一種用於金屬雷射毛化的全固態雷射器的製作方法
2023-12-06 16:45:41 1
專利名稱：一種用於金屬雷射毛化的全固態雷射器的製作方法
一種用於金屬雷射毛化的全固態雷射器技術領域
本發明是一種二極體泵浦的全固態雷射器的結構及應用，特別涉及一種適用於金 屬表面毛化處理的高功率、高光束質量全固態雷射器的結構及應用。
背景技術：
雷射毛化是鋼鐵工業為了生產優質鋼板而發展起來的冷軋鋼輥毛化技術。中科 院力學研究所自1990年起便開始研究雷射毛化技術，例如中國專利號ZL92113223.9，名 稱「高重頻調製多脈衝YAG雷射刻花系統及加工方法」；中國專利號ZL94220848.X，名稱 「用於軋輥表面毛化的雷射加工設備」。該設備採用高能量密度、高重複頻率的燈泵摻釹釔 鋁石榴石晶體(Nd:YAG)雷射器為毛化光源進行螺旋掃描，當雷射束聚焦照射至軋輥表面， 形成若干一定形貌的微小熔池；光脈衝作用停止後，微坑熔融物迅速冷卻，形成表面硬化的 微坑和坑邊凸臺結構。
但是目前為止，雷射毛化裝置都是採用燈泵YAG雷射器為光源，它的缺點是受氙 燈壽命限制，設備在生產中的維護周期較短；另外，由於氙燈作為光源時雷射晶體熱效應明 顯，因此，不但電光效率較低，重要的是雷射束光束質量受到極大限制。然而，當前隨著國內 汽車、家電和機械製造業等的蓬勃發展，對高質量鋼板的表面粗糙度均勻性和毛化密度要 求越來越高，這就要求雷射器輸出光束除了具有高功率外，還同時具有高的光束質量。一些 新產品要求雷射毛化密度要達到> 70點/_2，這是常規燈泵YAG雷射器難以實現的。發明內容
本發明為了解決上述在先技術中的困難，設計了一種全固態雷射毛化雷射器。一 種雷射毛化用全固態雷射器，包括雷射直流電源、Q開關驅動器、水冷機；還包括全固態毛 化雷射裝置，所述全固態毛化雷射裝置包括，同光軸依次串聯在一起的全反射鏡，雷射發生 裝置，光電門和雷射輸出鏡和雷射功率檢測裝置。
進一步，所述雷射發生裝置包括，同光軸依次串聯的45°旋光器，聲光Q開關，二 極管雷射側面泵浦雷射模塊。
進一步，所述雷射發生裝置包括，同光軸依次串聯的聲光Q開關，兩個二極體雷射 側面泵浦雷射模塊，在所述兩個二極體雷射側面泵浦雷射模塊之間還同光軸串聯有90°旋 光器。
進一步，所述二極體雷射側面泵浦雷射模塊為全固態，採用離子摻雜濃度< 0. 7% 和直徑< 5mm的雷射晶體，採用雷射二極體三維或五維的對稱側面泵浦結構。
進一步，所述二極體雷射側面泵浦雷射模塊中雷射晶體的主平面到諧振腔鏡的距 離，等於將雷射二極體功率加至最高時雷射晶體產生的熱透鏡焦距。
進一步，所述光電門可隨時開啟或關斷雷射器的運轉；擴束鏡和雷射功率監測裝 置依據毛化設備具體需要設計。
進一步，所述聲光Q開關對雷射束進行波形調製，通過控制波形形貌達到控制毛化點形貌的目的。
進一步，所述兩個雷射模塊完全相同，兩雷射晶體的主平面間的距離，等於將雷射 二極體功率加至最高時雷射晶體產生的熱透鏡焦距的二倍。
進一步，所述二極體雷射側面泵浦雷射模塊採用雷射二極體側面泵浦固體雷射介 質，雷射介質可以是Nd YAG晶體、Nd GGG晶體、Nd GdV04晶體或％ YAG晶體。
