專利名稱：激光振蕩器和激光加工設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及一種利用高次諧波激光束進(jìn)行激光加工的激光加工 設(shè)備，更具體地，本發(fā)明涉及一種在光諧振器中從基波激光束產(chǎn)生高次諧波 激光束的激光振蕩器以及一種具有該激光振蕩器的激光加工設(shè)備。
背景技術(shù)：
最近利用頻率為YAG基波的頻率的N倍(N表示等于或大于2的整數(shù)) 的高次諧波進(jìn)行加工已經(jīng)得到關(guān)注。例如，已經(jīng)廣泛使用第二高次諧波的可 見光激光器(綠色激光器)來加工金屬，例如銅和金，其中第二高次諧波的波 長為YAG基波波長(1064 nm)的一半(532nm)。 YAG第二高次諧波激光束顯 示出對銅和金具有良好的吸收率，從而能夠以基波激光束的吸收率的4.5-20 倍的吸收率對銅基或金基的工件進(jìn)行加工。本申請人已經(jīng)公開了日本專利申請?jiān)缙诠_公報(bào)No.2005-209965的激 光焊接設(shè)備。根據(jù)該激光焊接設(shè)備，激活介質(zhì)和非線性光學(xué)晶體(KTP晶體) 在光學(xué)諧振器中的光路上排列成直線，激活介質(zhì)被光學(xué)泵浦，以產(chǎn)生基波激 光束，該基波激光束入射在(即，光學(xué)耦合到)非線性光學(xué)晶體上以產(chǎn)生激光 束。該激光焊接設(shè)備具有反饋控制機(jī)構(gòu)，該反饋控制機(jī)構(gòu)使第二高次諧波激 光束的輸出匹配基準(zhǔn)值或基準(zhǔn)波形。即使光學(xué)諧振器中的單元由于與時(shí)間有 關(guān)的原因而略微惡化或在光學(xué)對準(zhǔn)方面產(chǎn)生位移，該反饋控制機(jī)構(gòu)也能起作用以能將具有期望激光能量的第二高次諧波激光束發(fā)射到工件上。本申請人還公開了日本專利申請?jiān)缙诠_公報(bào)No.2004-214674的高次 諧波激光設(shè)備。根據(jù)該高次諧波激光設(shè)備，光學(xué)諧振器中結(jié)合有光學(xué)透鏡， 該光學(xué)透鏡將基波激光束會聚并發(fā)射到非線性光學(xué)晶體的一個(gè)刻面(facet) 上。該高次諧波激光設(shè)備補(bǔ)償了激光束的發(fā)散，以增加從基波轉(zhuǎn)化為第二高 次諧波的效率。工銅、金等激光加工場合的擴(kuò)展/發(fā)展有很大貢獻(xiàn)。但是在激光輸出方面仍存在問題。具體地，當(dāng)用低輸入功率進(jìn)行單一振蕩時(shí)，振蕩效率下降，這導(dǎo)致 在精確焊接等領(lǐng)域中需要更高的激光輸出。用作激活介質(zhì)的YAG棒在受到光學(xué)激勵(lì)(激光振蕩期間)發(fā)生熱膨"長，從 而由于所謂的熱透鏡效應(yīng)而用作凸透鏡。這使得基波激光束的輸出不穩(wěn)定， 結(jié)果導(dǎo)致第二高次諧波激光束的輸出不穩(wěn)定。即使用功率反饋控制機(jī)構(gòu)也很 難補(bǔ)償此類激光輸出波動，這是因?yàn)?，為了補(bǔ)償激光輸出的降低而增加激光 輸出使得熱透鏡效應(yīng)的影響更加強(qiáng)烈。發(fā)明內(nèi)容為解決傳統(tǒng)技術(shù)的上述問題構(gòu)想出本發(fā)明，因此本發(fā)明的目的是提供一 種實(shí)現(xiàn)激光振蕩效率的進(jìn)一步提高和高次諧波激光束的更高輸出以提高加 工能力的激光振蕩器和激光加工設(shè)備。