一種高平均功率固體雷射系統的製作方法

2023-10-07 03:40:29

專利名稱：一種高平均功率固體雷射系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及輸出平均功率為幾百瓦至幾千瓦的固體雷射器。本發明在雷射加工中，特別是在切割、焊接和打孔等金屬加工中有廣闊的應用前景。
在雷射加工中，目前千瓦級平均功率雷射器只有CO2雷射器。由於它輸出波長太長，對絕大部分金屬加工對象，表面反射率極高，不易吸收CO2雷射。同時CO2雷射器還有供電電壓高、體積較大等缺點。所以，人們考慮用固體雷射器產生高平均功率輸出，它具有波長短、體積小，供電電壓低、穩定可靠等優點。
但是，固體雷射器平均功率的提高受到一些限制。單棒或單片的雷射器，其輸出平均功率受材料的熱應力破壞極限(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雷射器，由於晶體生長工藝限制，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，光學質量也欠佳。對釹玻璃材料，容易獲得高光學質量大尺寸的雷射材料，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。但由於玻璃導熱性能差，泵浦產生的熱不易被冷卻劑帶走，因而其熱負載能力較低。同時由於釹玻璃受激輻射截面小，只有在高泵浦功率下才有較高的雷射功率，因此只能在高光泵低重複率下運轉。
高峰值功率玻璃雷射系統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，但在重複率運轉時，如採用水冷，其通光面一定要浸沒於水中，影響光傳播。如用氣冷，則需龐大的噴流系統。這种放大器的另一問題是增益長度遠小於截面尺寸、存在著難於克服的自發輻射損耗，影響輸出功率。
七十年代發展起來的板條雷射器，由於採用薄板狀的雷射介質，採用面泵浦面冷卻方式，光束在板條內全反射之字形傳播，從而提高了熱負載能力和光束質量。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雷射器，由雙閃光燈、釹玻璃板條、光學諧振腔、聚光腔、冷卻套和冷卻液等組成，其特點是雷射介質運動，使閃光燈在某一瞬間泵浦玻璃板條的局部區域產生雷射，另一瞬間則泵浦板條的另一區域。局部泵浦可達到較高的功率密度而保持高的雷射效率，而冷卻和應力分布在整個大板條上，因而可實現較高平均功率的雷射輸出。但該雷射器仍存在以下缺點1、器件輸出功率受閃光燈板條負載限制，難於提高，目前只達到百瓦水平;
2、雷射介質運動帶來了冷卻和機械結構的困難。
3、對大尺寸雷射板條作快速運動，驅動系統也存在問題。
本發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雷射系統。
本發明的雷射系統由N(N＞3)臺雷射器、電子控制系統和光耦合系統組成。N臺雷射器是由2N支閃光燈，N只聚光腔、連續大尺寸板條或N塊分立小尺寸板條或圓棒雷射介質、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控制下按N組依次放電，泵浦各自對應的雷射介質而產生雷射，電子控制系統控制光耦合系統運動，將不同時刻不同雷射器發出的光耦合至同一小區域輸出。
本發明的實施方案，根據光耦合系統的運動狀態，可以分為平動、轉動和轉鏡三類。
本發明的優點在於用小巧輕便的光耦合器運動代替了笨重的雷射介質運動，避免了機械結構和驅動器的困難;同時由於採用多燈照明，克服了閃光燈負載對雷射輸出功率的限制。本發明的固體雷射系統，其輸出平均功率原則上只受光耦合系統的雷射損傷極限和高反射介質膜的損傷極限的限制。根據單臺雷射器的輸出水平和實際要求的功率水平，適當選擇N值和相應的光耦合器，實現幾千瓦甚至萬瓦雷射輸出並沒有原則上的困難。
下面結合附圖對發明作進一步說明。


圖1-本發明的方案之一，大片釹玻璃板條雷射系統主體結構示意圖。
圖2-圖1雷射系統的光路圖。
圖3-本發明的方案之二，N臺分立雷射器按向心均排在圓周上的雷射系統示意圖。
圖4-圖3中單臺雷射器光路圖。
圖5-本發明的方案之三，N臺分立雷射器均布於圓筒上，光束沿同方向傳播的雷射系統示意圖。
圖6-圖5系統中單臺雷射器光路圖。
圖7-本發明方案之四，光束掃描雷射系統示意圖。
圖8-圖7中飛輪F的正視圖。
圖9-飛輪F的幾何關係。
圖10-本發明方案之五，由雷射振蕩器和掃描飛輪組成的雷射系統。
圖11-採用方案之二的雷射系統實施例示圖。
根據光耦合系統的運動狀態，本發明實施方案可分為三類。