本發明採用雷射二極體(LD)為泵浦源的雷射模塊串接結構，採用小尺寸、低摻雜 濃度的雷射晶體，結合熱致雙折射補償和熱近非穩腔技術，使得輸出光束同時獲得高功率 與高光束質量。採用該雷射器作為毛化設備的光源，實現對毛化軋輥精密度的提高，有利於 低粗糙度、高密度、高均勻度優質汽車、家電板的國產化。
圖1為本發明雷射器構成方框圖2為本發明雷射器的一種結構光路示意圖3為本發明雷射器的另一種結構光路示意圖4為雷射晶體處光斑半徑隨熱透鏡變化曲線；
圖5為本發明雷射器示例獲得的雷射輸出功率曲線。
具體實施方式
實施例1
圖1為本發明所公開的一種用於金屬雷射毛化用全固態雷射器的結構方框圖，該 雷射器包括雷射直流電源A、Q開關驅動器B、全固態毛化雷射裝置C和水冷機D。其中全固 態毛化雷射裝置C的具體結構如圖2所示，包括全反射鏡1，雷射輸出鏡2，90°旋光器8， 聲光Q開關4，兩個二極體雷射側面泵浦雷射模塊5、9，光電門6，擴束鏡和雷射功率監測裝 置7，其中全反射鏡1、雷射輸出鏡2構成諧振腔；90°旋光器8，聲光Q開關4，兩個二極體 雷射側面泵浦雷射模塊5、9構成雷射發生裝置。聲光Q開關4、二極體雷射側面泵浦雷射 模塊5、90°旋光器8、二極體雷射側面泵浦雷射模塊9、光電門6以同光軸、串聯的方式依 次設置在諧振腔內，擴束鏡和雷射功率監測裝置7設置在諧振腔輸出段外側。二極體雷射 側面泵浦雷射模塊5、9，為兩個相同的二極體雷射側面泵浦雷射模塊；其功率為300W ；採用 LD五維對稱、側面泵浦Nd:YAG晶體，每個二極體雷射側面泵浦雷射模塊採用30個雷射二極 管列陣，每個二極體列陣最大輸出功率為40W ；Nd:YAG晶體長140mm，直徑為5mm，摻雜濃度 為0. 6%。兩個二極體雷射側面泵浦雷射模塊中的串接的兩個Nd:YAG棒為姊妹棒，中間放 置90°石英晶體旋光片，從而實現了雷射器有效的雙折射補償，使得徑向和切向偏振分量 具有相同的位相遲滯。全反射鏡採用平平鏡，部分輸出耦合鏡，即圖中的雷射輸出鏡2也為 平平鏡，對1064nm雷射透過率為40%，雷射器採用對稱平平腔結構。採用非穩腔法精確分 別測得每一個雷射棒，即兩個Nd: YAG棒為姊妹棒，產生的熱焦距之後，根據雷射穩定性條 件，設計諧振腔長，使兩個端鏡全反射鏡1和擴束鏡、分別到最近的兩個二極體雷射側面泵 浦雷射模塊5、9端面的距離相等，均等於將雷射二極體激勵電流加至最高32A時，雷射晶體 產生的熱透鏡焦距175mm，兩雷射晶體的主平面間的距離等於350mm，也就是說，等於將二 極管雷射側面泵浦雷射模塊中的雷射二極體功率加至最高時雷射晶體產生的熱透鏡焦距的二倍，兩個為姊妹棒的雷射晶體主平面互相成像於對方的主平面上，使得徑向和切向偏 振分量具有相同的位相遲滯，從而實現了雷射器有效的雙折射補償。此時，雷射腔以「熱近 非穩腔」模式運行，在這種運轉模式下，Nd:YAG棒的自限模作用大大提高了雷射光束質量。 圖5顯示了該雷射器在實驗室獲得的連續功率輸出曲線。在最高輸出功率623W時，雷射光 束質量因子M2 < 10。