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的激光振蕩器包括光學(xué)諧振器，具有在光 學(xué)上彼此相對布置的第一和第二終端鏡；激活介質(zhì)，設(shè)置在光學(xué)諧振器的光非線性光學(xué)晶體，切割成II型相位匹配，在光學(xué)諧振器的光路上設(shè)置成接近 第一終端鏡，以產(chǎn)生頻率為基波激光束的頻率的N(N表示等于或大于2的整 數(shù))倍的高次諧波激光束；光學(xué)透鏡，在光學(xué)諧振器的光路上設(shè)置成跨過非 線性光學(xué)晶體與第一終端鏡隔開約等于焦距的距離，使得光學(xué)透鏡的焦點(diǎn)位 于第一終端鏡的反射表面附近；1/4波長板，在光學(xué)諧振器的光路上設(shè)置在 激活介質(zhì)與第二終端鏡之間；以及高次諧波分離/輸出鏡，設(shè)置在光學(xué)諧振器 的光路上，以從光學(xué)諧振器提取高次諧波激光束。在本發(fā)明中，高次諧波激光束等同于例如具有第二高次諧波(波長為 532nm)的頻率、第三高次諧波(波長為266nm)的頻率、或比這些頻率高的頻 率的激光束。在上述構(gòu)造中，1/4波長板設(shè)置在光學(xué)諧振器中。這使得尋常光與非常 光之間的功率比相對于切割成II型相位匹配的非線性光學(xué)晶體穩(wěn)定。光學(xué)透 鏡的焦點(diǎn)被確定為位于第一終端鏡的反射表面附近，光學(xué)透鏡設(shè)置成跨過非 線性光學(xué)晶體與第一終端鏡的反射表面隔開約等于焦距的距離。這將非線性 光學(xué)晶體光學(xué)地耦合成光學(xué)諧振器的基本振型，同時(shí)防止了基波長的光束在 第一終端鏡的反射表面處的散射損失，從而充分地限制了光學(xué)諧振器中的基波長光束，以提高基波的放大系數(shù)從而提高激光轉(zhuǎn)換效率。以此方式，在光學(xué)諧振器中設(shè)置1/4波長板并將光學(xué)透鏡的焦點(diǎn)確定為位于第一終端鏡的反射表面附近，以加強(qiáng)基本振型與非線性光學(xué)晶體之間的光學(xué)耦合，這帶來了 協(xié)同效應(yīng)，使高次諧波激光束產(chǎn)生的輸出功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過常規(guī)的高次諧波激光束。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選方面，光學(xué)透鏡使從激活介質(zhì)傳播來的基波激光束基 本上會聚為平行光，并使會聚的基波激光束通過非線性光學(xué)晶體以聚焦在焦 點(diǎn)上。光學(xué)透鏡然后將被第一終端鏡反射為輻射展開光并通過非線性光學(xué)晶 體傳播到光學(xué)透鏡的基波激光束準(zhǔn)直成平行光。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選方面，光學(xué)透鏡的焦點(diǎn)被確定為位于朝向光學(xué)透鏡與第一終端鏡的反射表面隔開5mm或更小(更優(yōu)選地，為約2mm)的距離的位 置。以此方式，適當(dāng)?shù)厥构鈱W(xué)透鏡的焦點(diǎn)的位置從第一終端鏡的反射表面朝 光學(xué)透鏡移位，可靠地防止了基波激光束的能量燒壞光學(xué)透鏡這種不期望的現(xiàn)象。根據(jù)本發(fā)明的另 一優(yōu)選方面，高次諧波分離/輸出鏡設(shè)置在激活介質(zhì)與光 學(xué)透鏡之間，使得高次諧波分離/輸出鏡相對于光學(xué)諧振器的光路傾斜給定角 度。本發(fā)明的光學(xué)諧振器具有高次諧波分離/輸出鏡以及兩個(gè)終端鏡布置在一 直線上的直線布置構(gòu)造，但也可以具有這三個(gè)反射鏡分別布置在三角形的三 個(gè)頂點(diǎn)的三角形布置構(gòu)造。直線布置構(gòu)造中的高次諧波分離/輸出鏡對高次諧 波是HR(高度反射)的，對基波是AR(抗反射可透過)的。本發(fā)明的激光加工設(shè)備包括本發(fā)明的激光振蕩器；和激光發(fā)射單元， 所述激光發(fā)射單元將從激光振蕩器的高次諧波分離/輸出鏡提取的高次諧波 激光束會聚并發(fā)射到工件上。