間隙比，重復(fù)頻率等相關(guān)。
上述結(jié)構(gòu)中的放大器也可用振蕩器代替，圖10是個例子。當(dāng)飛輪轉(zhuǎn)動位置與每臺振蕩器的閃光燈點燃同步時，所有振蕩器的輸出經(jīng)M和F耦合到同一方向輸出。
應(yīng)該指出，上面系統(tǒng)中使用了凹面鏡，系統(tǒng)存在象散，但並不難校正。
下面以圖3和圖4所示的激光系統(tǒng)為例說明電子學(xué)控制系統(tǒng)和光耦合系統(tǒng)之間的同步問題，而其他系統(tǒng)也基本相同。
圖11是采用圖3和圖4方案實施例的示意圖。圖中只畫出了均分于圓周上的8臺分立激光器中的一臺。圖中1為玻璃或YAG板條，也可以是圓棒。玻璃板條尺寸為0.5×4×25厘米，6和8為光學(xué)諧振腔腔片，3為重復(fù)率10HZ、功率負載為10千瓦的氙燈，燈管外徑為φ14毫米，燈管放電通道長度與玻璃板條長度之比為1∶1.3為宜。9為作為光耦合的棱鏡，通光面上鍍增透膜，棱鏡中心置于光耦合系統(tǒng)轉(zhuǎn)軸上。14為帶光電轉(zhuǎn)盤的棱鏡架盤上有等分圓的8個通光孔，15為光源，16為光電二極管，17為馬達，18為單穩(wěn)態(tài)整形器，19為電平變換器，20為計算機，21為激光電源，22為馬達驅(qū)動源。
激光系統(tǒng)運轉(zhuǎn)過程如下當(dāng)馬達帶動轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)時，旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生8個光電脈沖，調(diào)節(jié)單穩(wěn)態(tài)延時，使得該脈沖經(jīng)計算機處理后控制激光電源發(fā)射激光的時刻，棱鏡通光面法線正好與激光器光軸相重合，從而實現(xiàn)了光耦合器與激光器之間的同步。光電脈沖也可以直接控制激光電源而不通過計算機。
在光電盤上置一磁頭和8塊磁鋼產(chǎn)生8個磁電信號，同樣可實現(xiàn)上述控制。采用步進電機控制更為優(yōu)越。如步進電機步距為4.5°，則電機驅(qū)動頻率為ω/4.5HZ，其中ω為電機角速度，單位為度/秒，並按360°/(8×4.5)°分頻取脈沖，經(jīng)適當(dāng)延遲控制激光發(fā)射時間，以保證光耦合器與激光發(fā)射之間的匹配。采用這一控制方式，最好用計算機作為控制中心，計算機可以根據(jù)系統(tǒng)重復(fù)頻率，自動確定步進電機驅(qū)動電源頻率及激光電源發(fā)射激光的時刻、準(zhǔn)確實現(xiàn)同步。
采用單臺釹玻璃板條激光器，實現(xiàn)平均功率為150瓦輸出(10HZ，每脈沖能重15焦耳)是沒有任何技術(shù)障礙的。用本實施例，8臺分立激光器經(jīng)光耦合可獲得80HZ頻率，單脈沖能量15焦耳，平均功率為1200瓦的激光輸出。
權(quán)利要求
1.一種高平均功率固體激光系統(tǒng)，具有固體激光介質(zhì)1、垂直于激光束方向的諧振腔片6、8，平行于激光束方向的聚光腔5，平行于激光束方向的閃光燈3處于聚光腔的焦線上，冷卻套4及冷卻劑2，其特征在于由N(N＞3)組閃光燈3，N只聚光腔5和激光介質(zhì)1形成按某種排列固定安裝的N臺激光器，還有同步運動的光耦合系統(tǒng)和電子控制系統(tǒng)，該電子控制系統(tǒng)控制所說的N臺激光器的N組閃光燈依次點燃泵浦各自對應(yīng)的激光介質(zhì)產(chǎn)生激光，同時控制所說的光耦合系統(tǒng)同步運動，將不同時刻不同激光器發(fā)出的激光耦合至恍∏蚴涑觥