實施例2:
如圖2中所示，實施例2的雷射器包括全反射鏡1、雷射輸出鏡2、45°旋光器3， 聲光Q開關4，二極體雷射側面泵浦雷射模塊5，光電門6 ；擴束鏡和雷射功率監測裝置7。 其中全反射鏡1、雷射輸出鏡2構成諧振腔，45°旋光器3，聲光Q開關4，二極體雷射側面泵 浦雷射模塊5構成雷射發生裝置。並且45°旋光器3，聲光Q開關4，二極體雷射側面泵浦 雷射模塊5，光電門6 ；以同光軸，串聯的方式依次設置在諧振腔內，擴束鏡和雷射功率監測 裝置7設置在諧振腔輸出段外側。二極體雷射側面泵浦雷射模塊5為全固態，採用低摻雜 濃度離子摻雜濃度< 0. 7%和小孔徑尺寸直徑< 5mm的雷射晶體，採用雷射二極體三維 或五維的對稱側面泵浦結構。45°旋光器3，為45°法拉第旋光器；用來雷射晶體的補償熱 致雙折射效應在雷射模塊5和全反射鏡1中間放置45°旋光器3，並且雷射模塊5中雷射 晶體的主平面到諧振腔鏡的距離，等於將雷射二極體功率加至最高時雷射晶體產生的熱透 鏡焦距。則雷射晶體主平面全反鏡成像於自身，當雷射往返通過45°旋光器3後，徑向和切 向偏振光有相同的相位延遲，從而補償熱致雙折射效應。光電門6可隨時開啟或關斷雷射 器的運轉；擴束鏡和雷射功率監測裝置7依據毛化設備具體需要設計。聲光Q開關4對激 光束進行波形調製，通過控制波形形貌達到控制毛化點形貌的目的。
本發明的雷射器結構是在由全反鏡1和輸出鏡2構成的雷射諧振腔中，同光軸的 置有光電門3，一個或兩個二極體雷射側面泵浦雷射模塊5 (以及9)，聲光Q開關4，旋光器 3(或8)；輸出諧振腔鏡外置有擴束鏡和雷射功率監測裝置7。其中雷射模塊5和9均為全 固態，且性能完全相同，其中利用雷射二極體為泵浦光源，採用三維或五維結構從側面對稱 泵浦雷射晶體，
通過合理設計雷射二極體距離雷射晶體的間距，提高二極體的泵浦效率以及雷射 晶體內增益的均勻性。而且所使用的雷射晶體幾何形狀、外形尺寸、摻雜濃度、光學等級完 全相同。由於採用較低摻雜濃度的雷射晶體可以獲得更均勻的泵浦增益分布，從而減小了 雷射晶體的熱效應，包括熱透鏡效應、熱致雙折射效應與熱退偏效應。因此，本發明使用摻 雜濃度較低例如離子摻雜濃度< 0. 7%，的雷射晶體，可以在保持輸出功率基本不變的基 礎上獲得更高的光束質量。同時，本發明採用的雷射晶體孔徑尺寸小，例如棒狀晶體通常 直徑< 5mm，在設計雷射腔結構時，要求當雷射器工作時，雷射介質上的基模體積儘可能的 大，則此時雷射晶體相當於一個自選模器件，這樣一方面增大了有效模體積，另一方面可利 用雷射介質本身的橫向尺寸起到限模光闌的作用，從而抑制了高階模式，獲得低階模輸出， 進一步提高振蕩雷射的光束質量。
