專利名稱：一種用于金屬激光毛化的全固態(tài)激光器的制作方法
一種用于金屬激光毛化的全固態(tài)激光器技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明是一種二極管泵浦的全固態(tài)激光器的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用，特別涉及一種適用于金 屬表面毛化處理的高功率、高光束質(zhì)量全固態(tài)激光器的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用。
背景技術(shù)：
激光毛化是鋼鐵工業(yè)為了生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鋼板而發(fā)展起來的冷軋鋼輥毛化技術(shù)。中科 院力學(xué)研究所自1990年起便開始研究激光毛化技術(shù)，例如中國專利號ZL92113223.9，名 稱“高重頻調(diào)制多脈沖YAG激光刻花系統(tǒng)及加工方法”；中國專利號ZL94220848.X，名稱 “用于軋輥表面毛化的激光加工設(shè)備”。該設(shè)備采用高能量密度、高重復(fù)頻率的燈泵摻釹釔 鋁石榴石晶體(Nd:YAG)激光器為毛化光源進(jìn)行螺旋掃描，當(dāng)激光束聚焦照射至軋輥表面， 形成若干一定形貌的微小熔池；光脈沖作用停止后，微坑熔融物迅速冷卻，形成表面硬化的 微坑和坑邊凸臺結(jié)構(gòu)。
但是目前為止，激光毛化裝置都是采用燈泵YAG激光器為光源，它的缺點(diǎn)是受氙 燈壽命限制，設(shè)備在生產(chǎn)中的維護(hù)周期較短；另外，由于氙燈作為光源時激光晶體熱效應(yīng)明 顯，因此，不但電光效率較低，重要的是激光束光束質(zhì)量受到極大限制。然而，當(dāng)前隨著國內(nèi) 汽車、家電和機(jī)械制造業(yè)等的蓬勃發(fā)展，對高質(zhì)量鋼板的表面粗糙度均勻性和毛化密度要 求越來越高，這就要求激光器輸出光束除了具有高功率外，還同時具有高的光束質(zhì)量。一些 新產(chǎn)品要求激光毛化密度要達(dá)到> 70點(diǎn)/_2，這是常規(guī)燈泵YAG激光器難以實(shí)現(xiàn)的。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決上述在先技術(shù)中的困難，設(shè)計(jì)了一種全固態(tài)激光毛化激光器。一 種激光毛化用全固態(tài)激光器，包括激光直流電源、Q開關(guān)驅(qū)動器、水冷機(jī)；還包括全固態(tài)毛 化激光裝置，所述全固態(tài)毛化激光裝置包括，同光軸依次串聯(lián)在一起的全反射鏡，激光發(fā)生 裝置，光電門和激光輸出鏡和激光功率檢測裝置。
進(jìn)一步，所述激光發(fā)生裝置包括，同光軸依次串聯(lián)的45°旋光器，聲光Q開關(guān)，二 極管激光側(cè)面泵浦激光模塊。
進(jìn)一步，所述激光發(fā)生裝置包括，同光軸依次串聯(lián)的聲光Q開關(guān)，兩個二極管激光 側(cè)面泵浦激光模塊，在所述兩個二極管激光側(cè)面泵浦激光模塊之間還同光軸串聯(lián)有90°旋 光器。
進(jìn)一步，所述二極管激光側(cè)面泵浦激光模塊為全固態(tài)，采用離子摻雜濃度< 0. 7% 和直徑< 5mm的激光晶體，采用激光二極管三維或五維的對稱側(cè)面泵浦結(jié)構(gòu)。
進(jìn)一步，所述二極管激光側(cè)面泵浦激光模塊中激光晶體的主平面到諧振腔鏡的距 離，等于將激光二極管功率加至最高時激光晶體產(chǎn)生的熱透鏡焦距。
進(jìn)一步，所述光電門可隨時開啟或關(guān)斷激光器的運(yùn)轉(zhuǎn)；擴(kuò)束鏡和激光功率監(jiān)測裝 置依據(jù)毛化設(shè)備具體需要設(shè)計(jì)。
進(jìn)一步，所述聲光Q開關(guān)對激光束進(jìn)行波形調(diào)制，通過控制波形形貌達(dá)到控制毛化點(diǎn)形貌的目的。
進(jìn)一步，所述兩個激光模塊完全相同，兩激光晶體的主平面間的距離，等于將激光 二極管功率加至最高時激光晶體產(chǎn)生的熱透鏡焦距的二倍。
