專利名稱：高功率燈泵浦大功率固體激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種固體激光器，特別涉及一種高光束質(zhì)量高功率燈泵浦大功率固體激光器。
背景技術(shù)：
激光加工應(yīng)用范圍十分廣泛，目前已在機(jī)械、電子、汽車、航空航天、鋼鐵、造船、軍工等行業(yè)獲得較為廣泛的應(yīng)用，并且在國(guó)民生產(chǎn)總值中占有越來(lái)越大的比重。大功率固體激光器具有高功率輸出、波長(zhǎng)短、金屬吸收率高的優(yōu)點(diǎn)，易于光纖傳輸，不但提高了系統(tǒng)的靈活性，同時(shí)與工業(yè)機(jī)器人匹配可組裝成在線柔性制造系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)柔性加工。燈泵浦大功率固體激光器是目前工業(yè)應(yīng)用中被證明可靠的激光器，且與二極管泵浦大功率固體激光器、片狀激光器、光纖激光器相比價(jià)格相對(duì)較低。
燈泵浦大功率固體激光器工業(yè)應(yīng)用要求在保證高光束質(zhì)量的條件下，高功率激光輸出。對(duì)于燈泵浦的激光器，由于泵浦燈發(fā)射的光譜較寬，泵浦光非吸收光譜區(qū)的能量轉(zhuǎn)換為熱；熒光過(guò)程的量子效率小于1，部分光子能量散失到基質(zhì)晶格中轉(zhuǎn)換為熱；泵浦帶和熒光能級(jí)間的能量差通過(guò)無(wú)輻射躍遷散失到基質(zhì)晶格中轉(zhuǎn)換為熱，在激光棒內(nèi)引起的強(qiáng)烈的熱透鏡效應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致輸出光束質(zhì)量的降低，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成輸出功率的降低。提高激光器輸出功率和光束質(zhì)量，都?xì)w結(jié)為激光器總體效率，由于泵浦燈的光譜和效率、聚光腔的效率、激光晶體的效率不夠高，以及諧振腔結(jié)構(gòu)等因素，因而使激光器的電光轉(zhuǎn)換效率不高，只有3％，并且使輸出功率受到限制，單腔輸出功率只有400W左右。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于，通過(guò)提供一種高功率燈泵浦大功率固體激光器，改變現(xiàn)有的固體激光器的諧振腔結(jié)構(gòu)不合理，因而使激光器的電光轉(zhuǎn)換效率不高，使輸出功率受到限制的問(wèn)題。
本實(shí)用新型是采用以下技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)的。
一種高功率燈泵浦大功率固體激光器，其諧振腔為全反鏡和部分反射耦合輸出鏡構(gòu)成，激光腔為全腔水冷雙燈泵浦陶瓷漫反射腔，由聚光腔、激光晶體、泵浦燈、濾光管組成；所述的諧振腔的腔體中心放置激光晶體；其外套設(shè)有濾光管；兩側(cè)對(duì)稱位置放置有兩根泵浦燈；上述聚光腔、激光晶體、泵浦燈、濾光管均固定在有機(jī)玻璃盒，浸泡于循環(huán)冷卻水中，上面加蓋有機(jī)玻璃盒蓋，有機(jī)玻璃盒為封閉系統(tǒng)；循環(huán)冷卻水流經(jīng)區(qū)域，由進(jìn)水口、出水口與激光器循環(huán)冷卻系統(tǒng)連接；激光腔外連接兩個(gè)光闌。
前述的聚光腔是由兩塊相同的氧化鋁陶瓷體構(gòu)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(jié)構(gòu)。
前述的諧振腔的為對(duì)稱平行平面結(jié)構(gòu)。
前述的泵浦燈采用氪燈。
前述的激光晶體采用Nd:YAG晶體，Nd:YAG晶體的摻雜濃度范圍為0.8-1.0at％。
前述的激光晶體的鍍膜層經(jīng)拋光處理。
前述的激光晶體(9)的直徑與前述的兩根泵浦燈(8)的直徑相近。
本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有明顯的優(yōu)勢(shì)和有益效果。
本實(shí)用新型一種高功率燈泵浦大功率固體激光器，由于采用了以上所述的優(yōu)化設(shè)計(jì)，所以在工作時(shí)，兩根泵浦燈發(fā)出的泵浦光經(jīng)聚光腔構(gòu)成高效漫反射，再透過(guò)濾光管均勻地照射在激光晶體即Nd:YAG棒上，使激光晶體能產(chǎn)生有效、均勻的吸收，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，在全反鏡和部分反射耦合輸出鏡構(gòu)成的諧振腔內(nèi)振蕩，大功率高光束質(zhì)量的激光由部分反射耦合輸出鏡輸出。冷卻水經(jīng)區(qū)域沿泵浦燈、濾光管流過(guò)，流速大而均勻地進(jìn)行冷卻，可獲得高功率輸出；光束質(zhì)量高；寬的穩(wěn)定區(qū)域，可調(diào)范圍大；束腰總在輸出鏡面處，有利于光纖傳輸。