2.按照權(quán)利要求1的固體激光系統(tǒng)，其特征在于所說的固體激光介質(zhì)為一大片釹玻璃板條，所說的N組閃光燈共2N支閃光燈分別在釹玻璃板條的上下兩個大面內(nèi)一一對應(yīng)地均勻地沿該板條的橫向分開且平行于激光束方向固定排列，N只聚光腔在釹玻璃板條上下排列，使所有2N支閃光燈分別處于聚光腔的2N條焦線上，所說的光耦合系統(tǒng)為一沿垂直于激光束方向作往復(fù)平動的棱鏡7。
3.按照權(quán)利要求2的固體激光系統(tǒng)，其特征在于所說的光耦合系統(tǒng)為一沿垂直于激光束方向往復(fù)平動的平面反射鏡組。
4.按照權(quán)利要求1的固體激光系統(tǒng)，其特征在于所說的激光介質(zhì)為N塊釹玻璃或YAG板條，或N根釹玻璃或YAG棒，和N組閃光燈構(gòu)成的N臺分立的激光器按其激光束向心傳播的方式均勻排布在圓周上，所說的光耦合系統(tǒng)為處于圓心處的轉(zhuǎn)鏡9，其轉(zhuǎn)軸通過該圓心並與N臺激光器構(gòu)成的平面垂直。
5.按照權(quán)利要求4的固體激光系統(tǒng)，其特征在于所說的光耦合系統(tǒng)為平面反射鏡組。
6.按照權(quán)利要求1的固體激光系統(tǒng)，其特征在于所說的N臺激光器為分立的激光器，按激光束平行于一圓筒的軸線並朝同一方向傳播的方式均勻排布在該圓筒上，所說的光耦合系統(tǒng)為一長條棱鏡10，它的一端的中心通過該圓筒的軸線，另一端的中心在長條棱鏡繞圓筒的軸線旋轉(zhuǎn)時，正好掃過每臺激光器。
7.按照權(quán)利要求6的固體激光系統(tǒng)，其特征在于所說的光耦合系統(tǒng)為一平面反射鏡組。
8.按照權(quán)利要求1的固體激光系統(tǒng)，其特征在于所說的N臺激光器為分立的激光器，有一臺為振蕩器，其余N-1臺為激光放大器並按共心排列，所說的光耦合系統(tǒng)由帶有若干組掃描鏡面A和復(fù)原鏡面B的飛輪F和一對復(fù)原凹面高反射率鏡M1、M2組成，飛輪F位于M1和M2的兩倍焦距，即球心處，M1M2的距離為四倍焦距。
9.按照權(quán)利要求1的固體激光系統(tǒng)，其特征在于所說的N臺激光器為共心排列的振蕩器，所說的光耦合系統(tǒng)由帶若干組復(fù)原鏡面B的飛輪F和一個鍍有高反膜的復(fù)原凹面鏡M組成。
10.按照權(quán)利要求1至9的固體激光器，其特征在于所說的電子控制系統(tǒng)由光電轉(zhuǎn)盤棱鏡架14、光源15、光電二極管16、馬達17、單穩(wěn)態(tài)整形器18、電平變換器19、計算機20、激光電源21和馬達驅(qū)動源22組成。
全文摘要
一種高平均功率固體激光系統(tǒng)，其特點是它由N臺激光器，光耦合系統(tǒng)和電子控制系統(tǒng)組成，所說的N臺激光器按某種排列固定安裝。所說的電子控制系統(tǒng)控制N臺激光器的N組閃光燈依次點燃泵浦各自對應(yīng)的激光介質(zhì)產(chǎn)生激光，同時控制所說的光耦合系統(tǒng)同步運動，將不同時刻不同激光器發(fā)出的激光耦合至一小區(qū)域輸出，從而獲得幾百瓦或幾千瓦的高平均功率激光。
文檔編號H01S3/23GK1034831SQ8810071
公開日1989年8月16日 申請日期1988年2月4日 優(yōu)先權(quán)日1988年2月4日
發(fā)明者王之江, 張國軒, 黃國松 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所