進(jìn)一步，所述二極管激光側(cè)面泵浦激光模塊采用激光二極管側(cè)面泵浦固體激光介 質(zhì)，激光介質(zhì)可以是Nd YAG晶體、Nd GGG晶體、Nd GdV04晶體或％ YAG晶體。
本發(fā)明采用激光二極管(LD)為泵浦源的激光模塊串接結(jié)構(gòu)，采用小尺寸、低摻雜 濃度的激光晶體，結(jié)合熱致雙折射補(bǔ)償和熱近非穩(wěn)腔技術(shù)，使得輸出光束同時獲得高功率 與高光束質(zhì)量。采用該激光器作為毛化設(shè)備的光源，實(shí)現(xiàn)對毛化軋輥精密度的提高，有利于 低粗糙度、高密度、高均勻度優(yōu)質(zhì)汽車、家電板的國產(chǎn)化。


圖1為本發(fā)明激光器構(gòu)成方框圖2為本發(fā)明激光器的一種結(jié)構(gòu)光路示意圖3為本發(fā)明激光器的另一種結(jié)構(gòu)光路示意圖4為激光晶體處光斑半徑隨熱透鏡變化曲線；
圖5為本發(fā)明激光器示例獲得的激光輸出功率曲線。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1
圖1為本發(fā)明所公開的一種用于金屬激光毛化用全固態(tài)激光器的結(jié)構(gòu)方框圖，該 激光器包括激光直流電源A、Q開關(guān)驅(qū)動器B、全固態(tài)毛化激光裝置C和水冷機(jī)D。其中全固 態(tài)毛化激光裝置C的具體結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括全反射鏡1，激光輸出鏡2，90°旋光器8， 聲光Q開關(guān)4，兩個二極管激光側(cè)面泵浦激光模塊5、9，光電門6，擴(kuò)束鏡和激光功率監(jiān)測裝 置7，其中全反射鏡1、激光輸出鏡2構(gòu)成諧振腔；90°旋光器8，聲光Q開關(guān)4，兩個二極管 激光側(cè)面泵浦激光模塊5、9構(gòu)成激光發(fā)生裝置。聲光Q開關(guān)4、二極管激光側(cè)面泵浦激光 模塊5、90°旋光器8、二極管激光側(cè)面泵浦激光模塊9、光電門6以同光軸、串聯(lián)的方式依 次設(shè)置在諧振腔內(nèi)，擴(kuò)束鏡和激光功率監(jiān)測裝置7設(shè)置在諧振腔輸出段外側(cè)。二極管激光 側(cè)面泵浦激光模塊5、9，為兩個相同的二極管激光側(cè)面泵浦激光模塊；其功率為300W ；采用 LD五維對稱、側(cè)面泵浦Nd:YAG晶體，每個二極管激光側(cè)面泵浦激光模塊采用30個激光二極 管列陣，每個二極管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%。兩個二極管激光側(cè)面泵浦激光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(shí)現(xiàn)了激光器有效的雙折射補(bǔ)償，使得徑向和切向偏振分量 具有相同的位相遲滯。全反射鏡采用平平鏡，部分輸出耦合鏡，即圖中的激光輸出鏡2也為 平平鏡，對1064nm激光透過率為40%，激光器采用對稱平平腔結(jié)構(gòu)。采用非穩(wěn)腔法精確分 別測得每一個激光棒，即兩個Nd: YAG棒為姊妹棒，產(chǎn)生的熱焦距之后，根據(jù)激光穩(wěn)定性條 件，設(shè)計(jì)諧振腔長，使兩個端鏡全反射鏡1和擴(kuò)束鏡、分別到最近的兩個二極管激光側(cè)面泵 浦激光模塊5、9端面的距離相等，均等于將激光二極管激勵電流加至最高32A時，激光晶體 產(chǎn)生的熱透鏡焦距175mm，兩激光晶體的主平面間的距離等于350mm，也就是說，等于將二 極管激光側(cè)面泵浦激光模塊中的激光二極管功率加至最高時激光晶體產(chǎn)生的熱透鏡焦距的二倍，兩個為姊妹棒的激光晶體主平面互相成像于對方的主平面上，使得徑向和切向偏 振分量具有相同的位相遲滯，從而實(shí)現(xiàn)了激光器有效的雙折射補(bǔ)償。此時，激光腔以“熱近 非穩(wěn)腔”模式運(yùn)行，在這種運(yùn)轉(zhuǎn)模式下，Nd:YAG棒的自限模作用大大提高了激光光束質(zhì)量。 圖5顯示了該激光器在實(shí)驗(yàn)室獲得的連續(xù)功率輸出曲線。在最高輸出功率623W時，激光光 束質(zhì)量因子M2 < 10。
實(shí)施例2:
