高功率燈泵浦大功率固體雷射器的製作方法

2023-06-15 21:00:21 1

專利名稱：高功率燈泵浦大功率固體雷射器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種固體雷射器，特別涉及一種高光束質量高功率燈泵浦大功率固體雷射器。
背景技術：
雷射加工應用範圍十分廣泛，目前已在機械、電子、汽車、航空航天、鋼鐵、造船、軍工等行業獲得較為廣泛的應用，並且在國民生產總值中佔有越來越大的比重。大功率固體雷射器具有高功率輸出、波長短、金屬吸收率高的優點，易於光纖傳輸，不但提高了系統的靈活性，同時與工業機器人匹配可組裝成在線柔性製造系統實現柔性加工。燈泵浦大功率固體雷射器是目前工業應用中被證明可靠的雷射器，且與二極體泵浦大功率固體雷射器、片狀雷射器、光纖雷射器相比價格相對較低。
燈泵浦大功率固體雷射器工業應用要求在保證高光束質量的條件下，高功率雷射輸出。對於燈泵浦的雷射器，由於泵浦燈發射的光譜較寬，泵浦光非吸收光譜區的能量轉換為熱；螢光過程的量子效率小於1，部分光子能量散失到基質晶格中轉換為熱；泵浦帶和螢光能級間的能量差通過無輻射躍遷散失到基質晶格中轉換為熱，在雷射棒內引起的強烈的熱透鏡效應，會導致輸出光束質量的降低，嚴重時會造成輸出功率的降低。提高雷射器輸出功率和光束質量，都歸結為雷射器總體效率，由於泵浦燈的光譜和效率、聚光腔的效率、雷射晶體的效率不夠高，以及諧振腔結構等因素，因而使雷射器的電光轉換效率不高，只有3％，並且使輸出功率受到限制，單腔輸出功率只有400W左右。

發明內容
本發明的目的在於，通過提供一種高功率燈泵浦大功率固體雷射器，改變現有的固體雷射器的諧振腔結構不合理，因而使雷射器的電光轉換效率不高，使輸出功率受到限制的問題。
本發明是採用以下技術手段實現的。
一種高功率燈泵浦大功率固體雷射器，其諧振腔為全反鏡和部分反射耦合輸出鏡構成，雷射腔為全腔水冷雙燈泵浦陶瓷漫反射腔，由聚光腔、雷射晶體、泵浦燈、濾光管組成；所述的諧振腔的腔體中心放置雷射晶體；其外套設有濾光管；兩側對稱位置放置有兩根泵浦燈；上述聚光腔、雷射晶體、泵浦燈、濾光管均固定在有機玻璃盒，浸泡於循環冷卻水中，上面加蓋有機玻璃盒蓋，有機玻璃盒為封閉系統；循環冷卻水流經區域，由進水口、出水口與雷射器循環冷卻系統連接；雷射腔外連接兩個光闌。
前述的聚光腔是由兩塊相同的氧化鋁陶瓷體構成。
前述的陶瓷體表面為鍍摻氧化釤的釉層。
前述的陶瓷體為變形的緊包結構。
前述的諧振腔的為對稱平行平面結構。
前述的泵浦燈採用氪燈。
前述的雷射晶體採用Nd:YAG晶體，Nd:YAG晶體的摻雜濃度範圍為0.8-1.0at％。
前述的雷射晶體的鍍膜層經拋光處理。
前述的雷射晶體(9)的直徑與前述的兩根泵浦燈(8)的直徑相近。
本發明與現有技術相比，具有明顯的優勢和有益效果。
本實用新型一種高功率燈泵浦大功率固體雷射器，由於採用了以上所述的優化設計，所以在工作時，兩根泵浦燈發出的泵浦光經聚光腔構成高效漫反射，再透過濾光管均勻地照射在雷射晶體即Nd:YAG棒上，使雷射晶體能產生有效、均勻的吸收，形成粒子數反轉，在全反鏡和部分反射耦合輸出鏡構成的諧振腔內振蕩，大功率高光束質量的雷射由部分反射耦合輸出鏡輸出。冷卻水經區域沿泵浦燈、濾光管流過，流速大而均勻地進行冷卻，可獲得高功率輸出；光束質量高；寬的穩定區域，可調範圍大；束腰總在輸出鏡面處，有利於光纖傳輸。