一、平動結構圖1、2為大片釹玻璃板條雷射器。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為平動的稜鏡或平面反射鏡組作為光耦合系統。2N支閃光燈分別沿玻璃板條上下兩大面一一對應均勻排列，N只聚光腔上下排列，並使2N支閃光燈置於聚光腔焦線上，通過電子控制系統控制閃光燈點燃時間和稜鏡的位置，使稜鏡通光面法線與產生雷射局部區域中心線重合時即產生雷射，雷射在板條內沿之字形傳播，稜鏡在垂直於光束方向往復平動，使各泵浦區域產生的雷射耦合至同一方向輸出。這一結構與板條運動結構(U.S.P4，555，786)相比，閃光燈的負載減小到1/N;稜鏡或平面反射鏡的平動較玻璃板條平動要容易得多，機械結構要簡單得多，驅動馬達功率要小得多。因此，本發明方案較運動板條優越。
二、轉動結構圖3和圖4是N臺分立雷射器向心均布於圓周上的雷射系統。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為光學諧振腔全反射鏡，8為輸出腔片，9為繞稜鏡中心轉動的稜鏡或平面反射鏡，其轉軸通過N臺雷射器組成的圓的中心並與光束垂直。當稜鏡或平面反射鏡在電子控制系統控制下轉至某一臺雷射器輸出方向時，該雷射器在電子控制系統控制下立即產生雷射，所以光耦合系統將不同雷射器輸出的光束耦合到一垂直於紙面的小區域內輸出。
圖5和圖6是轉動結構的另一種安裝方式，N臺分立的雷射器，按雷射束平行於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為長條稜鏡或平面反射鏡組構成的光耦合系統，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稜鏡或平面反射鏡組繞圓筒的軸線旋轉時，正好掃過每臺雷射器。
轉動結構中N臺分立雷射器可以是板條雷射器，也可以是棒狀雷射器，可以是釹玻璃雷射器，也可以是重複率YAG雷射器。這一結構是非常現實的雷射系統。
三、光束掃描結構圖7是多臺放大器的光掃描及復原系統。圖中F為帶掃描鏡的飛輪，它由若干組掃鏡組成。根據預定的掃描行數確定每組掃鏡的鏡片數目，若干組鏡片組成一盤(如圖8所示)。F中A面為掃描鏡面，B面為復原鏡面，均鍍高反射膜，並且A平行於B。M1、M2為復原凹面高反射率鏡，其焦距f1＝f2＝f，飛輪F位於M1、M2兩倍焦距處，M1、M2間距為4f。由1、6、8組成的雷射振蕩器輸出光束以會聚方式入射於A面，經A反射會聚用於M1的焦點f1處，當F轉動時，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的轉動而掃動。若飛輪鏡片組設計成三行，並掃成正方形或矩形，則M1和M2間光束掃描範圍近似一稜錐。掃描光束經M2反射後到F的鏡面B反射輸出，這時A面光斑在B面重現，並且在同一方向輸出，使光束復原，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動方式相同。
下面簡述一些參數的選擇原則。
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，由三角關係可得sinα＝sin(φ/2)/sin(θ/2)掃角φ由所需的掃描範圍及反射鏡M1、M2的焦距決定。α由多行掃描時所要求的行距決定。當選取三行時，則取α+△α，α，α-△α三個值，掃鏡應取此不同α值的三片為一組。
飛輪轉速與放大器的工作方式、間隙比，重複頻率等相關。
上述結構中的放大器也可用振蕩器代替，圖10是個例子。當飛輪轉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M和F耦合到同一方向輸出。
應該指出，上面系統中使用了凹面鏡，系統存在象散，但並不難校正。
下面以圖3和圖4所示的雷射系統為例說明電子學控制系統和光耦合系統之間的同步問題，而其他系統也基本相同。
圖11是採用圖3和圖4方案實施例的示意圖。圖中只畫出了均分於圓周上的8臺分立雷射器中的一臺。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釐米，6和8為光學諧振腔腔片，3為重複率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為作為光耦合的稜鏡，通光面上鍍增透膜，稜鏡中心置於光耦合系統轉軸上。14為帶光電轉盤的稜鏡架盤上有等分圓的8個通光孔，15為光源，16為光電二極體，17為馬達，18為單穩態整形器，19為電平變換器，20為計算機，21為雷射電源，22為馬達驅動源。
