CN111736356A - 一种基于光场调控的可变多光束mopa激光输出***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种基于光场调控的可变多光束MOPA激光输出***及方法，包括以下步骤：将发出的激光进行扩束；将扩束后的激光利用全息图进行调制，得到预设光场分布的多光束激光；将多光束激光进行能量放大，得到高功率的多光束激光；能够灵活调控光束并进行功率放大，能够满足多种激光应用，是一种具有高灵活性、高功率、高质量的激光器技术，能够很好满足柔性制造的需求。
Description
技术领域
本发明属于激光放大及激光应用技术领域，特别涉及一种基于光场调控的可变多光束MOPA激光输出***及方法。
背景技术
激光加工具有精度高、热影响区小、加工材料范围广等多个特点，广泛应用于工业加工领域。而激光器是激光加工中必不可少的关键部件，决定了激光加工的精度水平。而在激光加工领域中，往往需要加工各种形状与数量的大面积群孔，这些群孔对微孔的精度与质量如深径比、圆度以及锥度等要求极高，并且也需要较高的整体加工效率。并且，研究表明，不同光场分布如贝塞尔光、矢量光、平顶光以及超高斯光等对于激光加工会有不同的加工效果，可以进一步提升激光加工的精度和质量。因此，采用不同光场分布的多光束激光来进行激光加工能实现高精度、高质量、高效率的激光加工。
目前国内外所生产的激光器所发射的激光均为单点高斯分布光束，激光加工过程中往往存在加工效率低、能量利用率低和适应差等不足，因此在激光出射后往往需要加入各种复杂光学元件来进行光束整形与激光分束，且由于空间光调制器、数字微镜器件等光学整形元件的损伤阈值有限，安装在激光器外会限制光束整形后的能量，由此难以实现高功率、高效率、高精度的激光加工，因此研究基于光场调控的可变多光束MOPA激光输出***及方法具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于光场调控的可变多光束MOPA激光输出***及方法，解决了当前激光器技术中激光输出模式单一、调制复杂度高及能量利用不足的缺陷。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明提供的一种基于光场调控的可变多光束MOPA激光输出方法，包括以下步骤：
将发出的激光进行扩束；
将扩束后的激光利用全息图进行调制，得到预设光场分布的多光束激光；
将多光束激光进行能量放大，得到高功率的多光束激光。
优选地，通过光学调制模块对种子激光器发出的激光进行扩束、全息图调制，得到预设光场分布的多光束激光；之后将得到的多光束激光入射至激光放大模块，通过激光放大模块对多光束激光进行能量放大，得到高功率的多光束激光。
优选地，所述光学调制模块为包括λ/2波片、扩束镜、衍射光学元件和傅里叶透镜，其中，种子激光器输出的激光经过λ/2波片入射至扩束镜；所述扩束镜输出扩束后的光束入射至衍射光学元件；所述衍射光学元件输出的多光束激光经过傅里叶透镜入射至激光放大模块。
优选地，所述激光放大模块包括第一偏振分束镜、激光放大单元和泵浦源，其中，光学调制模块输出的多光束激光入射至第一偏振分束镜；所述第一偏振分束镜输出的多光束激光入射至连接激光放大单元；所述泵浦源输出的激光入射至激光放大单元。
优选地，激光放大单元包括增益介质、λ/4波片和第二反射镜，其中，所述第一偏振分束镜输出的多光束激光依次经过增益介质和λ/4波片入射至第二反射镜；所述第二反射镜输出的激光依次经过λ/4波片和增益介质反射至第一偏振分束镜；所述泵浦源输出的激光入射至增益介质。
优选地，激光放大单元包括光参量放大器、λ/4波片和第二偏振分束镜，其中，所述第一偏振分束镜输出的激光依次经过光参量放大器和λ/4波片入射至第二偏振分束镜；所述第二偏振分束镜输出的激光依次经过λ/4波片和光参量放大器反射至第一偏振分束镜；所述泵浦源输出的激光入射至第二偏振分束镜。