圖1.雷射器的原理結構圖；圖2.雷射腔的原理結構截面圖；圖3.電源泵浦功率與輸出雷射功率；圖4.測量輸出雷射光束的功率密度圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明的具體實施例加以說明請參閱圖1所示，為該雷射器的原理結構，其諧振腔為全反鏡1和部分反射耦合輸出鏡2構成；雷射腔4的結構如圖2所示，為全腔水冷雙燈泵浦陶瓷漫反射腔，由聚光腔7、雷射晶體9、泵浦燈8、濾光管10組成；聚光腔7是由兩塊相同的氧化鋁陶瓷體構成的高反射率漫反射聚光腔；腔體中心放置雷射晶體9即Nd:YAG棒；其外套有濾光管10；兩側對稱放置兩根泵浦燈8；聚光腔7、雷射晶體9、泵浦燈8、濾光管10均固定在有機玻璃盒13內，浸泡於循環冷卻水中，有機玻璃盒加蓋12，使有機玻璃盒成為封閉系統，循環冷卻水流經區域11，由進水口5、出水口6與雷射器循環冷卻系統連接；雷射腔4外連接兩個光闌3。工作時，兩根泵浦燈8發出的泵浦光經聚光腔7構成高效漫反射，再透過濾光管10均勻地照射在雷射晶體9即Nd:YAG棒上，使雷射晶體9能產生有效、均勻的吸收，形成粒子數反轉，在全反鏡1和部分反射耦合輸出鏡2構成的諧振腔內振蕩，大功率高光束質量的雷射由部分反射耦合輸出鏡2輸出。冷卻水經區域11沿泵浦燈8、濾光管10流過，流速大而均勻地進行冷卻，冷卻水由外部的冷卻循環系統提供。
雷射器部件的特性說明如下聚光腔7是由兩塊相同的氧化鋁陶瓷體構成的高反射率漫反射聚光腔，以實現對放置於腔體中心的雷射晶體9即Nd:YAG棒均勻泵浦，腔體表面鍍摻氧化釤的釉層，來提高反射率；兩根泵浦燈8由雷射電源驅動，雷射晶體9即Nd:YAG棒由泵浦燈8發出的光經聚光腔7漫反射後泵浦，雷射晶體9即Nd:YAG棒的直徑與對稱放置兩根泵浦燈8的直徑相近，雷射晶體9即Nd:YAG棒的摻雜濃度與泵浦燈8的功率參數、光譜參數相匹配；雷射晶體9即Nd:YAG棒外套的濾光玻璃管10濾除波長長於1064nm的紅外光和小於310nm的紫外光；聚光腔7、雷射晶體9、泵浦燈8、濾光管10的長度相匹配。諧振腔採用對稱平行平面腔，其優點為大的模體積，可獲得高功率輸出；光束質量高；寬的穩定區域，可調範圍大；束腰總在輸出鏡面處，有利於光纖傳輸。
雷射器輸出功率和光束質量，都歸結為雷射器效率。燈泵浦YAG雷射器的效率涉及泵浦燈的光譜和效率、聚光腔的效率、雷射晶體的效率和諧振腔結構等因素，在雷射器的結構設計中，綜合考慮了雷射器件的這些因素，具體採取了以下措施(1)聚光腔的形狀、結構和材料經優化設計，聚光腔採用陶瓷漫反射體，陶瓷體表面上特殊釉層，陶瓷體對增益介質吸收波段的反射率大於97％，對400nm以下的短波螢光轉換到的增益介質吸收波段，形狀設計既考慮高的泵浦效率，又考慮對增益介質泵浦的均勻性，採用變形的緊包結構。(2)泵浦燈採用氪燈，泵浦燈的光譜參數和燈管的材料經優化，即氪燈的氣體組份和氣壓根據最大泵浦電流和發光光譜優化，並考慮發光效率，氪燈的燈管採用摻鈰特殊材料的石英玻管，對小於310nm的紫外光吸收。(3)雷射晶體的參數和鍍膜經優化，雷射晶體採用Nd:YAG晶體，Nd:YAG晶體的摻雜濃度範圍為0.8-1.0at％，雷射棒的鍍膜層經過後續拋光處理，以保證高功率的高損傷閾值。(4)聚光腔的冷卻經優化。(5)為改善因反射鏡熱變形採用強制冷卻方式對反射鏡強制冷卻。
聚光腔由兩塊相同氧化鋁陶瓷體構成。氧化鋁陶瓷體尺寸160mm×50mm×16mm，外表平整，表面鍍摻氧化釤的釉層。稜角為R1mm-R1.5mm，形狀尺寸與位置公差為0.1mm。雷射晶體Nd:YAG的尺寸為φ9mm×155mm，泵浦燈為φ8mm×150mm的氪燈，採用雙燈泵浦，電源的最大泵浦功率為16kW。濾光管的尺寸為φ15mm×140mm。諧振腔採用對稱平行平面腔。
