CN202586072U - 用于激光加工的高功率全固态轴对称偏振激光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于激光加工的高功率全固态轴对称偏振激光器，包括全固态激光产生装置，所述全固态激光产生装置包括用于产生激光光束的主振荡器以及用于对主振荡器的输出功率进行放大的功率放大器，所述主振荡器包括以同光轴排列的全反射镜和全固态单晶泵浦模块，所述全反射镜与全固态单晶泵浦模块之间产生偏振光聚焦面。该激光器还包括起偏元件，所述起偏元件设置于所述全反射镜与全固态单晶泵浦模块之间的光轴与所述偏振光聚焦面的相交处。本实用新型的激光器可以输出具有轴对称偏振态的激光，从而提高了激光加工的效率和精度。

Description

用于激光加工的高功率全固态轴对称偏振激光器

技术领域

本实用新型一般涉及半导体激光器领域，特别涉及一种用于激光加工的高功率全固态轴对称偏振激光器。

背景技术

激光加工包括利用大功率激光器实现金属毛化，切割，钻孔，弯曲、焊接等操作。相对于传统加工方法而言，激光加工具有应用范围广泛，加工精度高，快速高效等优点，其原理是高强度高能量的激光束和物质材料相互作用，利用产生的热效应实现材料的分离和形态的改变，因此，提高激光加工的精度和效率的关键在于如何控制材料对于激光光束作用的面积和吸收效率。

对于激光而言轴对称偏振光是一种特殊偏振态分布的矢量光束，其特点是偏振态在垂直于波矢方向的横截面上分布满足轴对称特性。轴对称偏振光有两种基本偏振态分布，径向偏振分布和角向偏振分布，方向上分别对应以光束中心为坐标原点的极坐标系中相应的径向矢量方向和角向矢量方向。由于光场中心处的偏振态要满足轴对称分布，只有中心点处的光强为零时才能使光束具有真实物理意义。因此，轴对称偏振光在横截面上的强度分布为中心暗斑的环形结构，即轴对称偏振是一种特殊的非均匀偏振结构。与传统偏振光相比，轴对称偏振光束最大的优势在于，它可以提供偏振态的分布和操控，由此能够为聚焦场提供更加灵活的调制，实现三维光场分布和聚焦场偏振态控制。例如，利用轴对称角向光束和径向光束混合态，可以实现聚焦场的平顶分布，同时在轴向产生较大的作用长度，有利于提高激光加工产生的深度[R.Weber，A.michalowski，M.Abdou-Ahmed，Effects of Radial and Tangential Polarization inLaser Material Processing(激光材料加工中的径向和切向偏振效应).PhysicsProcedia，12，21-30(2011)]。实验表明，由于径向偏振激光在垂直进入切割面时的菲涅耳吸收系数最高，与线偏振光相比，轴对称偏振光加工效率可以提高1.5到4倍[M.Meier，V.Romano，T.Feurer，Material processing with pulsed radially andazimuthally polarized laser radiation(脉冲径向和角向偏振激光的材料加工)，Appl.Phys.A，86，329-334(2007)]。另外，在金属加工中，激光加工的切口平滑度、加工产生的孔洞形状等均会受到光场偏振态的影响。

目前，激光加工虽然利用气体作增益介质可获得几十千瓦的高功率轴对称激光输出，但其光斑模式较差、精度低、在稳定性方面无法与固体激光器相比。而固体激光器因为具有相位奇点的轴对称矢量光束在光强上存在奇点，普通激光器无法产生轴对称的偏振模式。而且用于激光加工的固体激光器以前大多采用氙灯泵浦方式，这也从本质上决定了激光器不可能具有长寿命和高效率。

上述的现有技术中，对于现有的激光光源不论是采用氙灯激光器还是采用固体激光器，但其所产生的激光光束都存在缺陷，因而无法产生轴对称的偏振模式，从而无法有效控制材料对于激光光束作用的面积和吸收效率，因此，无法获得高精度的加工效果。