具有了本發(fā)明的激光振蕩器，本發(fā)明的激光加工設(shè)備大大提高了利用高 輸出功率的高次諧波激光束進(jìn)行激光加工的能力。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選方面，激光加工設(shè)備還包括反射鏡，使從高次諧波 分離/輸出鏡提取的高次諧波激光束的光路偏折給定角度；光纖，將高次諧波 激光束從反射鏡傳輸?shù)郊す獍l(fā)射單元；入射單元，設(shè)置在反射鏡與光纖之間，該入射單元將來自反射鏡的高次諧波激光束聚焦并發(fā)射到光纖的入射刻面(incident facet)上；和反射角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，調(diào)節(jié)高次諧波激光束在反射鏡處 的反射方向。根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選方面，激勵(lì)單元包括激勵(lì)光產(chǎn)生單元，產(chǎn)生用 于對激活介質(zhì)進(jìn)行光學(xué)泵浦的激勵(lì)光；激光電源單元，向激勵(lì)光產(chǎn)生單元提 供用于產(chǎn)生激勵(lì)光的電力；和控制單元，控制從激光電源單元向激勵(lì)光產(chǎn)生 單元提供的電力。當(dāng)通過振蕩而輸出脈沖激光時(shí)，激光電源單元可具有直 流電源單元，輸出直流電力；和開關(guān)元件，連接在直流電源單元與激勵(lì)光產(chǎn) 生單元之間，并且激光電源單元使開關(guān)元件在脈沖周期期間以高頻進(jìn)行開關(guān) 操作，從而向激勵(lì)光產(chǎn)生單元提供脈沖波形形式的電力。激光加工設(shè)備可包括反饋控制機(jī)構(gòu)，該反饋控制機(jī)構(gòu)具有測量高次諧波 激光束的激光輸出的高次諧波激光輸出測量單元；以及控制單元，該控制單 元控制開關(guān)元件的開關(guān)操作以使激光輸出測量值與基準(zhǔn)值或基準(zhǔn)波形相匹 配。在該情況下，如上所述，1/4波長板起到穩(wěn)定由基波長光束得到的自然 偏振波(S波和P波)之間的相位差和尋常光與非常光之間的功率比的作用。 這允許進(jìn)行線性功率反饋控制，從而使高次諧波激光束的輸出更穩(wěn)定且與基 準(zhǔn)值或基準(zhǔn)波形的匹配更加準(zhǔn)確。根據(jù)本發(fā)明的激光振蕩器，上述構(gòu)造和操作實(shí)現(xiàn)了激光振蕩器效率和高 次諧波激光束的更高輸出方面的進(jìn)一 步提高。根據(jù)本發(fā)明的激光加工設(shè)備， 上述構(gòu)造和操作提高了高次諧波激光束的加工能力。


圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的激光加工設(shè)備的構(gòu)造圖； 圖2是所述實(shí)施例的光學(xué)諧振器中的光學(xué)透鏡的構(gòu)造和操作的示圖； 圖3是比較示例的光學(xué)諧振器中的光學(xué)透鏡的構(gòu)造和操作的示圖； 圖4是示出所述實(shí)施例的激光加工設(shè)備表現(xiàn)出的時(shí)間/激光功率特性的 示圖；圖5是示出所述實(shí)施例的激光加工設(shè)備表現(xiàn)出的激勵(lì)電流/振蕩效率特 性的示圖；和圖6是根據(jù)本發(fā)明另 一實(shí)施例的激光加工設(shè)備的構(gòu)造圖。
具體實(shí)施方式