一种基于光场调控的可变多光束MOPA激光输出***，包括种子激光器、光学调制模块和激光放大模块，其中，种子激光器用于产生激光并入射至光束调制模块上；所述光束调制模块用于对接收到的激光进行调制产生预设光场分布的多光束激光；并将得到的多光束激光入射至激光放大模块；所述激光放大模块用于对接收到的多光束激光进行能量放大，得到高功率多光束激光输出。
优选地，所述光学调制模块为包括λ/2波片、扩束镜、衍射光学元件和傅里叶透镜，其中，种子激光器输出的激光经过λ/2波片入射至扩束镜；所述扩束镜输出扩束后的光束入射至衍射光学元件；所述衍射光学元件输出的多光束激光经过傅里叶透镜入射至激光放大模块。
优选地，所述激光放大模块包括第一偏振分束镜、激光放大单元和泵浦源，其中，光学调制模块输出的多光束激光入射至第一偏振分束镜；所述第一偏振分束镜输出的多光束激光入射至连接激光放大单元；所述泵浦源输出的激光入射至激光放大单元。
优选地，激光放大单元包括光参量放大器、λ/4波片和第二偏振分束镜，其中，所述第一偏振分束镜输出的激光依次经过光参量放大器和λ/4波片入射至第二偏振分束镜；所述第二偏振分束镜输出的激光依次经过λ/4波片和光参量放大器反射至第一偏振分束镜；所述泵浦源输出的激光入射至第二偏振分束镜。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的一种基于光场调控的可变多光束MOPA激光输出***及方法，通过衍射光学元件所加载全息图的变化，可自由调控激光光束的光场分布，实现可变多光束激光输出；采用激光放大模块对多光束进行放大，从而减少光束整形元件阈值和衍射损耗带来的影响，实现高功率、高质量多光束激光输出；除此之外，本发明通过空间光整形，可根据用户需求输出任意光场分布，可直接在***后方接入光学元件进行应用。本发明能够灵活调控光束并进行功率放大，能够满足多种激光应用，是一种具有高灵活性、高功率、高质量的激光器技术，能够很好满足柔性制造的需求。
附图说明
图1是本发明实施例的***概要图；
图2是本发明实施例的实施例1的***结构图
图3是本发明实施例的实施例2的***结构图
图4是本发明实施例的实施例3的***结构图
图5是本发明实施例的计算全息算法产生的5全息图；
其中，1、种子激光器，2、光学调制模块，3、激光放大模块，4、计算机，6、空间光调制器，8、激光整形分束器，9、增益介质，10、泵浦源，11、λ/2波片，12、扩束镜，13、第一反射镜，14、傅里叶透镜，15、第一偏振分束镜，16、λ/4波片，17、第二激光反射镜，18、光参量放大器，19、第二偏振分束镜。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明进一步详细说明。
为解决当前激光器技术中激光输出模式单一、调制复杂度高及能量利用不足等缺点，本发明提供了一种基于光场调控的可变多光束MOPA激光输出***及方法，通过计算全息算法计算预设光场分布的全息图，利用衍射光学元件如空间光调制器、数字微镜器件以及激光整形分束器等来加载全息图对光束进行调制，进而输出满足预设光场分布的多光束激光，并且通过激光放大模块对多光束激光进行放大，实现高精度、高质量、高效率的激光输出。
如图1所示，本发明提供的一种基于光场调控的可变多光束MOPA激光输出***，基本模块包括种子激光器1、光学调制模块2、激光放大模块3和计算机4，其中，种子激光器1用于产生激光并入射至光束调制模块2上；所述光束调制模块2用于对接收到的激光进行调制用于产生预设光场分布的多光束激光；并将得到的多光束激光入射至激光放大模块3；所述激光放大模块3用于对接收到的多光束激光进行能量放大，用以获得高功率多光束激光输出；计算机4分别与种子激光器1、光学调制模块2以及激光放大模块3连接，用于控制激光的产生、光场调控以及激光放大功率。