实用新型内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本实用新型提出了一种用于激光加工的高功率全固态轴对称偏振激光器，用于提高激光加工的精度和效率。

为达到上述目的，本实用新型提出了一种用于激光加工的高功率全固态轴对称偏振激光器，包括全固态激光产生装置，所述全固态激光产生装置包括用于产生激光光束的主振荡器以及用于对主振荡器的输出功率进行放大的功率放大器，所述主振荡器包括以同光轴依次排列的全反射镜和全固态单晶泵浦模块，所述全反射镜与全固态单晶泵浦模块之间产生偏振光聚焦面，在所述全反射镜与全固态单晶泵浦模块之间光轴与所述偏振光聚焦面的相交处设置有起偏元件，以用于获得单一的偏振态激光束。

根据本实用新型所述，起偏元件包括小孔光阑或圆锥形分布的介质薄膜。

根据本实用新型所述，偏振光聚焦面包括径向或角向偏振光的聚焦面。

根据本实用新型所述，该激光器还包括双向机械调节架，所述双向机械调节架一端与所述起偏元件联接，另一端与主振荡器联接，用于沿所述同光轴双向移动，使所述起偏元件位于所述径向或角向偏振光的聚焦面处。

根据本实用新型所述，主振荡器还具体包括声光Q开关、光电门及激光输出镜，其以同光轴依次排列在所述全固态单晶泵浦模块下游。

根据本实用新型所述，全固态单晶泵浦模块包括激光二极管阵列及激光增益介质，所述激光二极管阵列采用多方向、对称设置，用于侧面对称泵浦所述激光增益介质。

根据本实用新型所述的激光器，还包括以同光轴依次设置于所述功率放大器下游的旋光片、扩束镜及激光功率监测装置，所述旋光片用于实现角向偏振态与径向偏振态之间的转换。

优选地，所述功率放大器由一级或多级全固态多晶陶瓷泵浦模块组成。

本实用新型的激光器还包括电源装置、Q开关驱动器及冷却装置，所述电源装置用于为所述全固激光产生装置供电；Q开关驱动器用于控制所述全固态轴对称偏振激光产生装置的输出波形；冷却装置用于为所述全固态轴对称偏振激光产生装置散热。

本实用新型技术方案的有益效果在于：

首先，本实用新型在主振荡器结构中增设了起偏元件，因而可以输出具有轴对称偏振特性和高功率的激光。利用激光二极管代替氙灯作为泵浦光源，提高激光器的利用效率和寿命，并提高输出激光的光束质量。从而为激光加工设备提供更加灵活的聚焦场调制，通过控制激光的偏振态控制光束分布、作用面积和作用长度等参数，因此，提高了激光加工的精度和效率。

其次，本实用新型采用小孔光阑作为起偏元件设置在其中一种偏振光的聚焦面处，用来选择需要的轴对称偏振模式，同时抑制另外一种轴对称偏振模式，使得一种偏振光损耗远大于另外一种偏振光，实现单一的径向偏振态或者单一的角向偏振态的低损耗稳定振荡。

再次，本实用新型采用的功率放大器由一级或多级全固态多晶陶瓷泵浦模块组成。增益介质采用多晶陶瓷，其由随机取向的微晶体构成，宏观上表现为各向同性材料，利用多晶陶瓷棒没有退偏或退偏可以忽略的特性，实现轴对称偏振激光功率的进一步放大，并保证轴对称偏振分布不变。

再次，本实用新型采用的激光二极管多向对称侧面泵浦棒状激光增益介质的结构，具有对称的径向分布，可实现激光棒内增益分布的对称性和均匀性，从而有效减少角向畸变引起的退偏。采用激光二极管代替氙灯作为泵浦光源，在提高激光器的利用效率和寿命的同时，实现输出激光光束质量的提高。

再次，本实用新型通过设置在起偏元件与主振荡器之间的双向机械调节架，可实现起偏元件在径向与角向偏振光的聚焦面处灵活调节，从而提高了起偏元件调节的灵活性，并简便了径向偏振光与角向偏振光的切换操作。

