專利名稱：高功率調(diào)q脈沖激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光器領(lǐng)域，特別涉及一種高功率調(diào)Q脈沖激光器。
背景技術(shù)：
近年來，激光打孔技術(shù)在水松紙打孔、皮革打孔、膏藥打孔等領(lǐng)域都得到快速發(fā) 展；同時隨著高端汽車、家電、電子和輕工業(yè)對具有優(yōu)良沖壓性能和表面涂鍍性能的毛化鋼 板需求日益擴大，激光毛化技術(shù)也得到了迅速發(fā)展。提高激光打孔和激光毛化技術(shù)的加工 質(zhì)量和效率的關(guān)鍵是研制出重復(fù)頻率、高峰值功率的高能量脈沖輸出激光器作為激光發(fā)射 源。在現(xiàn)有技術(shù)條件下，一般采用調(diào)Q技術(shù)實現(xiàn)高重復(fù)頻率、高峰值功率的高能量脈沖激光 輸出。目前，常規(guī)的激光調(diào)Q技術(shù)有轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q、電光調(diào)Q、聲光調(diào)Q和被動式可飽和吸收體調(diào)Q。轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q的基本原理是脈沖激光器諧振腔的全反鏡被一個由高速電機帶動旋轉(zhuǎn) 的全反鏡所替代構(gòu)成。全反鏡繞垂直于諧振腔軸線做周期性旋轉(zhuǎn)，因此構(gòu)成了一個Q值作 周期性變化的諧振腔。這種Q開關(guān)無插入損耗，而且不存在光損傷的問題，因此可以獲得峰 值功率高達幾十MW的短脈寬脈沖；但其主要缺點是在高轉(zhuǎn)速下的機械磨損會影響其使用 壽命，且裝配工藝要求很高。因此，該調(diào)Q技術(shù)很難廣泛應(yīng)用于實際生產(chǎn)中。電光調(diào)Q的基本原理是在激光諧振腔中插入一個電光晶體，通過控制電光晶體兩 端電壓而調(diào)節(jié)諧振腔的Q值，從而實現(xiàn)激光調(diào)Q。這種調(diào)Q方式能產(chǎn)生窄脈沖，同步性能好， 使用壽命長，可以獲得峰值功率高達幾十MW以上、脈寬為幾十納秒的巨脈沖；但脈沖重復(fù) 頻率低(100Hz量級)，同時會在加工過程中產(chǎn)生大量等離子體，從而影響到材料對激光能 量的吸收。因此，電光調(diào)Q激光器很難滿足激光打孔和激光毛化等技術(shù)對加工效率的要求。聲光調(diào)Q的基本原理是在激光諧振腔軸線上放置一個聲光調(diào)制器件，并通過使用 高頻振蕩信號作用于聲光調(diào)制器件而改變諧振腔的Q值。聲光調(diào)Q技術(shù)容易獲得峰值功率 為幾百KW、脈寬為一百納秒左右的巨脈沖，但由于其聲光調(diào)制器的衍射效率是有限的，從而 導(dǎo)致它對高能量激光器的開關(guān)能力較差，因此它只能使用于較低增益的連續(xù)激光器上。綜 上所述，聲光調(diào)Q脈沖激光器的單脈沖能量低，平均功率也低，從而使其應(yīng)用范圍受到很大 限制。被動式可飽和吸收體調(diào)Q的基本原理是在激光諧振腔軸線上放入可飽和吸收染 料，該染料的吸收系數(shù)隨著腔內(nèi)光強的變化而變化，從而被動地改變腔內(nèi)Q值。這種開關(guān)結(jié) 構(gòu)簡單，使用方面，可以獲得峰值功率為幾MW、脈寬為幾十ns的巨脈沖；但由于它是一種被 動式調(diào)Q，因此產(chǎn)生調(diào)Q脈沖的時刻有一定的隨機性，不能人為控制。因此，這種調(diào)Q方式不 能滿足激光打孔、激光毛化等對加工精度高的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是針對背景技術(shù)中涉及的現(xiàn)有各類調(diào)Q脈沖激光器的不足而提供一種高功率調(diào)Q脈沖激光器，該激光器能夠提供穩(wěn)定性高、重復(fù)頻率高、峰值功率及脈沖能量高，而脈寬短的脈沖激光輸出，其被應(yīng)用于激光打孔時可以加工更深厚度的材料，應(yīng)用于激 光毛化領(lǐng)域時可以生產(chǎn)更深的毛化點和表面粗糙度。