採用最佳透過率輸出鏡，測量輸出雷射的功率，雷射器的輸出功率隨泵浦功率近線性的增加，在16kW最大電源泵浦功率時，輸出功率647W，電源泵浦功率與輸出雷射功率如圖3。採用大功率光束光斑質量診斷儀，對輸出雷射光束的功率密度進行測量，如圖4。由於雷射器輸出雷射的束腰在輸出鏡處，用透鏡聚焦輸出雷射束，採用「套孔法」測量輸出雷射光束質量，即用大功率光束光斑質量診斷儀測量透鏡聚焦束腰和焦距處包含雷射光強86％的半徑及相應距離，求得輸出雷射束的光束質量為22mm·mrad。考慮總體電光轉換效率。測量在高光束質量條件下的最高輸出功率和注入的電功率，求得雷射器的總體電光轉換效率為4％。
最後應說明的是以上實施例僅用以說明本發明而並非限制本發明所描述的技術方案；因此，儘管本說明書參照上述的各個實施例對本發明已進行了詳細的說明，但是，本領域的普通技術人員應當理解，仍然可以對本發明進行修改或等同替換；而一切不脫離實用新型的精神和範圍的技術方案及其改進，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。
權利要求
1.一種高功率燈泵浦大功率固體雷射器，其諧振腔為全反鏡(1)和部分反射耦合輸出鏡(2)構成，雷射腔(4)為全腔水冷雙燈泵浦陶瓷漫反射腔，由聚光腔(7)、雷射晶體(9)、泵浦燈(8)、濾光管(10)組成；其特徵在於所述的諧振腔的腔體中心放置雷射晶體(9)；其外套設有濾光管(10)；兩側對稱位置放置有兩根泵浦燈(8)；上述聚光腔(7)、雷射晶體(9)、泵浦燈(8)、濾光管(10)均固定在有機玻璃盒(13)內，浸泡於循環冷卻水中，上面加蓋有機玻璃盒蓋(12)，有機玻璃盒為封閉系統；循環冷卻水流經區域(11)，由進水口(5)、出水口(6)與雷射器循環冷卻系統連接；雷射腔(4)外連接兩個光闌(3)。
2.根據權利要求1所述的高功率燈泵浦大功率固體雷射器，其特徵在於所述的聚光腔(7)是由兩塊相同的氧化鋁陶瓷體構成。
3.根據權利要求1或2所述的高功率燈泵浦大功率固體雷射器，其特徵在於所述的陶瓷體表面為鍍摻氧化釤的釉層。
4.根據權利要求3所述的高功率燈泵浦大功率固體雷射器，其特徵在於所述的陶瓷體為變形的緊包結構。
5.根據權利要求1所述的高功率燈泵浦大功率固體雷射器，其特徵在於所述的諧振腔的為對稱平行平面結構。
6.根據權利要求1所述的高功率燈泵浦大功率固體雷射器，其特徵在於所述的泵浦燈(8)採用氪燈。
7.根據權利要求1所述的高功率燈泵浦大功率固體雷射器，其特徵在於所述的雷射晶體(9)採用Nd:YAG晶體，Nd:YAG晶體的摻雜濃度範圍為0.8-1.0at％。
8.根據權利要求7所述的高功率燈泵浦大功率固體雷射器，其特徵在於所述的雷射晶體(9)的鍍膜層經拋光處理。
9.根據權利要求7所述的高功率燈泵浦大功率固體雷射器，其特徵在於所述的雷射晶體(9)的直徑與前述的兩根泵浦燈(8)的直徑相近。
全文摘要
本發明公開了一種高功率燈泵浦大功率固體雷射器，其諧振腔為全反鏡和部分反射耦合輸出鏡構成，雷射腔為全腔水冷雙燈泵浦陶瓷漫反射腔，由聚光腔、雷射晶體、泵浦燈、濾光管組成；所述的諧振腔的腔體中心放置雷射晶體；其外套設有濾光管；兩側對稱位置放置有兩根泵浦燈；上述聚光腔、雷射晶體、泵浦燈、濾光管均固定在有機玻璃盒內，浸泡於循環冷卻水中，上面加蓋有機玻璃盒蓋，有機玻璃盒為封閉系統；循環冷卻水流經區域，由進水口、出水口與雷射器循環冷卻系統連接；雷射腔外連接兩個光闌。可獲得高功率輸出；光束質量高；寬的穩定區域，可調範圍大；束腰總在輸出鏡面處，有利於光纖傳輸。
文檔編號H01S3/091GK1832275SQ200610078630
公開日2006年9月13日 申請日期2006年4月29日 優先權日2006年4月29日
發明者李強, 王志敏, 于振聲, 左鐵釧 申請人:北京工業大學