最后，本实用新型激光器还包括设置在功率放大器下游处的用于实现角向偏振态与径向偏振态之间的转换的旋光片。旋光片依据具体需要设置，例如激光器输出为径向偏振光，90度旋光片可实现光束从径向偏振态转化为角向偏振态。另外，本实用新型还包括设置在所述旋光片下游的扩束镜及激光功率监测装置。扩束镜及激光功率监测装置依据具体需要设置，可以实现光束的远距离传输以及激光加工过程中功率的实时监测。

附图说明

通过以下结合附图对本实用新型具体实施例的描述，可以使本实用新型的方案、效果和特点得到更加透彻的理解。在附图中：

图1为本实用新型所述激光器的总体结构的方框图。

图2为本实用新型所述全固态激光产生装置的结构示意图。

图3为均匀偏振结构与非均匀偏振结构对比示意图。

图4为本实用新型所述全固态激光产生装置的光路示意图。

图5为直接测量和通过不同角度偏振片后测得的径向偏振光束光强分布图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的高功率全固态轴对称偏振激光器的结构进行详细描述。

图1为本实用新型所述的一种用于激光加工的高功率全固态轴对称偏振激光器的总体结构方框图。如图1所示，该激光器包括全固态激光产生装置A，二极管激光直流电源B、Q开关驱动器C和水冷机D。全固态激光产生装置A采用激光二极管作为光源。电源B为激光二极管供电。Q开关驱动器C用于控制全固态激光产生装置A的输出波形。水冷机D用于为全固态激光产生装置A散热。

图2是本实用新型所述全固态激光产生装置A的结构示意图。如图2所示，该全固态激光产生装置A包括主振荡器I和功率放大器II。主振荡器I包括：全反射镜1，小孔光阑2，全固态单晶泵浦模块3，声光Q开关4，光电门5，激光输出镜6。全反射镜1、激光输出镜6构成主振荡器I的谐振腔；小孔光阑2、全固态单晶泵浦模块3、声光Q开关4、光电门5按同光轴依次排列设置在谐振腔内。通过在其中一个聚焦面上放置的小孔光阑2，以选择需要的偏振模式，抑制另外一种偏振模式，从而实现主振荡器产生轴对称偏振激光。声光Q开关4对激光束进行波形调制，控制激光束波形形貌，达到控制加工点形貌的目的。光电门5可随时开启或关断激光，从而控制激光加工的运行。功率放大器II位于主振荡器I的下游，其由一级或多级全固态多晶陶瓷泵浦模块7构成，主振荡器输出激光束经过功率放大后，不仅实现激光功率的进一步放大，并且保证激光束轴对称偏振特性不改变。

在本实用新型的实施例中，全固态单晶泵浦模块3或全固态多晶陶瓷泵浦模块7为全固态，采用激光二极管为光源，侧面泵浦固体激光增益介质。为了减少角向畸变引起的退偏，全固态泵浦模块3和7具有对称的径向分布特征。二维激光二极管阵列从侧面由多个方向对称泵浦棒状增益介质，且激光二极管阵列的慢轴方向(发散角的全宽度一般约为10°)和激光棒的轴线方向平行。为了保证激光棒内增益分布的对称性和均匀性，在机械设计结构允许的前提下，尽可能的提高泵浦的方向数，进而有效的减少由于增益分布的非对称性所产生的高阶像差。在侧泵激光棒的耦合结构中，为了保证对称性并防止激光二极管阵列发射的泵浦光透过激光棒后照射到对面的激光二极管阵列上，泵浦方向数通常取奇数。为了提高侧泵结构的耦合吸收效率，在与阵列对称的方向上放置反光块，反光块对称的环绕在激光棒周围，将未被激光棒完全吸收的泵浦光反射回激光棒内部，以提高泵浦耦合效率和泵浦光分布均匀性。通过优化激光二极管阵列与激光棒之间的泵浦距离，确保泵浦模块具有最佳的吸收效率和增益分布均匀性。