如圖2中所示，實(shí)施例2的激光器包括全反射鏡1、激光輸出鏡2、45°旋光器3， 聲光Q開關(guān)4，二極管激光側(cè)面泵浦激光模塊5，光電門6 ；擴(kuò)束鏡和激光功率監(jiān)測裝置7。 其中全反射鏡1、激光輸出鏡2構(gòu)成諧振腔，45°旋光器3，聲光Q開關(guān)4，二極管激光側(cè)面泵 浦激光模塊5構(gòu)成激光發(fā)生裝置。并且45°旋光器3，聲光Q開關(guān)4，二極管激光側(cè)面泵浦 激光模塊5，光電門6 ；以同光軸，串聯(lián)的方式依次設(shè)置在諧振腔內(nèi)，擴(kuò)束鏡和激光功率監(jiān)測 裝置7設(shè)置在諧振腔輸出段外側(cè)。二極管激光側(cè)面泵浦激光模塊5為全固態(tài)，采用低摻雜 濃度離子摻雜濃度< 0. 7%和小孔徑尺寸直徑< 5mm的激光晶體，采用激光二極管三維 或五維的對稱側(cè)面泵浦結(jié)構(gòu)。45°旋光器3，為45°法拉第旋光器；用來激光晶體的補(bǔ)償熱 致雙折射效應(yīng)在激光模塊5和全反射鏡1中間放置45°旋光器3，并且激光模塊5中激光 晶體的主平面到諧振腔鏡的距離，等于將激光二極管功率加至最高時激光晶體產(chǎn)生的熱透 鏡焦距。則激光晶體主平面全反鏡成像于自身，當(dāng)激光往返通過45°旋光器3后，徑向和切 向偏振光有相同的相位延遲，從而補(bǔ)償熱致雙折射效應(yīng)。光電門6可隨時開啟或關(guān)斷激光 器的運(yùn)轉(zhuǎn)；擴(kuò)束鏡和激光功率監(jiān)測裝置7依據(jù)毛化設(shè)備具體需要設(shè)計(jì)。聲光Q開關(guān)4對激 光束進(jìn)行波形調(diào)制，通過控制波形形貌達(dá)到控制毛化點(diǎn)形貌的目的。
本發(fā)明的激光器結(jié)構(gòu)是在由全反鏡1和輸出鏡2構(gòu)成的激光諧振腔中，同光軸的 置有光電門3，一個或兩個二極管激光側(cè)面泵浦激光模塊5 (以及9)，聲光Q開關(guān)4，旋光器 3(或8)；輸出諧振腔鏡外置有擴(kuò)束鏡和激光功率監(jiān)測裝置7。其中激光模塊5和9均為全 固態(tài)，且性能完全相同，其中利用激光二極管為泵浦光源，采用三維或五維結(jié)構(gòu)從側(cè)面對稱 泵浦激光晶體，
通過合理設(shè)計(jì)激光二極管距離激光晶體的間距，提高二極管的泵浦效率以及激光 晶體內(nèi)增益的均勻性。而且所使用的激光晶體幾何形狀、外形尺寸、摻雜濃度、光學(xué)等級完 全相同。由于采用較低摻雜濃度的激光晶體可以獲得更均勻的泵浦增益分布，從而減小了 激光晶體的熱效應(yīng)，包括熱透鏡效應(yīng)、熱致雙折射效應(yīng)與熱退偏效應(yīng)。因此，本發(fā)明使用摻 雜濃度較低例如離子摻雜濃度< 0. 7%，的激光晶體，可以在保持輸出功率基本不變的基 礎(chǔ)上獲得更高的光束質(zhì)量。同時，本發(fā)明采用的激光晶體孔徑尺寸小，例如棒狀晶體通常 直徑< 5mm，在設(shè)計(jì)激光腔結(jié)構(gòu)時，要求當(dāng)激光器工作時，激光介質(zhì)上的基模體積盡可能的 大，則此時激光晶體相當(dāng)于一個自選模器件，這樣一方面增大了有效模體積，另一方面可利 用激光介質(zhì)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(jìn)一步提高振蕩激光的光束質(zhì)量。
本發(fā)明為了提高激光輸出功率，采用了熱致雙折射補(bǔ)償措施。補(bǔ)償熱致雙折射效 應(yīng)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激光晶體截面上每一點(diǎn) 的徑向和切向偏振輻射都獲得相等的位相遲滯，就可以達(dá)到減小退偏損耗的目的；同時使 得兩個偏振光的穩(wěn)定區(qū)相互重合，以達(dá)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(dāng)兩個性能完全相同的激光模塊5和9串接時，在中間放置90°旋光片8，并且兩激 光晶體的主平面間的距離，等于將激光二極管功率加至最高時激光晶體產(chǎn)生的熱透鏡焦距 的二倍，兩個互為姊妹棒的激光晶體主平面互相成像于對方的主平面，使得徑向和切向偏 振分量具有相同的位相遲滯，從而實(shí)現(xiàn)了激光器有效的雙折射補(bǔ)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，并且激光模塊5中激光晶體的主平面到諧 振腔鏡的距離，等于將激光二極管功率加至最高時激光晶體產(chǎn)生的熱透鏡焦距。則激光晶 體主平面全反鏡成像于自身，當(dāng)激光往返通過45°法拉第旋光器3后，徑向和切向偏振光 有相同的相位延遲，從而補(bǔ)償熱致雙折射效應(yīng)。