所述种子激光器1的脉宽可根据需求进行更换；可采用连续激光器、准连续激光器、纳秒激光器、皮秒激光器及飞秒激光器作为种子源，并且种子激光器的能量、频率可调。
所述光学调制模块2包括衍射光学元件，所述衍射光学元件为空间光调制器6、数字微镜器件或激光整形分束器8。
所述的激光放大模块3主要由激光增益介质和泵浦源组成，其中，激光增益介质主要为激光晶体(如Nd:YAG、Nd:YVO4、掺钛蓝宝石等固体晶体)、非线性晶体(LBO晶体或KDP晶体等)以及光纤增益介质(如Yb3+增益光纤、Nd3+增益光纤等)。
泵浦源10主要为半导体泵浦激光或闪光灯泵浦。
激光放大模块3的泵浦方式可以根据光束质量及能量需求采用端面泵浦或侧面泵浦，采用端面泵浦输出多光束高质量激光，采用侧面泵浦输出多光束高能量激光。
所述光学调制模块2为包括λ/2波片11、扩束镜12、衍射光学元件和傅里叶透镜14，其中，种子激光器1输出的激光经过λ/2波片11入射至扩束镜12；所述扩束镜12输出扩束后的光束入射至衍射光学元件；所述衍射光学元件输出的多光束激光经过傅里叶透镜14入射至激光放大模块3。
所述衍射光学元件为空间光调制器6、数字微镜器件或激光整形分束器8，其中，空间光调制器6和数字微镜器件上均加载有全息图；当所述衍射光学元件为空间光调制器6或数字微镜器件时，当所述衍射光学元件为空间光调制器8或数字微镜器件时，所述扩束镜14输出的光束经过第一反射镜13入射至空间光调制器8或数字微镜器件。
所述激光放大模块3包括第一偏振分束镜15、激光放大单元和泵浦源10，其中，光学调制模块2输出的多光束激光入射至第一偏振分束镜15；所述第一偏振分束镜15输出的多光束激光入射至连接激光放大单元；所述泵浦源10输出的激光入射至激光放大单元。
激光放大单元包括增益介质9、λ/4波片16和第二反射镜17，其中，所述第一偏振分束镜15输出的多光束激光依次经过增益介质9和λ/4波片16入射至第二反射镜17；所述第二反射镜17输出的激光依次经过λ/4波片16和增益介质9反射至第一偏振分束镜15；所述泵浦源10输出的激光入射至增益介质9。
激光放大单元包括光参量放大器18、λ/4波片16和第二偏振分束镜19，其中，所述第一偏振分束镜15输出的激光依次经过光参量放大器18和λ/4波片16入射至第二偏振分束镜19；所述第二偏振分束镜19输出的激光依次经过λ/4波片16和光参量放大器18反射至第一偏振分束镜15；所述泵浦源10输出的激光入射至第二偏振分束镜19。
实施例1
如图2所示，本发明提供的一种基于光场调控的可变多光束MOPA激光输出方法，包括以下步骤：
步骤1，利用计算机中的计算全息算法生成指定目标光场分布的全息图，如图5所示，并将全息图加载到空间光调制器6或数字微镜器件上；
步骤1所示的计算全息算法为迭代傅里叶变换算法，如GS算法、GSW算法、ORA算法以及MRAF算法。
步骤1中加载了全息图的空间光调制器6可以调控光束的振幅、相位、偏振态；加载了全息图的数字微镜器件可以调控光束的振幅、相位。
步骤2，将种子激光器1发射出的激光经过λ/2波片11后入射到扩束镜12中进行扩束，扩束后光束直径不大于空间光调制器6或数字微镜器件的工作面板的大小；然后将扩束后的光束以适当角度入射至空间光调制器6或数字微镜器件上，入射的激光光束经过全息图调制后能够产生预设的光场分布，通过改变加载在空间光调制器6或数字微镜器件上的全息图，可以实现其他任意的目标光场分布；