另外，在功率放大器的下游还设置有旋光片8，并且在旋光片8的下游设置有扩束及监测装置9。旋光片8可采用90度旋光片，其设置在功率放大器的激光输出口处，根据具体需要实现角向偏振态与径向偏振态之间的转换。扩束镜和激光功率监测装置9置于激光的输出口处，便于激光束的传输和激光器稳定性能的监测，以满足激光加工的实际需要，这属于激光加工设备的常规技术。

以下对本实用新型主振荡器产生轴对称偏振光的原理进行具体说明。在大功率激光泵浦下，激光棒内的热沉积将导致激光棒内温度分布不均、热应力和受热形变现象，因而产生热透镜效应，热焦距可表示为：

$f_{r,\mathrm{\φ}}=\frac{\mathrm{KA}}{P_d}{(\frac{1}{2}\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{dT}}+n_0^3\mathrm{\α}{C}_{r,\mathrm{\φ}}+\frac{\mathrm{\α}{r}_0(n_0-1)}{L})}^{-1}$

其中，K表示导热率，A是激光棒的截面面积，P_d是激光棒吸收的总热量，dn/dT表示折射率的温度梯度，α为热膨胀系数，r₀表示激光棒的半径，n₀表示激光棒中心的折射率，C_r和C_φ分别对应径向和角向情况的常数，都是材料光弹系数的函数，对于Nd:YAG单晶，它们分别为0.017和-0.0025。从上述热透镜计算方程可看出，激光棒相当于双焦透镜，其角向和径向具有不同的焦距。对于Nd:YAG单晶，理论分析的结果为f_φ/fr＝1.2，实际测量结果在1.35～1.5之间。

本实用新型利用激光棒中径向偏振光和角向偏振光聚焦不同的特点，精确测得单晶棒产生的径向和角向热焦距之后，根据激光稳定性条件合理设计主振荡器的谐振腔结构，在其中一个聚焦面上放置小孔光阑2，用来选择需要的偏振模式，抑制另外一种偏振模式，使得一种偏振光损耗远大于另外一种偏振光，实现单一偏振的低损耗稳定振荡。最终，主振荡器输出轴对称偏振激光。如图3所示，与传统线偏振光与圆偏振光的偏振态均匀分布不同，在垂直于波矢方向的横截面上，轴对称偏振光的偏振态分布满足轴对称特性，在径向偏振分布和角向偏振分布均满足轴对称特性。

需要说明的是，在本实施方式中，为了说明方便，以小孔光阑位于谐振腔中的一个聚焦面为例子，但并不仅限小孔光阑作为起偏元件。例如在主振荡器激光腔内加入圆锥形分布的介质薄膜同样可以达到起偏元件的作用，圆锥形分布的介质薄膜的透射率同入射光偏振态有关，通过在腔内引入径向偏振光和角向偏振光之间的透射率差，从而借助谐振腔内的模式竞争实现径向偏振光低损耗稳定的振荡。但是，若选用小孔光阑2作为起偏元件，其位置不能随便放置，例如将小孔光阑2放置于径向偏振光的聚焦面处，此时，角向偏振光由于无法通过小孔光阑因此无法稳定振荡，而径向偏振光可稳定振荡，即输出光束为径向偏振态；反之，若输出光束为角向偏振态，则小孔光阑2必须放置于角向偏振光的聚焦面处。此外，由于小孔光阑2必须与腔内振荡激光束同心，所以小孔光阑2可借助于一双向机械调节架10实现精密位移。双向机械调节架10一端与所述起偏元件联接，另一端与主振荡器联接，用于沿所述同光轴双向移动，使所述起偏元件位于所述径向或角向偏振光的聚焦面处，可实现起偏元件在径向与角向偏振光的聚焦面处灵活调节，从而提高了起偏元件调节的灵活性，并简便了径向偏振光与角向偏振光的切换操作。由于这种双向机械调节架10可以通过多种现有技术来实现，故不在本文中赘述。