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種高功率調(diào)Q脈沖激光器，包括由輸出透反鏡和全反鏡 構(gòu)成的諧振腔及置于所述諧振腔內(nèi)的連續(xù)泵浦單元和Nd: YAG激勵介質(zhì)；其特征在于還包 括一位于諧振腔內(nèi)并由高速電機帶動旋轉(zhuǎn)的機械調(diào)制盤，所述機械調(diào)制盤由遮光材料制成 并且其上設(shè)有至少一個供激光光軸穿過的通光部位。本發(fā)明中所述通光部位具體可以是開設(shè)于機械調(diào)制盤外緣上的通光切口。當(dāng)通光 切口的數(shù)量較多時，機械調(diào)制盤的外緣則呈鋸齒狀。或者，本發(fā)明中所述通光部位也可以是通光孔?；蛘?，本發(fā)明中所述機械調(diào)制盤上的通光部位大于一個時，也可以部分為通光孔， 而余下的則是開設(shè)于機械調(diào)制盤外緣上的通光切口。本發(fā)明主要采用一個高速旋轉(zhuǎn)的機械調(diào)制盤以實現(xiàn)激光器的調(diào)Q。其主要的工 作原理如下機械調(diào)制盤旋轉(zhuǎn)的過程中，其上的非通光部位旋轉(zhuǎn)到激光光軸上時，相當(dāng)于 在激光光軸上插入一個不通光的物體，從而導(dǎo)致激光器無法振蕩；如果此時通過連續(xù)泵浦 單元提供能量，那么將在Nd: YAG激勵介質(zhì)中逐漸積累能量；隨著機械調(diào)制盤的旋轉(zhuǎn)，當(dāng)通 光部位旋轉(zhuǎn)到激光光軸上時，相當(dāng)于將激光光軸上插入的不通光物體快速移出，激光器在 Nd: YAG激勵介質(zhì)中所存儲能量對應(yīng)的增益作用下快速形成振蕩，并實現(xiàn)高峰值功率短脈沖 輸出。在機械調(diào)制盤旋轉(zhuǎn)的過程中，非通光部位與通光部位交替遮擋和通過激光光軸，因此 激光器被周期性的關(guān)斷和開啟；如果此時通過連續(xù)泵浦單元提供連續(xù)的激光能量，那么激 光器將輸出高重復(fù)頻率、高能量的激光脈沖。并且本發(fā)明所述的通光部位大于一個時，可呈圓周等間距分布于機械調(diào)制盤上， 此時當(dāng)機械調(diào)制盤的轉(zhuǎn)速恒定時，相鄰激光脈沖的時間間隔是完全一致的，激光器輸出脈 沖的重復(fù)頻率是恒定的。當(dāng)然所述通光部位大于一個時，也可呈圓周非等間距分布于機械 調(diào)制盤上，此時即使機械調(diào)制盤的轉(zhuǎn)速恒定，那么激光器輸出的相鄰脈沖的脈沖間隔也是 不一致的，重復(fù)頻率不是恒定的。本發(fā)明中，為了提高激光器從關(guān)斷過渡到開啟的速度，一般要求諧振腔存在一個 光斑非常小的位置，并將機械調(diào)制盤放置于該位置。這樣當(dāng)機械調(diào)制盤的通光孔或者通光 切口的邊緣掃過這個光斑時，激光器從關(guān)斷到開啟的過渡時間就會非常短。為了使諧振腔 中某一位置產(chǎn)生直徑很小的光斑，本發(fā)明可采取以下兩種方案1)在所述諧振腔內(nèi)增設(shè)一對透射式聚焦鏡，該對透射式聚焦鏡于激光光軸上相對 布置而構(gòu)成望遠準直系統(tǒng)，并且前述機械調(diào)制盤恰好位于該望遠準直系統(tǒng)的共焦面上。2)在所述諧振腔內(nèi)增設(shè)一個透射式聚焦鏡，該透射式聚焦鏡與激光器原先的輸出 透反鏡相對布置而構(gòu)成望遠準直系統(tǒng)，并且前述機械調(diào)制盤恰好位于該望遠準直系統(tǒng)的共 焦面上。當(dāng)然除了采用上面講到的于諧振腔中產(chǎn)生小直徑光斑的方法縮短激光器從關(guān)斷 至IJ開啟的時間之外，本發(fā)明還可以通過下述兩種方案來達到同樣的目的3)把通光切口或者通光孔加工成錐形結(jié)構(gòu)。4)保持通光孔或者通光切口的間隙尺寸不變，使所述機械調(diào)制盤相對激光光軸以角度θ傾斜放置，θ為機械調(diào)制盤的轉(zhuǎn)軸與激光光軸的水平方向夾角，取值為10° 45°。值得一提的是上述方案3)或者4)可以與方案1)或者2)結(jié)合運用，從而更進一 步的減小激光器從關(guān)斷到開啟的時間。