步骤3，将调制后的多光束入射至增益介质9中，第一偏振分束镜15与第二反射镜17充当谐振腔，泵浦源10用于产生粒子数反转或与种子激光器1出射激光完成相位匹配，λ/4波片16用于改变激光的偏振状态，多光束在偏振分束镜15与第二反射镜17中不断折返，由此产生高质量、高功率的多光束激光。
实施例2
如图3所示，本发明提供的一种基于光场调控的可变多光束MOPA激光输出方法，包括以下步骤：
步骤1，利用计算全息算法生成指定目标光场分布的全息图，如图5所示，利用激光直写法将全息图加工出对应的激光整形分束器8，不同的全息图可加工出不同目标光场分布的激光整形分束器8，本实施例的计算全息算法由计算机4生成；
步骤2，将种子激光器1发射出的激光入射至扩束镜12中进行扩束，扩束后光束直径不大于激光整形分束器8大小，然后将扩束后的光束以适当角度入射至激光整形分束器8，入射的激光光束经过激光整形分束器8调制后能够产生预设的光场分布；
步骤3，将调制后的多光束入射至增益介质9中，第一偏振分束镜15与第二反射镜17充当谐振腔，泵浦源10用于产生粒子数反转或与种子激光器1出射激光完成相位匹配，λ/4波片16用于改变激光的偏振状态，多光束在第一偏振分束镜15与第二反射镜17中不断折返，由此产生高质量、高功率的多光束激光。
实施例3
如图4所示，本发明提供的一种基于光场调控的可变多光束MOPA激光输出方法，包括以下步骤：
步骤1，利用计算全息算法生成指定目标光场分布的全息图，如图5所示，并将全息图加载到空间光调制器6或数字微镜器件上；本实施例的计算全息算法、空间光调制器6或数字微镜器件由计算机4控制；
步骤2，将种子激光器1发射出的激光入射至扩束镜12中进行扩束，扩束后光束直径不大于空间光调制器6或数字微镜器件的工作面板大小，然后将扩束后的光束以适当角度入射至空间光调制器6或数字微镜器件上，入射的激光光束经过全息图调制后能够产生预设的光场分布，通过改变加载在空间光调制器6或数字微镜器件上的全息图，可以实现其他的目标光场分布；
步骤3，将调制后的多光束入射至光学参量放大器18中，第一偏振分束镜15与第二偏振分束器19充当谐振腔，泵浦源10与种子激光在光学参量放大器18中产生相位匹配进行功率放大，λ/4波片16用于改变激光的偏振状态，多光束在第一偏振分束镜15与第二偏振分束器19中不断折返，由此产生高质量、高功率的多光束激光。
尽管本说明书中较多地使用了种子激光器1，光学调制模块2，激光放大模块3，计算机4，空间光调制器6，激光整形分束器8，增益介质9，泵浦源10，λ/2波片11，扩束镜12，第一反射镜13，傅里叶透镜14，第一偏振分束镜15，λ/4波片16，第二激光反射镜17，光参量放大器18，第二偏振分束镜19，但并不排除使用其他术语地可能性，使用这些术语仅仅是为了更方便地描述本发明地本质，把他们解释成任何一种附加地限制都是与本发明精神相违背的。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化均应为等效的置换方式，都包含于在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于光场调控的可变多光束MOPA激光输出方法，其特征在于，包括以下步骤：
将发出的激光进行扩束；
将扩束后的激光利用全息图进行调制，得到预设光场分布的多光束激光；
将多光束激光进行能量放大，得到高功率的多光束激光。
2.根据权利要求1所述的一种基于光场调控的可变多光束MOPA激光输出方法，其特征在于，通过光学调制模块(2)对种子激光器(1)发出的激光进行扩束、全息图调制，得到预设光场分布的多光束激光；之后将得到的多光束激光入射至激光放大模块(3)，通过激光放大模块(3)对多光束激光进行能量放大，得到高功率的多光束激光。