本实用新型的全固态单晶泵浦模块3中的增益介质为单晶圆柱棒。增益介质可以是Nd:YAG单晶体，或者Nd:Y₃Al₅O₁₂、或者Nd:GGG、或者Yb:YAG、或者Yb:Y₃Al₅O₁₂、或者Yb:GGG等单晶体或者其它具有热致双透镜的单晶体。侧面泵浦条件下棒状单晶对径向偏振光和角向偏振光具有不同的热焦距。在低泵浦功率下，棒状单晶对轴对称偏振的退偏可以忽略。

本实用新型的功率放大器中的全固态多晶陶瓷泵浦模块7采用多晶结构的陶瓷圆柱棒为增益介质。在保证激光波长与主振荡器一致、放大功率达到实际需求前提下，增益介质可以是多晶Nd:YAG陶瓷，或者Nd:Y₃Al₅O₁₂、或者Nd:GGG、或者Yb:YAG、或者Yb:Y₃Al₅O₁₂、或者Yb:GGG等多晶陶瓷或者其它波长与主振荡器一致的多晶陶瓷等替代。以多晶Nd:YAG陶瓷为例，其光谱特性、物化性能、激光特性与单晶Nd:YAG几乎相同，且为热效应各向同性材料，没有退偏或退偏可以忽略，并且相对于单晶体，多晶Nd:YAG陶瓷离子掺杂更均匀，掺杂浓度可以更高，较容易制备大尺寸。

本实用新型的全固态单晶泵浦模块3和全固态多晶陶瓷泵浦模块7为模块化结构，使用寿命至少8000小时，而当其使用寿命已至，直接更换新的模块即可，中间无任何维护工作。另外，本实用新型的激光器采取了相应保护措施保证设备的实用化：例如，选用具有高损伤阈值的光学元件，全腔光学元件均采用水冷，依靠机械设计保证激光器及其光路***工作环境稳定、清洁、干燥，增加冷却水水压过低保护和突发事件急停装置。

图4给出本实用新型全固态轴对称偏振激光产生装置的一种具体实例的光路示意图，全固态轴对称偏振激光产生装置包括主振荡器和两级功率放大器。其中主振荡器包括：1064nm全反射镜1，小孔光阑2，全固态单晶Nd:YAG泵浦模块3，声光Q开关4，光电门5，1064nm激光输出镜6。主振荡器为平凹腔结构，1064nm全反射镜1为曲率半径为130mm的平凹镜，1064nm激光输出镜6为对1064nm激光透过率为30％的平面镜。全固态单晶Nd:YAG泵浦模块3采用激光二极管侧面泵浦结构，每个泵浦模块包括9个二极管阵列，分别从三向对称泵浦单晶Nd:YAG；单晶Nd:YAG长64mm，直径为3mm，掺杂浓度为0.6％。声光Q开关4中心频率为27.12MHz，重复频率1k-50kHz连续可调。功率放大器包括两级，即两个全固态多晶Nd:YAG陶瓷泵浦模块7，每个泵浦模块包括30个二极管阵列，分别从五向对称侧面泵浦多晶Nd:YAG陶瓷，每个二极管阵列最大输出功率为20W；多晶Nd:YAG陶瓷直径为4mm，长120mm，掺杂浓度为1.0％。在808nm激光二极管最大泵浦功率时，测得单晶Nd:YAG棒的径向、角向热焦距分别为350mm和480mm，多晶Nd:YAG陶瓷热焦距为170mm。将1064nm全反射镜1到小孔光阑2的距离d1设置为130mm，将小孔光阑2、1064nm激光输出镜6分别到全固态单晶Nd:YAG泵浦模块3左右两个主平面的距离d2均设置为330mm，即小孔光阑2置于径向偏振模式的焦平面上，小孔光阑2直径选用0.6mm。最终，主振荡器输出平均功率为12W的径向偏振态1064nm激光，重复频率为10kHz，脉宽为60ns。两级功率放大器采用2f***，根据热透镜焦距的测定结果，第一级放大器的多晶Nd:YAG陶瓷棒左主平面到主振荡器输出镜6的距离d3设置为350mm，两个多晶Nd:YAG陶瓷棒相邻主平面的距离d4设置为340mm。经过第一级放大器后，1064nm激光功率被放大到50W，再经过第二级放大器后，1064nm激光功率被放大到125W。经两级放大器后，径向偏振态分布保持不变。90度旋光片依据具体需要选择性设置，可实现光束从径向偏振态转化为角向偏振态。