現(xiàn)在將參照附圖描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。圖1示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的激光加工設(shè)備的構(gòu)造。該激光加工i殳備構(gòu)造成利用綠色激光束(波長為532 nm的第二高次諧波)以長脈沖(脈寬為10ps 或更高， 一般為l-3ms)的形式對主要由銅或金制成的工件W進(jìn)行激光加工 (例如，激光焊接)的綠色激光加工器。激光加工設(shè)備的激光振蕩器10包括一對終端鏡12和14，直的光路位于 終端鏡12和14之間，該激光振蕩器IO還包括在終端鏡12和14之間的光 路上以給定間隔從左向右(圖1中)排列成直線的1/4波長板16、激活介質(zhì)18、 高次諧波分離/輸出鏡20、聚光透鏡22和非線性光學(xué)晶體(波長變換晶體)24。 在另一構(gòu)造中，反射鏡可以設(shè)置在1/4波長板16與激活介質(zhì)之間以使光學(xué)諧 振器中的光路偏折。終端鏡12和14彼此面對以構(gòu)成光學(xué)諧振器。位于圖1左側(cè)的第二終端 鏡12的反射表面12a涂覆有反射基波長(1064nm)的膜。位于圖1右側(cè)的第 一終端鏡14的反射表面14a涂覆有反射基波長(1064nm)的膜和反射第二高 次諧波(532nm)的膜。兩個(gè)終端鏡12和14的反射表面12a和14a中的每個(gè)形成為具有適當(dāng)曲 率半徑的凹表面。例如，第一終端鏡14的反射表面14a具有約9000mm的 曲率半徑，第二終端鏡12的反射表面12a具有約5000mm的曲率半徑。激活介質(zhì)18由例如Nd-YAG棒制成，并接近第二終端鏡12設(shè)置，并且 由電光激勵(lì)單元26光學(xué)泵浦。電光激勵(lì)單元26具有產(chǎn)生發(fā)射到Y(jié)AG棒18 上的激勵(lì)光的激勵(lì)光源(例如，激勵(lì)燈或激光二極管)。激勵(lì)光源由來自激光 電源單元28的激勵(lì)電流開啟并驅(qū)動，以連續(xù)或間歇地對激活介質(zhì)18進(jìn)行泵 浦。激光電源單元28在控制單元30的控制下開啟并驅(qū)動電光激勵(lì)單元26。 因此，激活介質(zhì)18處產(chǎn)生的基波長(1064nm)的光束LA被限制在兩個(gè)終端鏡 12和14之間，并在它們之間放大。設(shè)置在第二終端鏡12與激活介質(zhì)18之間的1/4波長板16由雙折射晶體 元件制成。當(dāng)基波激光束LA通過雙折射晶體時(shí)，1/4波長板16在兩個(gè)自然 偏振波(S波和P波)之間產(chǎn)生給定相位差，從而操作以使尋常光與非常光之 間的功率比相對于非線性光學(xué)晶體24保持恒定。非線性光學(xué)晶體24由例如KTP(KTiOP04)晶體或LB0(LiB30s)晶體等制 成，該晶體被切割成II型相位匹配。非線性光學(xué)晶體24設(shè)置成接近第一終 端鏡14,光學(xué)地耦接到由光學(xué)諧振器激勵(lì)產(chǎn)生的基本振型，并由非線性光學(xué) 晶體24與基波長之間的非線性光學(xué)作用在光學(xué)諧振器的光路上產(chǎn)生第二高次諧波(532nm)的光束SHG。設(shè)置光學(xué)透鏡22以增加入射在非線性光學(xué)晶體24上的基波長光束LA 的功率密度。光學(xué)透鏡22是平的凸透鏡，其兩個(gè)表面均涂覆有使基波長和 第二高次諧波高度透過的介電薄膜。如圖2所示，光學(xué)透鏡22的焦點(diǎn)f確 定為位于第一終端鏡14的反射表面14a附近(優(yōu)選地，位于從反射表面14a 朝光學(xué)透鏡22移位一給定或更小距離的位置，這將在后面進(jìn)行描述)，使得 光學(xué)透鏡22設(shè)置成在光學(xué)諧振器的光路上跨過非線性光學(xué)晶體24與第 一終 端鏡14的反射表面14a隔開一距離，該距離約等于焦距Df。從第二終端鏡12或激活介質(zhì)18朝圖1右側(cè)傳播的基波長光束LA通過 光學(xué)透鏡22，然后在會聚的同時(shí)進(jìn)一步行進(jìn)通過非線性光學(xué)晶體24(以使非 線性光學(xué)晶體24光學(xué)耦合成基本振型)，最后聚焦在焦點(diǎn)f的位置，即，第 一終端鏡14的反射表面14a附近，如圖2所示。