平行雙光路偏振相干合成大功率雷射器以及焊接切割系統的製作方法

2023-10-09 17:28:54 1

專利名稱：平行雙光路偏振相干合成大功率雷射器以及焊接切割系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種雷射器和焊接切割系統。
背景技術：
雷射器廣泛用於各種用途，例如焊接切割系統中。平均輸出功率和光束質量是雷射器在科研及生產等行業應用中的主要技術參數，然而由於雷射器本身的各種機制或條件的限制，其輸出功率是有限的；而且光束質量隨著輸出功率的增加而降低，因此二者成為發展高能雷射技術的關鍵問題。現有技術中的高能雷射器通常包括聚光腔、尾鏡和頭鏡，其中尾鏡為全反射鏡，頭鏡為部分反射鏡。這種結構的雷射器輸出功率較低且光束質量不溫度，在實際應用中造成諸多不便。
實用新型內容本實用新型公開了一種雷射器和焊接切割系統，其將基於角錐作為全反鏡的兩路子雷射器平行放置，由偏振片產生偏振光束並最後達到兩路P/S光相干合成提高輸出功率和光束質量。本實用新型的平行雙光路偏振相干合成大功率雷射器，包括脈衝電源和諧振腔，諧振腔包括第一聚光腔、第二聚光腔、第一工作物質、第二工作物質、角錐稜鏡、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置；第一工作物質置於第一聚光腔內且位於第一聚光腔的軸向中心線上，第二工作物質置於第二聚光腔內且位於第二聚光腔的軸向中心線上；角錐稜鏡、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於同一平面上；角錐稜鏡、第一偏振片、第一工作物質、第二偏振片和半反射鏡位於同一條直線上，第一偏振片和第二偏振片分別位於第一工作物質的兩側，且與第一工作物質的夾角為45度；第一全反射鏡、第二工作物質和第二全反射鏡位於同一條直線上，第一全反射鏡和第二全反射鏡分別位於第二工作物質的兩側，且於第二工作物質的夾角為45度。提高單束雷射能量的可行方法是採用光束合成技術，即把多束低功率而且光束質量良好的雷射束合成為一束，在獲得高功率雷射束的同時維持或提高光束質量。目前，光束合成技術已得到了廣泛的研究，也發展了各種各樣的合成方法。根據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構可以分為陣列合成和同軸合成，依據合成過程與諧振腔的關係又可分為腔內合成、腔耦合以及腔外合成。偏振光束合成是光束合成的一個技術方案，其合束兀件是偏振分束鏡，可以實現多束相干光的同軸合成。單就該方法而言，理論合成效率高，而且由於實現了同軸合成，光束質量好。[0012]偏振光束合成時，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,兩束光經過偏振分束鏡合為一束橢圓偏振光(或線偏振光)。將一個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，則經過X /4波片後橢圓偏振光變為線偏振光，該線偏振光經過I個X/2波片旋轉成p光(或s光)。合成的p(或s)光可以和其他的s (或p)光重複上述合束及轉換過程，如此實現多束偏振光的合成。偏振光束合成時對條件有一定的要求，如具有良好穩定性的機械器件、有效的隔震措施、穩定的實驗環境等，以控制相位差的穩定，獲得較高的合成效率。當參與合成的p光和s光的強度相差較大時，相位差的不穩定性對合成效率的影響較小，而當兩束光等強度時，合成效率對相位差的變化最為敏感。理論上，經過P B S平行射出的p光和s光在空間上是完全重合的 ，但實際上不可避免地存在重合誤差。由於重合誤差的存在，P光和s光的一小部分光束因沒有發生偏振疊加而損失；而在疊加區域S內，光束橫截面上各點處的振幅比不同，因此合成光束在橫截面上各點處的偏振態不同，這種非均勻偏振的效果使偏振合成損耗增大。一般來說，後一種損耗是光斑重合誤差引起的主要影響。實際中，經過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，使得合成區域內各點的相位差不同，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，因此產生了重合度誤差。考慮到實際中通常是在近場的兩點觀察光斑的疊加效果並測量合成強度，因此上述第二個方面的影響可以忽略。由此可見，兩束光的強度差值越大，各種因素對合成效率的影響越小。然而，實際情況中通常將單元光束放大至合理的強度之後再進行合成，如果其中一束的強度相對很小，儘管合成效率高了，但其合成強度未必最大。