并且當(dāng)方案1)或者2)與方案3)結(jié)合運用時，本發(fā) 明中優(yōu)選使得呈錐形結(jié)構(gòu)的通光切口(或者通光孔)的錐角大于望遠準直系統(tǒng)共焦面上的 光斑發(fā)散角。本發(fā)明中機械調(diào)制 盤的材料為具有足夠高機械強度的遮光材料，例如各種金屬， 考慮到盡可能減小機械調(diào)制盤在旋轉(zhuǎn)過程中的旋轉(zhuǎn)慣量，優(yōu)選比重小的材料，例如鋁或合 金鋁材。本發(fā)明中的連續(xù)泵浦單元同常規(guī)技術(shù)一樣，可采用燈泵浦單元，例如連續(xù)氪燈泵 浦單元；當(dāng)然也可以采用連續(xù)輸出的半導(dǎo)體泵浦單元。且本發(fā)明為了獲得高重復(fù)頻率，機械 調(diào)制盤的旋轉(zhuǎn)速度應(yīng)該足夠高，通常采用每分鐘數(shù)千至數(shù)萬轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速。本發(fā)明的優(yōu)點是1.本發(fā)明提供的這種高功率調(diào)Q脈沖激光器，由于激光的關(guān)斷是通過機械調(diào)制盤 的非通光部位實現(xiàn)的，當(dāng)激光被關(guān)斷時實際上就等同于在激光器中直接插入了一個機械開 關(guān)，因此對應(yīng)的關(guān)斷能力幾乎是無限的。這種關(guān)斷方式對激光器功率沒有任何限制，可以適 用于高功率激光器，從而形成足夠高的激光脈沖功率和激光脈沖頻率。2.本發(fā)明提供的這種高功率調(diào)Q脈沖激光器，不但具有與聲光調(diào)Q脈沖激光器一 樣的高重復(fù)頻率脈沖輸出，而且可以同時產(chǎn)生與轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q、電光調(diào)Q及染料調(diào)Q等脈沖激光 器一樣的高峰值功率巨脈沖輸出。不僅如此，本發(fā)明同時解決了目前轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q、電光調(diào)Q、聲 光調(diào)Q和染料調(diào)Q這些脈沖激光器在實現(xiàn)高穩(wěn)定、高重復(fù)頻率、高峰值功率及高脈沖能量激 光脈沖輸出時的固有困難。綜上所述，本發(fā)明可以提供穩(wěn)定性高、重復(fù)頻率高、峰值功率高、 脈沖能量高及脈寬短的脈沖激光輸出，應(yīng)用于激光打孔時可以加工更深厚度的材料，應(yīng)用 于激光毛化時可以生產(chǎn)更深的毛化點和表面粗糙度。3.本發(fā)明提供的這種高功率調(diào)Q脈沖激光器，結(jié)構(gòu)簡單、成本低，使用壽命長，工 作穩(wěn)定，生產(chǎn)維護容易。


下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步描述圖1為本發(fā)明第一具體實施例的結(jié)構(gòu)原理圖；圖2為本發(fā)明第二具體實施例的結(jié)構(gòu)原理圖；圖3為本發(fā)明第三具體實施例的結(jié)構(gòu)原理圖；圖4為圖3中機械調(diào)制盤的傾斜放置示意圖；圖5為圖4的A-A視圖。其中1、諧振腔；101、連續(xù)泵浦單元；102、輸出透反鏡；103、全反鏡；104、第一透 射式聚焦鏡；105、第二透射式聚焦鏡；106、機械調(diào)制盤；107、高速電機。
具體實施例方式實施例1 如圖1所示為本發(fā)明高功率調(diào)Q脈沖激光器的一種具體實施方式