然后，基波長光束LA被第 一終端鏡14的反射表面14a反射，然后在輻射展開的同時(shí)通過非線性光學(xué) 晶體24(以使非線性光學(xué)晶體24光學(xué)地耦合成基本振型)，然后到達(dá)聚光透 鏡22，聚光透鏡22將基波長光束LA準(zhǔn)直成平行光，以送回到激活介質(zhì)18。參照圖1，從非線性光學(xué)晶體24出來朝向圖l右側(cè)的第二高次諧波光束 SHG被第一終端鏡14的反射表面14a反射，以沿相反方向(圖1中向左)折 回，然后通過非線性光學(xué)晶體24。從波長轉(zhuǎn)換晶體24出來朝向圖1左側(cè)的 第二高次諧波光束SHG然后落到高次諧波分離/輸出鏡20上，該高次諧波分 離/輸出鏡20設(shè)置成相對于光學(xué)諧振器的光路或光軸傾斜給定角度(例如，45 度)。高次諧波分離/輸出鏡20由玻璃板制成，并具有涂覆有可透過基波長的 膜和反射第二高次諧波的膜的主表面20a。為此，基波長光束LA在光學(xué)諧 振器中沿左右兩個(gè)方向通過高次諧波分離/輸出鏡20。同時(shí)，來自非線性光 學(xué)晶體24的第二高次諧波光束SHG落在高次諧波分離/輸出鏡20上，在此 處第二高次諧波光束SHG沿給定方向(圖1中向下)被反射，以與光學(xué)諧振器 的光路分離作為輸出光束。高次諧波分離/輸出鏡20從光學(xué)諧振器提取出的 第二高次諧波光束SHG而后經(jīng)由激光傳輸系統(tǒng)被送到激光發(fā)射單元34，并 由激光發(fā)射單元34會聚并發(fā)射到工件W上，其中激光傳輸系統(tǒng)例如是偏折 鏡(反射鏡)32。激光傳輸系統(tǒng)可以具有任意的構(gòu)造，從而可以設(shè)置成例如光 纖傳輸系統(tǒng)。在本發(fā)明的優(yōu)選方面，該光纖傳輸系統(tǒng)可包括反射鏡32，該反射鏡 32使從高次諧波分離/輸出鏡20提取出的第二高次諧波光束SHG的光路偏 折一給定反射角；光纖(未示出)，將來自反射鏡32的第二高次諧波光束SHG 傳輸?shù)郊す獍l(fā)射單元；入射單元(未示出)，設(shè)置在反射鏡32與傳輸光纖之間， 并使來自反射鏡32的第二高次諧波光束SHG聚焦并發(fā)射到傳輸光纖的入射 刻面上；以及反射角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(未示出)，調(diào)節(jié)第二高次諧波光束SHG在反射 鏡32處的反射方向。為了能進(jìn)行多點(diǎn)同時(shí)加工或多位置加工，光纖傳輸系統(tǒng)可設(shè)置成包括分 束器、多個(gè)入射單元、多個(gè)傳輸光纖和多個(gè)激光發(fā)射單元的激光多分支系統(tǒng) (未示出)。為了對第二高次諧波光束SHG進(jìn)行功率反饋控制，激光加工設(shè)備具有 用作接收漏光MSHG的光電轉(zhuǎn)換元件的光電傳感器36，漏光MSHG是從偏 折鏡32的后面泄漏的YAG第二高次諧波脈沖激光束SHG。基于光電傳感 器36的輸出信號，激光輸出測量電路38產(chǎn)生指示第二高次諧波脈沖激光束 SHG的激光輸出測量值的電信號(激光輸出測量信號)。控制單元30將來自 激光輸出測量電路38的激光輸出測量信號與來自設(shè)定單元40的基準(zhǔn)值或基 準(zhǔn)波形相比較，并根據(jù)比較誤差產(chǎn)生例如經(jīng)脈寬調(diào)制(PWM)的控制信號。激 光電源單元28響應(yīng)于來自控制單元30的控制信號使開關(guān)元件進(jìn)行開關(guān)操 作，以控制提供至電光激勵(lì)單元26的激勵(lì)電流的電流值和脈寬。激光加工設(shè)備的主要特點(diǎn)是激光振蕩器IO構(gòu)造成使得1/4波長板16設(shè) 置在光學(xué)諧振器中，并且用于提高非線性光學(xué)晶體24光學(xué)耦合成光學(xué)諧振 器的基本振型的程度的光學(xué)透鏡22的焦點(diǎn)f被確定在第一終端鏡14的反射 表面14a附近。