因此改善方法是提高實驗環境穩定性，穩定相位差；儘可能採用大尺寸的光束進行合成；提高光束傳播方向的控制精度。偏振是光的三大特性幹涉、衍射和偏振之一。偏振光源在與目標表面作用以後出來的散射光會帶有自身特性所決定的偏振信息。散射介質的特性可以通過改變入射光的偏振態而後分析出射光的偏振特性得到。偏振鏡的運用在本實用新型的雷射器光路中實現雙平行腔的耦合起著關鍵的作用，由布儒斯特定律我們已知，當光以布儒斯特角入射偏振鏡時，反射光中沒有P光，只有垂直入射面振動的S光,發生全偏振現象,反射光是偏振光；此時的折射光波中含有全部的P光和部分S光,是一個P光佔優勢的部分偏振光。角錐稜鏡又稱回歸反射器，圖3示出了其結構示意圖。其是利用臨界角原理製造的內部全反射鏡，以任何入射角進入有效孔徑的光線，會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被原路反射回去。在定向很困難或不可能控制的應用中，角錐稜鏡是理想的選擇。角錐由3個互相垂直的面和一個斜面組成。不論角錐的方向如何，它能使進入稜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射角入射時才能達到此效果。角錐內共發生3次反射。由角錐組成的諧振光路可以減少調光的複雜性。本實用新型公開了一種雷射器，其包括脈衝電源和諧振腔，諧振腔包括第一聚光腔、第二聚光腔、第一工作物質、第二工作物質、角錐稜鏡、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置；第一工作物質置於第一聚光腔內且位於第一聚光腔的軸向中心線上，第二工作物質置於第二聚光腔內且位於第二聚光腔的軸向中心線上；角錐稜鏡、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於同一平面上；角錐稜鏡、第一偏振片、第一工作物質、第二偏振片和半反射鏡位於同一條直線上，第一偏振片和第二偏振片分別位於第一工作物質的兩側，且與第一工作物質的夾角為45度；第一全反射鏡、第二工作物質和第二全反射鏡位於同一條直線上，第一全反射鏡和第二全反射鏡分別位於第二工作物質的兩側，且於第二工作物質的夾角為45度。

圖I為本實用新型的雷射器的結構示意圖。圖2為本實用新型的雷射器的諧振腔中的光路圖。
圖3為本實用新型中使用的角錐稜鏡的結構示意圖。
具體實施方式
為了使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，
以下結合附圖及實施例，對本實用新型的雷射器及焊接切割系統進一步詳細說明。如圖I所示，本實用新型的雷射器I包括脈衝電源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51、第二工作物質52、角錐稜鏡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平行設置。第一工作物質51置於第一聚光腔41內且位於第一聚光腔41的軸向中心線上，第二工作物質52置於第二聚光腔42內且位於第二聚光腔42的軸向中心線上。角錐稜鏡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的腔體中心位於同一平面上。角錐稜鏡6、第一偏振片91、第一工作物質51、第二偏振片92和半反射鏡7位於同一條直線上，第一偏振片91和第二偏振片92位於第一工作物質51的兩側,且與第一工作物質51的夾角為45度。 第一全反射鏡81、第二工作物質52和第二全反射鏡82位於同一條直線上，第一全反射鏡81和第二全反射鏡82位於第二工作物質52的兩側，且與第二工作物質52的夾角為45度。其中，脈衝電源優選包括兩層充電電源和兩層放電電源。工作物質優選為YAG晶體。雷射器的冷卻系統優選為單獨5匹冷卻系統。圖2示出了該雷射器的諧振腔中的光路圖。當雷射氙燈按照一定的頻率、脈寬發光從而激發第一工作物質以及第二工作物質產生雷射。第一工作物質和第二工作物質產生的雷射經偏振片分出P光和S光，於諧振腔內並通過角錐稜鏡及半反射鏡震蕩耦合，最終得到具有較高質量和能量的雷射輸出。下面介紹各個部件的優選技術參數，但應該理解，其僅用於解釋，並不用於限定本實用新型的雷射器。脈衝電源可以採用傳統地四路四燈雙腔開關電源，三相電壓進入經過三相整流後直接給充放電電容供電，開關部分使用絕緣柵雙極型電晶體IGBT，可正常工作於幾十kHz頻率範圍內，檢測部分使用點流傳感器，對電容負極電流檢測，其檢測結果直接反饋到雙路反饋板，主控板在對反饋信號和基準信號進行比較之後，將比較結果輸出到IGBT驅動板，實現對IGBT的開關控制。