，其組成如下由輸出透反鏡102和全反鏡103構(gòu)成的諧振腔1、置于所述諧振腔1內(nèi)的連續(xù)泵浦 單元101和Nd: YAG激勵介質(zhì)，以及置于所述諧振腔1內(nèi)的機械調(diào)制盤106和高速電機107。 本實施例中所述連續(xù)泵浦單元101采用連續(xù)氪燈泵浦單元，所述機械調(diào)制盤106由鋁材料 制成，并置于連續(xù)泵浦單元101和輸出透反鏡102之間。機械調(diào)制盤106的轉(zhuǎn)軸位于連續(xù) 泵浦單元101輸出的激光光軸上方，并與高速電機107的輸出軸相連，從而能夠在高速電機 107的帶動下高速旋轉(zhuǎn)。而在機械調(diào)制盤106的外緣上開設(shè)30個呈圓周等間距分布的通光 切口(圖1中只畫出2個通光切口)，這些通光切口可藉由機械調(diào)制盤106的轉(zhuǎn)動而交替供 激光光軸通過。本實施例的工作原理如下機械調(diào)制盤106旋轉(zhuǎn)的過程中，其上的非通光部位旋 轉(zhuǎn)到激光光軸上時，相當(dāng)于在激光光軸上插入一個不通光的物體，從而導(dǎo)致激光器無法振 蕩；如果此時通過連續(xù)泵浦單元101提供能量，那么將在Nd:YAG激勵介質(zhì)中逐漸積累能量； 隨著機械調(diào)制盤106的旋轉(zhuǎn)，當(dāng)通光切口旋轉(zhuǎn)到激光光軸上時，相當(dāng)于將激光光軸上插入 的不通光物體快速移出，激光器在Nd:YAG激勵介質(zhì)中所存儲能量對應(yīng)的增益作用下快速 形成振蕩，并實現(xiàn)高峰值功率短脈沖輸出。在機械調(diào)制盤106旋轉(zhuǎn)的過程中，非通光部位與 通光切口交替遮擋和通過激光光軸，因此激光器被周期性的關(guān)斷和開啟。并且由于連續(xù)泵 浦單元101不斷提供連續(xù)的激光能量，那么激光器就將輸出恒定高重復(fù)頻率、高能量的激 光脈沖。實施例2 如圖2所示，本實施例與實施例1的區(qū)別是在所述諧振腔1內(nèi)還設(shè)有第 一透射式聚焦鏡104和第二透射式聚焦鏡105，且該第一透射式聚焦鏡104和第二透射式聚 焦鏡105于激光光軸上相對布置而構(gòu)成望遠準直系統(tǒng)，并且所述機械調(diào)制盤106恰好位于 該望遠準直系統(tǒng)的共焦面上。本實施例其余同實施例1相同。結(jié)合圖2所示，本實施例由 于在諧振腔1內(nèi)引入了望遠準直系統(tǒng)，使諧振腔1內(nèi)存在一個光斑很小的位置(該光斑也 即望遠準直系統(tǒng)的共焦點)，當(dāng)機械調(diào)制盤106高速旋轉(zhuǎn)時，其上的通光切口邊緣掃過這個 光斑的速度將更快，故與實施例1相比，本實施例的激光器從關(guān)斷到開啟的過渡時間更短， 脈沖能量更高，脈寬更短。實施例3 如圖3所示，本實施例與實施例2的區(qū)別有如下兩點1)將所述諧振腔1內(nèi)的第二透射式聚焦鏡105去除而僅保留第一透射式聚焦鏡 104，且該第一透射式聚焦鏡104與諧振腔1本身的輸出透反鏡102相對布置而構(gòu)成望遠準 直系統(tǒng)，并且所述機械調(diào)制盤106也恰好位于該望遠準直系統(tǒng)的共焦面上。2)結(jié)合圖4、圖5所示，本實施例中的機械調(diào)制盤106相對激光光軸以角度θ傾 斜放置，所述θ為機械調(diào)制盤106的轉(zhuǎn)軸與激光光軸的水平方向夾角，本實施例中的θ取 值為20°。本實施例其余同實施例2相同。本實施例中同樣在諧振腔1內(nèi)引入了望遠準直系統(tǒng)，但同時本實施例還通過 將機 械調(diào)制盤106傾斜布置的方式縮短了激光束2從關(guān)斷到開啟的開啟時間，從而提高了脈沖 的峰值功率。故相比實施例2，本實施例的激光器從關(guān)斷到開啟的過渡時間更短，脈沖能量 更高，脈寬更短。當(dāng)然上述實施例只為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點，其目的在于讓熟悉此項技術(shù) 的人能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實施，并不能以此限制本發(fā)明的保護范圍。凡根據(jù)本發(fā) 明主要技術(shù)方案的精神實質(zhì)所做的等效變換或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種高功率調(diào)Q脈沖激光器，包括由輸出透反鏡(102)和全反鏡(103)構(gòu)成的諧振腔(1)及置于所述諧振腔(1)內(nèi)的連續(xù)泵浦單元(101)和Nd:YAG激勵介質(zhì)；其特征在于還包括一位于諧振腔(1)內(nèi)并由高速電機(107)帶動旋轉(zhuǎn)的機械調(diào)制盤(106)，所述機械調(diào)制盤(106)由遮光材料制成并且其上設(shè)有至少一個供激光光軸穿過的通光部位。