如上所述，在光學(xué)諧振器中設(shè)置1/4波長板16使尋常光與非常光之間的 功率比相對于非線性光學(xué)晶體24穩(wěn)定。這使得能夠進(jìn)行線性功率反饋控制， 從而能夠更穩(wěn)定且更準(zhǔn)確地將第二高次諧波光束SHG的輸出值匹配到基準(zhǔn) 值或基準(zhǔn)波形。光學(xué)透鏡22的焦點(diǎn)f被確定在第一終端鏡14的反射表面14a附近，使 得光學(xué)透鏡22設(shè)置成跨過非線性光學(xué)晶體24與第一終端鏡14的反射表面 14a隔開約等于焦距Df的距離。這使非線性光學(xué)晶體24光學(xué)地耦合成光學(xué) 諧振器的基本振型，同時(shí)防止基波長光束LA在第一終端鏡14的反射表面14a處的散射損失，從而充分地限制了光學(xué)諧振器中的基波長光束LA,以提 高放大系數(shù)從而提高轉(zhuǎn)換效率。優(yōu)選地，光學(xué)透鏡22的焦點(diǎn)f被確定為處于與第一終端鏡14的反射表 面14a沿朝向光學(xué)透鏡22的方向隔開5mm或更小(更優(yōu)選地，約5mm)的距 離的位置。以此方式，適當(dāng)?shù)厥构鈱W(xué)透鏡22的焦點(diǎn)f的位置從第一終端鏡 14的反射表面14a朝光學(xué)透鏡22移位，可靠地防止了基波激光束LA的能 量燒壞光學(xué)透鏡22這種不期望的現(xiàn)象。在上述的這種光學(xué)諧振器中，光學(xué)透鏡22的焦點(diǎn)f通常隨著時(shí)間而趨 于朝光學(xué)透鏡22移動。為此，如果光學(xué)透鏡22的焦點(diǎn)f向第一終端鏡14 的反射表面14a的遠(yuǎn)側(cè)移位，則當(dāng)焦點(diǎn)f隨著時(shí)間的改變而移動到反射表面 14a的位置時(shí)，反射表面14a可能被燒壞。在根據(jù)傳統(tǒng)技術(shù)的參考示例中，如圖3所示，光學(xué)透鏡22'的焦點(diǎn)f被確 定為位于非線性光學(xué)晶體24'的相對面(圖3中的左刻面)附近，這意味著光學(xué) 透鏡22'位于與非線性光學(xué)晶體24'的相對面隔開一等于焦距Df的距離的位 置處。在該構(gòu)造中，從激活介質(zhì)(未示出)朝圖3的右側(cè)傳播的基波長的光束 LA'通過光學(xué)透鏡22',然后聚焦到位于非線性光學(xué)晶體24'的相對面附近的 焦點(diǎn)f上。在行進(jìn)通過焦點(diǎn)f時(shí)，基波長光束LA'在輻射展開的同時(shí)向右傳播 以落在第一終端鏡14'的反射表面14a'上，作為相當(dāng)廣泛區(qū)域的束斑。此時(shí)， 已經(jīng)落在反射表面14a'上且已經(jīng)在其上被反射的一部分返回光具有超過規(guī)定 值的入射角或反射角，并且這種返回光從光學(xué)諧振器的光路向外輻射地大大 偏轉(zhuǎn)，從而不能通過非線性光學(xué)晶體24'或者落到光學(xué)透鏡22'上。這導(dǎo)致轉(zhuǎn) 換效率和振蕩效率降低。圖4和5示出該實(shí)施例的激光加工設(shè)備表現(xiàn)出的時(shí)間/激光功率特性和激 勵(lì)電流/振蕩效率特性，這兩個(gè)特性均與比較例相比較。比較例通過從光學(xué)諧 振器中去除1/4波長板16而給出，并且，與傳統(tǒng)情況(圖3)中相同，確定光 學(xué)透鏡22的焦點(diǎn)f在圖1的激光振蕩器10中位于非線性光學(xué)晶體24的相 對面附近。圖4示出在如下測試中得到的第二高次諧波激光束SHG的激光功率特 性，該測試將從激光電源單元28供應(yīng)到電光激勵(lì)單元26的激勵(lì)電流的值設(shè) 定為300A并通過重復(fù)振蕩產(chǎn)生脈寬為lmsec、重復(fù)頻率為8pps的長脈沖。 如圖4所示，該比較例說明激光功率在振蕩開始時(shí)爬升到接近4W的水平，但立即落到3W以下。相反，實(shí)施例或?qū)嵤┦纠砻骷す夤β试谡袷庨_始時(shí) 爬升至接近7W的水平并在此后保持穩(wěn)定在相同水平。因此，該實(shí)施例獲得 了比在比較例中獲得的激光輸出功率的兩倍或更高的激光輸出功率。