圖1.激光器的原理結(jié)構(gòu)圖；圖2.激光腔的原理結(jié)構(gòu)截面圖；圖3.電源泵浦功率與輸出激光功率；圖4.測(cè)量輸出激光光束的功率密度圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的具體實(shí)施例加以說(shuō)明請(qǐng)參閱圖1所示，為該激光器的原理結(jié)構(gòu)，其諧振腔為全反鏡1和部分反射耦合輸出鏡2構(gòu)成；激光腔4的結(jié)構(gòu)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、激光晶體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(gòu)成的高反射率漫反射聚光腔；腔體中心放置激光晶體9即Nd:YAG棒；其外套有濾光管10；兩側(cè)對(duì)稱放置兩根泵浦燈8；聚光腔7、激光晶體9、泵浦燈8、濾光管10均固定在有機(jī)玻璃盒13內(nèi)，浸泡于循環(huán)冷卻水中，有機(jī)玻璃盒加蓋12，使有機(jī)玻璃盒成為封閉系統(tǒng)，循環(huán)冷卻水流經(jīng)區(qū)域11，由進(jìn)水口5、出水口6與激光器循環(huán)冷卻系統(tǒng)連接；激光腔4外連接兩個(gè)光闌3。工作時(shí)，兩根泵浦燈8發(fā)出的泵浦光經(jīng)聚光腔7構(gòu)成高效漫反射，再透過(guò)濾光管10均勻地照射在激光晶體9即Nd:YAG棒上，使激光晶體9能產(chǎn)生有效、均勻的吸收，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，在全反鏡1和部分反射耦合輸出鏡2構(gòu)成的諧振腔內(nèi)振蕩，大功率高光束質(zhì)量的激光由部分反射耦合輸出鏡2輸出。冷卻水經(jīng)區(qū)域11沿泵浦燈8、濾光管10流過(guò)，流速大而均勻地進(jìn)行冷卻，冷卻水由外部的冷卻循環(huán)系統(tǒng)提供。
激光器部件的特性說(shuō)明如下聚光腔7是由兩塊相同的氧化鋁陶瓷體構(gòu)成的高反射率漫反射聚光腔，以實(shí)現(xiàn)對(duì)放置于腔體中心的激光晶體9即Nd:YAG棒均勻泵浦，腔體表面鍍摻氧化釤的釉層，來(lái)提高反射率；兩根泵浦燈8由激光電源驅(qū)動(dòng)，激光晶體9即Nd:YAG棒由泵浦燈8發(fā)出的光經(jīng)聚光腔7漫反射后泵浦，激光晶體9即Nd:YAG棒的直徑與對(duì)稱放置兩根泵浦燈8的直徑相近，激光晶體9即Nd:YAG棒的摻雜濃度與泵浦燈8的功率參數(shù)、光譜參數(shù)相匹配；激光晶體9即Nd:YAG棒外套的濾光玻璃管10濾除波長(zhǎng)長(zhǎng)于1064nm的紅外光和小于310nm的紫外光；聚光腔7、激光晶體9、泵浦燈8、濾光管10的長(zhǎng)度相匹配。諧振腔采用對(duì)稱平行平面腔，其優(yōu)點(diǎn)為大的模體積，可獲得高功率輸出；光束質(zhì)量高；寬的穩(wěn)定區(qū)域，可調(diào)范圍大；束腰總在輸出鏡面處，有利于光纖傳輸。
激光器輸出功率和光束質(zhì)量，都?xì)w結(jié)為激光器效率。燈泵浦YAG激光器的效率涉及泵浦燈的光譜和效率、聚光腔的效率、激光晶體的效率和諧振腔結(jié)構(gòu)等因素，在激光器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，綜合考慮了激光器件的這些因素，具體采取了以下措施(1)聚光腔的形狀、結(jié)構(gòu)和材料經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，聚光腔采用陶瓷漫反射體，陶瓷體表面上特殊釉層，陶瓷體對(duì)增益介質(zhì)吸收波段的反射率大于97％，對(duì)400nm以下的短波熒光轉(zhuǎn)換到的增益介質(zhì)吸收波段，形狀設(shè)計(jì)既考慮高的泵浦效率，又考慮對(duì)增益介質(zhì)泵浦的均勻性，采用變形的緊包結(jié)構(gòu)。(2)泵浦燈采用氪燈，泵浦燈的光譜參數(shù)和燈管的材料經(jīng)優(yōu)化，即氪燈的氣體組份和氣壓根據(jù)最大泵浦電流和發(fā)光光譜優(yōu)化，并考慮發(fā)光效率，氪燈的燈管采用摻鈰特殊材料的石英玻管，對(duì)小于310nm的紫外光吸收。(3)激光晶體的參數(shù)和鍍膜經(jīng)優(yōu)化，激光晶體采用Nd:YAG晶體，Nd:YAG晶體的摻雜濃度范圍為0.8-1.0at％，激光棒的鍍膜層經(jīng)過(guò)后續(xù)拋光處理，以保證高功率的高損傷閾值。(4)聚光腔的冷卻經(jīng)優(yōu)化。(5)為改善因反射鏡熱變形采用強(qiáng)制冷卻方式對(duì)反射鏡強(qiáng)制冷卻。
聚光腔由兩塊相同氧化鋁陶瓷體構(gòu)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。棱角為R1mm-R1.5mm，形狀尺寸與位置公差為0.1mm。激光晶體Nd:YAG的尺寸為φ9mm×155mm，泵浦燈為φ8mm×150mm的氪燈，采用雙燈泵浦，電源的最大泵浦功率為16kW。濾光管的尺寸為φ15mm×140mm。諧振腔采用對(duì)稱平行平面腔。