優選採用的脈衝電源的技術參數電源型號ZGM_4C ;規格四電源四路；電源輸入電壓380v±5% ；電源輸出功率32KW ;控制電流100A到400A可調；脈衝寬度0. 2ms-20ms ;工作頻率1HZ-500HZ ;環境溫度低於30°C乾燥條件下使用；環境潔度空氣粉塵< 0. 01g/m2 ;預燃電壓空載1200v ;預燃電流100MA-120MA。聚光腔採用140鍍金聚光腔，腔體反光面採用鍍金結構，增加鍍金面對光的反射，使工作物質在低閥值條件下即可實現粒子束反轉，實現雷射的輸出，本聚光腔採用三路濾紫玻璃水管來冷卻，濾紫管對光的吸收小，使光的損耗達到最少。優選採用的聚光腔技術參數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(從底板底部計算)；棒中心高47mm(從底 板底部計算)；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冷卻水流量不小於40L/min (底部進出水)；重量6. 3kg(包括不鏽鋼水嘴)。工作物質採用雷射棒，優選採用ND :YAG雷射棒。其上能級壽命230 y s ;波長1064nm ;材料為Nd3+ Y3A15012 (摻釹釔鋁石榴石)。全反射鏡優選採用雙波長介質膜高反射鏡。本實用新型的雷射器以角錐稜鏡替代先前的全反R2M鏡片，用於平行平面光學諧振腔的尾鏡，利用其特有的自準直不失調功能、偏振耦合輸出特性、角向選模和光學補償作用等一系列優點，確保在雙平行光路中光的穩定以及後續試驗中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特性(I)自準直，不失調諧振腔功能。從角錐底面入射的光線，經三個反射面反射，其出射光線反向平行於入射光線(2)光學補償作用。出射光線始終是反向平行於入射光線，且以稜鏡頂點呈中心對稱分布，其物像關係為鏡像；(3)等光程全波段反射特性。對於任何波長、任何點、任何方向入射的光線。只要光線在三個反射面上依次反射，其在稜鏡內部所走的光程為一定值。等於從頂點到入射點和出射點連線中點距離的兩倍；(4)偏振耦合輸出特性。線偏振光經角錐稜鏡反射會退偏為橢圓光，即反射光可分解為相互垂直的兩個偏振態TEMtl3模。本實用新型的雷射器輸出功率高，光束質量的穩定性好。本實用新型還公開了一種焊接切割系統，其包括上述雷射器。上面通過具體實施方式
描述了本實用新型，但是應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，並不用於限定本實用新型。
權利要求1.一種雷射器，包括脈衝電源和諧振腔，其特徵在於，諧振腔包括第一聚光腔、第二聚光腔、第一工作物質、第二工作物質、角錐稜鏡、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置； 第一工作物質置於第一聚光腔內且位於第一聚光腔的軸向中心線上，第二工作物質置於第二聚光腔內且位於第二聚光腔的軸向中心線上； 角錐稜鏡、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於同一平面上； 角錐稜鏡、第一偏振片、第一工作物質、第二偏振片和半反射鏡位於同一條直線上，第 一偏振片和第二偏振片分別位於第一工作物質的兩側，且與第一工作物質的夾角為45度；第一全反射鏡、第二工作物質和第二全反射鏡位於同一條直線上，第一全反射鏡和第二全反射鏡分別位於第二工作物質的兩側，且於第二工作物質的夾角為45度。
2.如權利要求I所述的雷射器，其特徵在於，脈衝電源為四路四燈雙腔開關電源。
3.如權利要求I所述的雷射器，其特徵在於，第一聚光腔和第二聚光腔均為140鍍金聚光腔。
4.如權利要求I所述的雷射器，其特徵在於，第一工作物質和第二工作物質均為YAG晶體。
5.如權利要求I所述的雷射器，其特徵在於，全反射鏡為雙波長介質膜高反射鏡。
6.一種焊接切割系統，其特徵在於，包括如權利要求I所述的雷射器。
專利摘要本實用新型公開了平行雙光路偏振相干合成大功率雷射器以及焊接切割系統，其包括脈衝電源和諧振腔，諧振腔包括第一聚光腔、第二聚光腔、第一工作物質、第二工作物質、角錐稜鏡、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。該雷射腔將基於角錐稜鏡作為全反鏡的兩路子雷射器平行放置，由偏振片產生偏振光束並最後達到兩路P/S光相干合成提高輸出功率和光束質量。
文檔編號H01S3/139GK202534935SQ201120447700
公開日2012年11月14日 申請日期2011年11月14日 優先權日2011年11月14日
發明者李輝琪 申請人:武漢市楚源光電有限公司