圖5是在如下測試中得到的激勵(lì)電流/振蕩效率特性的柱狀圖，該測試通 過單一振蕩產(chǎn)生脈寬為lmsec的長脈沖。在該圖中，水平軸線表示的激勵(lì)電 流可以用輸入功率代替。如圖5所示，實(shí)施例在整個(gè)輸入功率范圍中獲得更 高振蕩效率方面也大大超過了比較例，從而說明振蕩效率顯著提高了，特別 是在較低的輸入功率的范圍內(nèi)。這種提高在精確加工應(yīng)用場合中提供了很大 的<尤點(diǎn)。
雖然在此前已經(jīng)描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但上述的實(shí)施例并非要限 制本發(fā)明。在不偏離本發(fā)明的技術(shù)思想和技術(shù)范圍的條件下，本領(lǐng)域技術(shù)人 員可以通過各種方式將實(shí)施例修改或改變?yōu)樘囟ǖ哪Ｊ健?br> 例如，雖然上述光學(xué)諧振器具有三個(gè)反射鏡12、 20和14以及其它光學(xué) 組件布置在一直線上的直線構(gòu)造，但光學(xué)諧振器可以變型為具有三個(gè)反射鏡 12、 20和14分別布置在三角形頂點(diǎn)的三角形構(gòu)造，或者反射構(gòu)造。
在圖6所示的另一實(shí)施例中，設(shè)置成為了進(jìn)行激光功率反饋控制的光電 傳感器36接收由設(shè)置在偏折鏡32與激光發(fā)射單元34之間的光路上的分束 器42反射的光Mshg。涂覆有防止第二高次諧波長發(fā)生反射的膜的分束器42 將光束SHG的一部分(例如，百分之五)朝光電傳感器36反射，同時(shí)光束SHG 的剩余部分直接通過分束器42透射。
在上面的實(shí)施例中，從激光振蕩器輸出的高次諧波激光束是第二高次諧 波的綠激光束。然而，代替輸出第二高次諧波綠激光束，本發(fā)明還可應(yīng)用于 例如輸出具有等于或高于第三高次諧波(具有266nm的波長)的頻率的頻率的 激光束的激光振蕩器。
本發(fā)明的激光激光設(shè)備不僅適用于激光焊接，而且適用于激光標(biāo)記、穿 孔、切割等其它激光加工。
權(quán)利要求
1.一種激光振蕩器，包括光學(xué)諧振器，具有在光學(xué)上彼此相對布置的第一和第二終端鏡，激活介質(zhì)，設(shè)置在所述光學(xué)諧振器的光路上；激勵(lì)單元，對所述激活介質(zhì)進(jìn)行泵浦以產(chǎn)生具有基本頻率的基波激光束；被切割以用于II型相位匹配的非線性光學(xué)晶體，該非線性光學(xué)晶體在所述光學(xué)諧振器的光路上設(shè)置成接近第一終端鏡，以產(chǎn)生頻率為基波光束的頻率的N倍的高次諧波激光束，其中N表示等于或大于2的整數(shù)；光學(xué)透鏡，在所述光學(xué)諧振器的光路上設(shè)置成跨過所述非線性光學(xué)晶體與所述第一終端鏡隔開約等于焦距的距離，使得所述光學(xué)透鏡的焦點(diǎn)位于第一終端鏡的反射表面附近，1/4波長板，在所述光學(xué)諧振器的光路上設(shè)置在所述激活介質(zhì)與所述第二終端鏡之間；以及高次諧波分離/輸出鏡，設(shè)置在所述光學(xué)諧振器的光路上，以從所述光學(xué)諧振器提取高次諧波激光束。