3.根据权利要求2所述的一种基于光场调控的可变多光束MOPA激光输出方法，其特征在于，所述光学调制模块(2)为包括λ/2波片(11)、扩束镜(12)、衍射光学元件和傅里叶透镜(14)，其中，种子激光器(1)输出的激光经过λ/2波片(11)入射至扩束镜(12)；所述扩束镜(12)输出扩束后的光束入射至衍射光学元件；所述衍射光学元件输出的多光束激光经过傅里叶透镜(14)入射至激光放大模块(3)。
4.根据权利要求2所述的一种基于光场调控的可变多光束MOPA激光输出方法，其特征在于，所述激光放大模块(3)包括第一偏振分束镜(15)、激光放大单元和泵浦源(10)，其中，光学调制模块(2)输出的多光束激光入射至第一偏振分束镜(15)；所述第一偏振分束镜(15)输出的多光束激光入射至连接激光放大单元；所述泵浦源(10)输出的激光入射至激光放大单元。
5.根据权利要求4所述的一种基于光场调控的可变多光束MOPA激光输出方法，其特征在于，激光放大单元包括增益介质(9)、λ/4波片(16)和第二反射镜(17)，其中，所述第一偏振分束镜(15)输出的多光束激光依次经过增益介质(9)和λ/4波片(16)入射至第二反射镜(17)；所述第二反射镜(17)输出的激光依次经过λ/4波片(16)和增益介质(9)反射至第一偏振分束镜(15)；所述泵浦源(10)输出的激光入射至增益介质(9)。
6.根据权利要求4所述的一种基于光场调控的可变多光束MOPA激光输出方法，其特征在于，激光放大单元包括光参量放大器(18)、λ/4波片(16)和第二偏振分束镜(19)，其中，所述第一偏振分束镜(15)输出的激光依次经过光参量放大器(18)和λ/4波片(16)入射至第二偏振分束镜(19)；所述第二偏振分束镜(19)输出的激光依次经过λ/4波片(16)和光参量放大器(18)反射至第一偏振分束镜(15)；所述泵浦源(10)输出的激光入射至第二偏振分束镜(19)。
7.一种基于光场调控的可变多光束MOPA激光输出***，其特征在于，包括种子激光器(1)、光学调制模块(2)和激光放大模块(3)，其中，种子激光器(1)用于产生激光并入射至光束调制模块(2)上；所述光束调制模块(2)用于对接收到的激光进行调制产生预设光场分布的多光束激光；并将得到的多光束激光入射至激光放大模块(3)；所述激光放大模块(3)用于对接收到的多光束激光进行能量放大，得到高功率多光束激光输出。
8.根据权利要求7所述的一种基于光场调控的可变多光束MOPA激光输出***，其特征在于，所述光学调制模块(2)为包括λ/2波片(11)、扩束镜(12)、衍射光学元件和傅里叶透镜(14)，其中，种子激光器(1)输出的激光经过λ/2波片(11)入射至扩束镜(12)；所述扩束镜(12)输出扩束后的光束入射至衍射光学元件；所述衍射光学元件输出的多光束激光经过傅里叶透镜(14)入射至激光放大模块(3)。
9.根据权利要求7所述的一种基于光场调控的可变多光束MOPA激光输出***，其特征在于，所述激光放大模块(3)包括第一偏振分束镜(15)、激光放大单元和泵浦源(10)，其中，光学调制模块(2)输出的多光束激光入射至第一偏振分束镜(15)；所述第一偏振分束镜(15)输出的多光束激光入射至连接激光放大单元；所述泵浦源(10)输出的激光入射至激光放大单元。
10.根据权利要求9所述的一种基于光场调控的可变多光束MOPA激光输出***，其特征在于，激光放大单元包括光参量放大器(18)、λ/4波片(16)和第二偏振分束镜(19)，其中，所述第一偏振分束镜(15)输出的激光依次经过光参量放大器(18)和λ/4波片(16)入射至第二偏振分束镜(19)；所述第二偏振分束镜(19)输出的激光依次经过λ/4波片(16)和光参量放大器(18)反射至第一偏振分束镜(15)；所述泵浦源(10)输出的激光入射至第二偏振分束镜(19)。
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