本發(fā)明激光腔采用“熱近非穩(wěn)腔結(jié)構(gòu)”，能夠緩解高功率與高光束質(zhì)量這對矛盾。 利用ABCD傳播矩陣，對激光晶體處光斑半徑隨熱透鏡變化的關(guān)系進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了 如圖4中所示開口向上的U型曲線，并由圖4中分析可知，當(dāng)激光器運(yùn)行于穩(wěn)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(zhì)量，同時運(yùn)轉(zhuǎn)于此處，激光晶體熱透鏡很短， 表明激光二極管泵浦功率可以加至最大?？梢姛峤欠€(wěn)腔結(jié)構(gòu)可以充分利用激光介質(zhì)的自 限模作用，同時又可以使得激光二極管泵浦功率加到最大，因而在保證輸出激光功率的前 提下，充分利用了熱透鏡效應(yīng)，保證了激光光束質(zhì)量，具有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明的全固態(tài)激光器可用于對金屬表面進(jìn)行激光毛化生產(chǎn)，主要應(yīng)用于毛化裝 備進(jìn)行軋輥激光毛化生產(chǎn)。該激光器性能穩(wěn)定，易于維護(hù)。首先激光模塊為真正模塊化結(jié) 構(gòu)，當(dāng)使用壽命已至，直接更換新的模塊即可，中間無任何維護(hù)工作。通過聲光Q開關(guān)在對 激光束進(jìn)行波形調(diào)制的同時，控制波形形貌，達(dá)到控制毛化點(diǎn)形貌的目的。在毛化生產(chǎn)中， 光電門可隨時控制激光器的運(yùn)行。依據(jù)具體毛化設(shè)備，定制專門的擴(kuò)束裝置，以便于毛化 設(shè)備中激光束的傳輸。同時，為了監(jiān)測激光器的穩(wěn)定性，激光器同時配備激光功率監(jiān)測裝 置。另外，本發(fā)明激光器采取了相應(yīng)保護(hù)措施保證實(shí)現(xiàn)實(shí)用化選用具有高損傷閾值的光學(xué) 元件，全腔光學(xué)元件均采用水冷，依靠機(jī)械設(shè)計(jì)保證激光器及其光路系統(tǒng)工作環(huán)境穩(wěn)定、清 潔、干燥，增加冷卻水水壓過低保護(hù)和突發(fā)事件急停裝置。
綜上所述，本發(fā)明激光器采用多種措施保證輸出光束同時獲得高功率與高光束質(zhì) 量。首先本發(fā)明采用的激光模塊具有獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，用激光二極管代替氙燈作為泵浦光源，大大 提高光源利用效率，從而減少激光晶體熱效應(yīng)，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(fā)明采用激光晶體為低摻雜濃度，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(chǔ)上獲得更高的光束質(zhì)量；本發(fā) 明采用的激光晶體孔徑尺寸小，則激光晶體本身相當(dāng)于一個自選模器件，從而抑制了高階 模式，提高振蕩激光的光束質(zhì)量。另外，本發(fā)明利用熱致雙折射補(bǔ)償措施，使得同一個激光 晶體截面上每一點(diǎn)的徑向和切向偏振輻射都獲得相等的位相遲滯，以達(dá)到減小退偏損耗的 目的；同時使得兩個偏振光的穩(wěn)定區(qū)相互重合，最終達(dá)到提高泵浦功率最終提高輸出功率 的目的。最后，本發(fā)明激光腔采用“熱近非穩(wěn)腔結(jié)構(gòu)”，能夠緩解高功率與高光束質(zhì)量這對矛 盾，充分利用激光介質(zhì)的自限模作用的同時，又使得激光二極管泵浦功率加到最大，因而在 保證輸出激光功率的前提下，充分利用了熱透鏡效應(yīng)，保證了激光光束質(zhì)量，具有其獨(dú)特的 優(yōu)點(diǎn)。所以，采用本發(fā)明激光器作為毛化設(shè)備的光源，可以實(shí)現(xiàn)對毛化軋輥精密度的提高， 可應(yīng)用于低粗糙度、高密度、高均勻度優(yōu)質(zhì)汽車、家電板的毛化。