2. 如權(quán)利要求1所述的激光振蕩器，其中所述光學(xué)透鏡使從所述激活介質(zhì)側(cè)傳播來的基波激光束基本上會聚為 平行光，并使會聚的基波激光束通過所述非線性光學(xué)晶體以聚焦在焦點(diǎn)上， 然后將被所述第一終端鏡反射為輻射展開光并通過所述非線性光學(xué)晶體傳 播到所述光學(xué)透鏡的基波激光束準(zhǔn)直成平行光。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的激光振蕩器，其中所述高次諧波分離/輸出鏡設(shè)置在所述激活介質(zhì)與所述光學(xué)透鏡之間，使 得所述高次諧波分離/輸出鏡相對于所述光學(xué)諧振器的光路傾斜給定角度。
4. 如權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的激光振蕩器，其中 所述光學(xué)透鏡的焦點(diǎn)位于朝向所述光學(xué)透鏡與所述第一終端鏡的反射表面隔開5mm或更小的距離的位置。
5. 如權(quán)利要求4所述的激光振蕩器，其中所述光學(xué)透鏡的焦點(diǎn)位于朝向所述光學(xué)透鏡與所述第一終端鏡的反射 表面隔開約2mm的距離的位置。
6. —種激光加工設(shè)備，包括如權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的激光振蕩器；和激光發(fā)射單元，將從所述激光振蕩器的高次諧波分離/輸出鏡提取的高次 諧波激光束會聚并發(fā)射到工件上。
7. 如權(quán)利要求6所述的激光加工設(shè)備，其中，包括反射鏡，使從所述高次諧波分離/輸出鏡提取的高次諧波激光束的光路偏 折給定反射角度；光纖，將高次諧波激光束從所述反射鏡傳輸?shù)剿黾す獍l(fā)射單元；入射單元，設(shè)置在所述反射鏡與所述光纖之間，該入射單元將來自所述 反射鏡的高次諧波激光束聚焦并發(fā)射到所述光纖的入射刻面上；和反射角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，調(diào)節(jié)高次諧波激光束在所述反射鏡處的反射方向。
8. 如權(quán)利要求6或7所述的激光加工設(shè)備，其中 所述激勵(lì)單元包括激勵(lì)光產(chǎn)生單元，產(chǎn)生用于對所述激活介質(zhì)進(jìn)行光學(xué)泵浦的激勵(lì)光；激光電源單元，向所述激勵(lì)光產(chǎn)生單元提供用于產(chǎn)生激勵(lì)光的電力；和 控制單元，控制所述激光電源單元向所述激勵(lì)光產(chǎn)生單元提供的電力。
9. 如權(quán)利要求8所述的激光加工設(shè)備，其中 所述激光電源單元包括 直流電源單元，輸出直流電力；和開關(guān)元件，連接在所述直流電源單元與所述激勵(lì)光產(chǎn)生單元之間，并且開關(guān)操作，從而向所述激勵(lì)光產(chǎn)生單元提供脈沖波形形式的電力。
10.如權(quán)利要求9所述的激光加工設(shè)備，包括高次諧波激光輸出測量單元，測量高次諧波激光束的激光輸出；和 控制單元，控制開關(guān)元件的開關(guān)搡作以使高次諧波激光輸出測量單元給 出的激光輸出測量值與給定的基準(zhǔn)值或基準(zhǔn)波形相匹配。
全文摘要
本發(fā)明公開了激光振蕩器和激光加工設(shè)備。激光加工設(shè)備的激光振蕩器包括其間有一直線光路的一對終端鏡，還包括在終端鏡之間的光路上以給定間隔排列成直線的1/4波長板、激活介質(zhì)、高次諧波分離/輸出鏡、會聚透鏡和非線性光學(xué)晶體，即波長轉(zhuǎn)換晶體。光學(xué)透鏡的焦點(diǎn)被確定為在第一終端鏡的反射表面附近，使得光學(xué)透鏡在光學(xué)諧振器的光路上設(shè)置成跨過非線性光學(xué)晶體與第一終端鏡的反射表面隔開約等于焦距的距離。
文檔編號B23K26/00GK101554683SQ20091012988
公開日2009年10月14日 申請日期2009年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月8日
發(fā)明者加瀬純平, 天野覺 申請人:米亞基株式會社