本發明為了提高雷射輸出功率，採用了熱致雙折射補償措施。補償熱致雙折射效 應的基本思想是通過某種方式使得通過兩個相同的或者是同一個雷射晶體截面上每一點 的徑向和切向偏振輻射都獲得相等的位相遲滯，就可以達到減小退偏損耗的目的；同時使 得兩個偏振光的穩定區相互重合，以達到提高泵浦功率最終提高輸出功率的目的。如附圖2所示，當兩個性能完全相同的雷射模塊5和9串接時，在中間放置90°旋光片8，並且兩激 光晶體的主平面間的距離，等於將雷射二極體功率加至最高時雷射晶體產生的熱透鏡焦距 的二倍，兩個互為姊妹棒的雷射晶體主平面互相成像於對方的主平面，使得徑向和切向偏 振分量具有相同的位相遲滯，從而實現了雷射器有效的雙折射補償。又如附圖3所示，在激 光模塊5和全反射鏡1中間放置45°旋光器3，並且雷射模塊5中雷射晶體的主平面到諧 振腔鏡的距離，等於將雷射二極體功率加至最高時雷射晶體產生的熱透鏡焦距。則雷射晶 體主平面全反鏡成像於自身，當雷射往返通過45°法拉第旋光器3後，徑向和切向偏振光 有相同的相位延遲，從而補償熱致雙折射效應。
本發明雷射腔採用「熱近非穩腔結構」，能夠緩解高功率與高光束質量這對矛盾。 利用ABCD傳播矩陣，對雷射晶體處光斑半徑隨熱透鏡變化的關係進行了數值模擬，得到了 如圖4中所示開口向上的U型曲線，並由圖4中分析可知，當雷射器運行於穩定性曲線邊緣 時，基模體積增大，可以期望得到較好的光束質量，同時運轉於此處，雷射晶體熱透鏡很短， 表明雷射二極體泵浦功率可以加至最大。可見熱近非穩腔結構可以充分利用雷射介質的自 限模作用，同時又可以使得雷射二極體泵浦功率加到最大，因而在保證輸出雷射功率的前 提下，充分利用了熱透鏡效應，保證了雷射光束質量，具有其獨特的優點。
本發明的全固態雷射器可用於對金屬表面進行雷射毛化生產，主要應用於毛化裝 備進行軋輥雷射毛化生產。該雷射器性能穩定，易於維護。首先雷射模塊為真正模塊化結 構，當使用壽命已至，直接更換新的模塊即可，中間無任何維護工作。通過聲光Q開關在對 雷射束進行波形調製的同時，控制波形形貌，達到控制毛化點形貌的目的。在毛化生產中， 光電門可隨時控制雷射器的運行。依據具體毛化設備，定製專門的擴束裝置，以便於毛化 設備中雷射束的傳輸。同時，為了監測雷射器的穩定性，雷射器同時配備雷射功率監測裝 置。另外，本發明雷射器採取了相應保護措施保證實現實用化選用具有高損傷閾值的光學 元件，全腔光學元件均採用水冷，依靠機械設計保證雷射器及其光路系統工作環境穩定、清 潔、乾燥，增加冷卻水水壓過低保護和突發事件急停裝置。
綜上所述，本發明雷射器採用多種措施保證輸出光束同時獲得高功率與高光束質 量。首先本發明採用的雷射模塊具有獨特優點，用雷射二極體代替氙燈作為泵浦光源，大大 提高光源利用效率，從而減少雷射晶體熱效應，大大提高了泵浦功率最終提高輸出功率，同 時降低廢熱損耗，提高電能利用效率，減少損耗；本發明採用雷射晶體為低摻雜濃度，可以 獲得均勻的增益分布，從而在保持輸出功率基本不變的基礎上獲得更高的光束質量；本發 明採用的雷射晶體孔徑尺寸小，則雷射晶體本身相當於一個自選模器件，從而抑制了高階 模式，提高振蕩雷射的光束質量。另外，本發明利用熱致雙折射補償措施，使得同一個雷射 晶體截面上每一點的徑向和切向偏振輻射都獲得相等的位相遲滯，以達到減小退偏損耗的 目的；同時使得兩個偏振光的穩定區相互重合，最終達到提高泵浦功率最終提高輸出功率 的目的。最後，本發明雷射腔採用「熱近非穩腔結構」，能夠緩解高功率與高光束質量這對矛 盾，充分利用雷射介質的自限模作用的同時，又使得雷射二極體泵浦功率加到最大，因而在 保證輸出雷射功率的前提下，充分利用了熱透鏡效應，保證了雷射光束質量，具有其獨特的 優點。所以，採用本發明雷射器作為毛化設備的光源，可以實現對毛化軋輥精密度的提高， 可應用於低粗糙度、高密度、高均勻度優質汽車、家電板的毛化。