權(quán)利要求
1.一種激光毛化用全固態(tài)激光器，包括激光直流電源、Q開關(guān)驅(qū)動器、水冷機(jī)；其特征 為，還包括全固態(tài)毛化激光裝置，所述全固態(tài)毛化激光裝置包括，同光軸依次串聯(lián)在一起的 全反射鏡，激光發(fā)生裝置，光電門和激光輸出鏡和激光功率檢測裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全固態(tài)激光器，其特征為，所述激光發(fā)生裝置包括，同光軸依 次串聯(lián)的45°旋光器，聲光Q開關(guān)，二極管激光側(cè)面泵浦激光模塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全固態(tài)激光器，其特征為，所述激光發(fā)生裝置包括，同光軸依 次串聯(lián)的聲光Q開關(guān)，兩個二極管激光側(cè)面泵浦激光模塊，在所述兩個二極管激光側(cè)面泵 浦激光模塊之間還同光軸串聯(lián)有90°旋光器。
4.根據(jù)權(quán)利要求2和3所述的全固態(tài)激光器，其特征為，所述二極管激光側(cè)面泵浦激光 模塊為全固態(tài)，采用離子摻雜濃度< 0. 7%和直徑< 5mm的激光晶體，采用激光二極管三維 或五維的對稱側(cè)面泵浦結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的全固態(tài)激光器，其特征為，所述二極管激光側(cè)面泵浦激光模 塊中激光晶體的主平面到諧振腔鏡的距離，等于將激光二極管功率加至最高時激光晶體產(chǎn) 生的熱透鏡焦距。
6.根據(jù)權(quán)利要求2和3所述的全固態(tài)激光器，其特征為，所述光電門可隨時開啟或關(guān)斷 激光器的運(yùn)轉(zhuǎn)；擴(kuò)束鏡和激光功率監(jiān)測裝置依據(jù)毛化設(shè)備具體需要設(shè)計(jì)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全固態(tài)激光器，其特征為，所述聲光Q開關(guān)對激光束進(jìn)行波形 調(diào)制，通過控制波形形貌達(dá)到控制毛化點(diǎn)形貌的目的。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的全固態(tài)激光器，其特征為，所述兩個激光模塊完全相同，兩激 光晶體的主平面間的距離，等于將激光二極管功率加至最高時激光晶體產(chǎn)生的熱透鏡焦距 的二倍。
9.根據(jù)權(quán)利要求2和3所述的全固態(tài)激光器，其特征為，所述二極管激光側(cè)面泵浦激光 模塊采用激光二極管側(cè)面泵浦固體激光介質(zhì)，激光介質(zhì)可以是Nd:YAG晶體、NdiGGG晶體、 Nd GdV04晶體或％ YAG晶體。
全文摘要
一種激光毛化用全固態(tài)激光器，包括激光直流電源、Q開關(guān)驅(qū)動器、水冷機(jī)和全固態(tài)毛化激光裝置，所述全固態(tài)毛化激光裝置包括，同光軸依次串聯(lián)在一起的全反射鏡，激光發(fā)生裝置，光電門和激光輸出鏡和激光功率檢測裝置適用于高質(zhì)量金屬表面的毛化處理。本發(fā)明中的激光器采用小尺寸、低摻雜濃度雙棒串接和熱致雙折射補(bǔ)償裝置，結(jié)合熱近非穩(wěn)腔設(shè)計(jì)，巧妙化解高功率與高光束質(zhì)量這對矛盾。與先前技術(shù)相比，本發(fā)明的全固態(tài)激光毛化激光器光束能量密度高、發(fā)散角小，能夠提高激光毛化密度，激光模塊壽命長、維護(hù)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(yōu)先權(quán)日2010年11月10日
發(fā)明者任志遠(yuǎn), 楊明江, 耿愛叢, 覃志康, 邵鑫 申請人:中國科學(xué)院力學(xué)研究所