采用最佳透過(guò)率輸出鏡，測(cè)量輸出激光的功率，激光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(shí)，輸出功率647W，電源泵浦功率與輸出激光功率如圖3。采用大功率光束光斑質(zhì)量診斷儀，對(duì)輸出激光光束的功率密度進(jìn)行測(cè)量，如圖4。由于激光器輸出激光的束腰在輸出鏡處，用透鏡聚焦輸出激光束，采用“套孔法”測(cè)量輸出激光光束質(zhì)量，即用大功率光束光斑質(zhì)量診斷儀測(cè)量透鏡聚焦束腰和焦距處包含激光光強(qiáng)86％的半徑及相應(yīng)距離，求得輸出激光束的光束質(zhì)量為22mm·mrad?？紤]總體電光轉(zhuǎn)換效率。測(cè)量在高光束質(zhì)量條件下的最高輸出功率和注入的電功率，求得激光器的總體電光轉(zhuǎn)換效率為4％。
最后應(yīng)說(shuō)明的是以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本實(shí)用新型而并非限制本實(shí)用新型所描述的技術(shù)方案；因此，盡管本說(shuō)明書(shū)參照上述的各個(gè)實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型已進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，但是，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，仍然可以對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行修改或等同替換；而一切不脫離實(shí)用新型的精神和范圍的技術(shù)方案及其改進(jìn)，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求1.一種高功率燈泵浦大功率固體激光器，其諧振腔為全反鏡(1)和部分反射耦合輸出鏡(2)構(gòu)成，激光腔(4)為全腔水冷雙燈泵浦陶瓷漫反射腔，由聚光腔(7)、激光晶體(9)、泵浦燈(8)、濾光管(10)組成；其特征在于所述的諧振腔的腔體中心放置激光晶體(9)；其外套設(shè)有濾光管(10)；兩側(cè)對(duì)稱位置放置有兩根泵浦燈(8)；上述聚光腔(7)、激光晶體(9)、泵浦燈(8)、濾光管(10)均固定在有機(jī)玻璃盒(13)內(nèi)，浸泡于循環(huán)冷卻水中，上面加蓋有機(jī)玻璃盒蓋(12)，有機(jī)玻璃盒為封閉系統(tǒng)；循環(huán)冷卻水流經(jīng)區(qū)域(11)，由進(jìn)水口(5)、出水口(6)與激光器循環(huán)冷卻系統(tǒng)連接；激光腔(4)外連接兩個(gè)光闌(3)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率燈泵浦大功率固體激光器，其特征在于所述的聚光腔(7)是由兩塊相同形狀的氧化鋁陶瓷體構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率燈泵浦大功率固體激光器，其特征在于所述的陶瓷體為變形的緊包結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率燈泵浦大功率固體激光器，其特征在于所述的諧振腔的為對(duì)稱平行平面結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率燈泵浦大功率固體激光器，其特征在于所述的泵浦燈(8)采用氪燈。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率燈泵浦大功率固體激光器，其特征在于所述的激光晶體(9)的直徑與前述的兩根泵浦燈(8)的直徑相近。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種高功率燈泵浦大功率固體激光器，其諧振腔為全反鏡和部分反射耦合輸出鏡構(gòu)成，激光腔為全腔水冷雙燈泵浦陶瓷漫反射腔，由聚光腔、激光晶體、泵浦燈、濾光管組成；所述的諧振腔的腔體中心放置激光晶體；其外套設(shè)有濾光管；兩側(cè)對(duì)稱位置放置有兩根泵浦燈；上述聚光腔、激光晶體、泵浦燈、濾光管均固定在有機(jī)玻璃盒內(nèi)，浸泡于循環(huán)冷卻水中，上面加蓋有機(jī)玻璃盒蓋，有機(jī)玻璃盒為封閉系統(tǒng)；循環(huán)冷卻水流經(jīng)區(qū)域，由進(jìn)水口、出水口與激光器循環(huán)冷卻系統(tǒng)連接；激光腔外連接兩個(gè)光闌?？色@得高功率輸出；光束質(zhì)量高；寬的穩(wěn)定區(qū)域，可調(diào)范圍大；束腰總在輸出鏡面處，有利于光纖傳輸。
文檔編號(hào)H01S3/091GK2899202SQ200620113290
公開(kāi)日2007年5月9日 申請(qǐng)日期2006年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月29日
發(fā)明者李強(qiáng), 王志敏, 于振聲, 左鐵釧 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)