雷射系統運轉過程如下當馬達帶動轉盤旋轉時，旋轉一周產生8個光電脈衝，調節單穩態延時，使得該脈衝經計算機處理後控制雷射電源發射雷射的時刻，稜鏡通光面法線正好與雷射器光軸相重合，從而實現了光耦合器與雷射器之間的同步。光電脈衝也可以直接控制雷射電源而不通過計算機。
在光電盤上置一磁頭和8塊磁鋼產生8個磁電信號，同樣可實現上述控制。採用步進電機控制更為優越。如步進電機步距為4.5°，則電機驅動頻率為ω/4.5HZ，其中ω為電機角速度，單位為度/秒，並按360°/(8×4.5)°分頻取脈衝，經適當延遲控制雷射發射時間，以保證光耦合器與雷射發射之間的匹配。採用這一控制方式，最好用計算機作為控制中心，計算機可以根據系統重複頻率，自動確定步進電機驅動電源頻率及雷射電源發射雷射的時刻、準確實現同步。
採用單臺釹玻璃板條雷射器，實現平均功率為150瓦輸出(10HZ，每脈衝能重15焦耳)是沒有任何技術障礙的。用本實施例，8臺分立雷射器經光耦合可獲得80HZ頻率，單脈衝能量15焦耳，平均功率為1200瓦的雷射輸出。
權利要求
1.一種高平均功率固體雷射系統，具有固體雷射介質1、垂直於雷射束方向的諧振腔片6、8，平行於雷射束方向的聚光腔5，平行於雷射束方向的閃光燈3處於聚光腔的焦線上，冷卻套4及冷卻劑2，其特徵在於由N(N＞3)組閃光燈3，N只聚光腔5和雷射介質1形成按某種排列固定安裝的N臺雷射器，還有同步運動的光耦合系統和電子控制系統，該電子控制系統控制所說的N臺雷射器的N組閃光燈依次點燃泵浦各自對應的雷射介質產生雷射，同時控制所說的光耦合系統同步運動，將不同時刻不同雷射器發出的雷射耦合至恍∏蚴涑觥
2.按照權利要求1的固體雷射系統，其特徵在於所說的固體雷射介質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一一對應地均勻地沿該板條的橫向分開且平行於雷射束方向固定排列，N只聚光腔在釹玻璃板條上下排列，使所有2N支閃光燈分別處於聚光腔的2N條焦線上，所說的光耦合系統為一沿垂直於雷射束方向作往復平動的稜鏡7。
3.按照權利要求2的固體雷射系統，其特徵在於所說的光耦合系統為一沿垂直於雷射束方向往復平動的平面反射鏡組。
4.按照權利要求1的固體雷射系統，其特徵在於所說的雷射介質為N塊釹玻璃或YAG板條，或N根釹玻璃或YAG棒，和N組閃光燈構成的N臺分立的雷射器按其雷射束向心傳播的方式均勻排布在圓周上，所說的光耦合系統為處於圓心處的轉鏡9，其轉軸通過該圓心並與N臺雷射器構成的平面垂直。
5.按照權利要求4的固體雷射系統，其特徵在於所說的光耦合系統為平面反射鏡組。
6.按照權利要求1的固體雷射系統，其特徵在於所說的N臺雷射器為分立的雷射器，按雷射束平行於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，所說的光耦合系統為一長條稜鏡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稜鏡繞圓筒的軸線旋轉時，正好掃過每臺雷射器。
7.按照權利要求6的固體雷射系統，其特徵在於所說的光耦合系統為一平面反射鏡組。
8.按照權利要求1的固體雷射系統，其特徵在於所說的N臺雷射器為分立的雷射器，有一臺為振蕩器，其餘N-1臺為雷射放大器並按共心排列，所說的光耦合系統由帶有若干組掃描鏡面A和復原鏡面B的飛輪F和一對復原凹面高反射率鏡M1、M2組成，飛輪F位於M1和M2的兩倍焦距，即球心處，M1M2的距離為四倍焦距。
9.按照權利要求1的固體雷射系統，其特徵在於所說的N臺雷射器為共心排列的振蕩器，所說的光耦合系統由帶若干組復原鏡面B的飛輪F和一個鍍有高反膜的復原凹面鏡M組成。
10.按照權利要求1至9的固體雷射器，其特徵在於所說的電子控制系統由光電轉盤稜鏡架14、光源15、光電二極體16、馬達17、單穩態整形器18、電平變換器19、計算機20、雷射電源21和馬達驅動源22組成。
全文摘要
一種高平均功率固體雷射系統，其特點是它由N臺雷射器，光耦合系統和電子控制系統組成，所說的N臺雷射器按某種排列固定安裝。所說的電子控制系統控制N臺雷射器的N組閃光燈依次點燃泵浦各自對應的雷射介質產生雷射，同時控制所說的光耦合系統同步運動，將不同時刻不同雷射器發出的雷射耦合至一小區域輸出，從而獲得幾百瓦或幾千瓦的高平均功率雷射。
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 優先權日1988年2月4日
發明者王之江, 張國軒, 黃國松 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所