權利要求
1.一種雷射毛化用全固態雷射器，包括雷射直流電源、Q開關驅動器、水冷機；其特徵 為，還包括全固態毛化雷射裝置，所述全固態毛化雷射裝置包括，同光軸依次串聯在一起的 全反射鏡，雷射發生裝置，光電門和雷射輸出鏡和雷射功率檢測裝置。
2.根據權利要求1所述的全固態雷射器，其特徵為，所述雷射發生裝置包括，同光軸依 次串聯的45°旋光器，聲光Q開關，二極體雷射側面泵浦雷射模塊。
3.根據權利要求1所述的全固態雷射器，其特徵為，所述雷射發生裝置包括，同光軸依 次串聯的聲光Q開關，兩個二極體雷射側面泵浦雷射模塊，在所述兩個二極體雷射側面泵 浦雷射模塊之間還同光軸串聯有90°旋光器。
4.根據權利要求2和3所述的全固態雷射器，其特徵為，所述二極體雷射側面泵浦雷射 模塊為全固態，採用離子摻雜濃度< 0. 7%和直徑< 5mm的雷射晶體，採用雷射二極體三維 或五維的對稱側面泵浦結構。
5.根據權利要求2所述的全固態雷射器，其特徵為，所述二極體雷射側面泵浦雷射模 塊中雷射晶體的主平面到諧振腔鏡的距離，等於將雷射二極體功率加至最高時雷射晶體產 生的熱透鏡焦距。
6.根據權利要求2和3所述的全固態雷射器，其特徵為，所述光電門可隨時開啟或關斷 雷射器的運轉；擴束鏡和雷射功率監測裝置依據毛化設備具體需要設計。
7.根據權利要求1所述的全固態雷射器，其特徵為，所述聲光Q開關對雷射束進行波形 調製，通過控制波形形貌達到控制毛化點形貌的目的。
8.根據權利要求3所述的全固態雷射器，其特徵為，所述兩個雷射模塊完全相同，兩激 光晶體的主平面間的距離，等於將雷射二極體功率加至最高時雷射晶體產生的熱透鏡焦距 的二倍。
9.根據權利要求2和3所述的全固態雷射器，其特徵為，所述二極體雷射側面泵浦雷射 模塊採用雷射二極體側面泵浦固體雷射介質，雷射介質可以是Nd:YAG晶體、NdiGGG晶體、 Nd GdV04晶體或％ YAG晶體。
全文摘要
一種雷射毛化用全固態雷射器，包括雷射直流電源、Q開關驅動器、水冷機和全固態毛化雷射裝置，所述全固態毛化雷射裝置包括，同光軸依次串聯在一起的全反射鏡，雷射發生裝置，光電門和雷射輸出鏡和雷射功率檢測裝置適用於高質量金屬表面的毛化處理。本發明中的雷射器採用小尺寸、低摻雜濃度雙棒串接和熱致雙折射補償裝置，結合熱近非穩腔設計，巧妙化解高功率與高光束質量這對矛盾。與先前技術相比，本發明的全固態雷射毛化雷射器光束能量密度高、發散角小，能夠提高雷射毛化密度，雷射模塊壽命長、維護方便。
文檔編號H01S3/23GK102035126SQ20101054012
公開日2011年4月27日 申請日期2010年11月10日 優先權日2010年11月10日
發明者任志遠, 楊明江, 耿愛叢, 覃志康, 邵鑫 申請人:中國科學院力學研究所