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率調(diào)Q脈沖激光器，其特征在于所述通光部位是開設(shè)于 機械調(diào)制盤(106)外緣上的通光切口。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率調(diào)Q脈沖激光器，其特征在于所述通光部位是通光孔。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率調(diào)Q脈沖激光器，其特征在于所述通光部位大于一個 時，部分為通光孔，而余下的則為開設(shè)于機械調(diào)制盤(106)外緣上的通光切口。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率調(diào)Q脈沖激光器，其特征在于所述通光部位大于一個 時，呈圓周等間距或非等間距分布于機械調(diào)制盤(106)上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4或5所述的高功率調(diào)Q脈沖激光器，其特征在于所述 諧振腔內(nèi)還設(shè)有一對透射式聚焦鏡(104、105)，該對透射式聚焦鏡(104、105)于激光光軸 上相對布置而構(gòu)成望遠準直系統(tǒng)，并且前述機械調(diào)制盤(106)恰好位于該望遠準直系統(tǒng)的 共焦面上。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4或5所述的高功率調(diào)Q脈沖激光器，其特征在于所述 諧振腔內(nèi)還設(shè)有一個透射式聚焦鏡(104)，該透射式聚焦鏡(104)與所述輸出透反鏡(102) 相對布置而構(gòu)成望遠準直系統(tǒng)，并且前述機械調(diào)制盤(106)恰好位于該望遠準直系統(tǒng)的共 焦面上。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4或5所述的高功率調(diào)Q脈沖激光器，其特征在于所述 機械調(diào)制盤(106)相對激光光軸以角度e傾斜放置，所述e為機械調(diào)制盤(106)的轉(zhuǎn)軸 與激光光軸的水平方向夾角，其取值為10° 45°。
9.根據(jù)權(quán)利要求2或4所述的高功率調(diào)Q脈沖激光器，其特征在于所述通光切口為錐 形切口。
10.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的高功率調(diào)Q脈沖激光器，其特征在于所述通光孔為錐形孔。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高功率調(diào)Q脈沖激光器，包括由輸出透反鏡和全反鏡構(gòu)成的諧振腔及置于所述諧振腔內(nèi)的連續(xù)泵浦單元和Nd:YAG激勵介質(zhì)；其特征在于還包括一位于諧振腔內(nèi)并由高速電機帶動旋轉(zhuǎn)的機械調(diào)制盤，所述機械調(diào)制盤由遮光材料制成并且其上設(shè)有至少一個供激光光軸穿過的通光部位。本發(fā)明能夠提供穩(wěn)定性高、重復(fù)頻率高、峰值功率高、脈沖能量高及脈寬短的脈沖激光輸出，其被應(yīng)用于激光打孔時可以加工更深厚度的材料，應(yīng)用于激光毛化領(lǐng)域時可以生產(chǎn)更深的毛化點和表面粗糙度。
文檔編號H01S3/121GK101872934SQ201010205190
公開日2010年10月27日 申請日期2010年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月22日
發(fā)明者孫長東, 梁喬春, 談賢杰, 陳培鋒 申請人:蘇州市博海激光科技有限公司