在未使用旋光片情况下，将输出光束入射到以波矢为轴可旋转的偏振片，再耦合到CCD相机分析光束的偏振特性，分析结果如图5所示，图5为直接测量和通过0°、45°、90°、135°偏振片后测量的径向偏振光束光强分布图，其中箭头表示旋光片透光轴方向，角度代表偏振片的偏振化方向和竖直方向的夹角。由图5可知，直接测量的径向偏振光强分布呈环状非均匀分布，通过偏振片后光强分布为双瓣结构，且暗带与偏振片方向垂直，即在垂直于波矢方向的横截面上，轴对称偏振光的偏振态为径向偏振态，从而证明利用上述全固态轴对称偏振激光器产生的光束的偏振态分布满足轴对称特性。双面镀有1064nm增透膜的90度石英旋光片8可选放于激光输出口处，根据具体需要实现径向偏振态向角向偏振态的转换。通过更多级功率放大器，还可以将激光功率进一步提高。

综上所述，虽然本实用新型的方案是以具体实施例的方式披露如上的，本实用新型并不仅限于上述的实施例。对于本领域的普通技术人员而言，可以在不违背从权利要求以及说明书全体所获知的实用新型的主旨或思想的范围内，对本实用新型进行各种变换和/或修改。但是这些变换和修改也均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于激光加工的高功率全固态轴对称偏振激光器，包括全固态激光产生装置，所述全固态激光产生装置包括用于产生激光光束的主振荡器以及用于对主振荡器的输出功率进行放大的功率放大器，所述主振荡器包括以同光轴排列的全反射镜和全固态单晶泵浦模块，所述全反射镜与全固态单晶泵浦模块之间产生偏振光聚焦面，在所述全反射镜与全固态单晶泵浦模块之间的光轴与所述偏振光聚焦面的相交处设置有起偏元件。

2.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述起偏元件包括小孔光阑或圆锥形分布的介质薄膜。

3.如权利要求1或2所述的激光器，其特征在于，所述偏振光聚焦面包括径向或角向偏振光的聚焦面。

4.如权利要求3所述的激光器，其特征在于还包括双向机械调节架，所述双向机械调节架一端与所述起偏元件联接，另一端与主振荡器联接，用于沿所述同光轴双向移动，使所述起偏元件位于所述径向或角向偏振光的聚焦面处。

5.如权利要求3所述的激光器，其特征在于，所述主振荡器还包括声光Q开关、光电门及激光输出镜，其以同光轴依次排列在所述全固态单晶泵浦模块下游。

6.如权利要求3所述的激光器，其特征在于，所述全固态单晶泵浦模块包括激光二极管阵列及激光增益介质，所述激光二极管阵列采用多方向、对称设置，用于侧面对称泵浦所述激光增益介质。

7.如权利要求3所述的激光器，其特征在于还包括以同光轴依次设置于所述功率放大器下游的旋光片、扩束镜及激光功率监测装置，所述旋光片用于实现角向偏振态与径向偏振态之间的转换。

8.如权利要求3所述的激光器，其特征在于，所述功率放大器由一级或多级全固态多晶陶瓷泵浦模块组成。

9.如权利要求3所述的激光器，其特征在于还包括电源装置、Q开关驱动器及冷却装置，所述电源装置用于为所述全固激光产生装置供电；Q开关驱动器用于控制所述全固态轴对称偏振激光产生装置的输出波形；所述冷却装置用于为所述全固态轴对称偏振激光产生装置散热。

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