本發(fā)明涉及一種激光二極管泵浦的激光器及其應(yīng)用系統(tǒng)。根據(jù)激光安全的相關(guān)規(guī)定，在激光器或激光器應(yīng)用系統(tǒng)的使用中，一旦需將激光器安全鎖定，即緊急中止激光束期間，不但驅(qū)動(dòng)常規(guī)的激光安全鎖定裝置中止激光束，也同時(shí)將泵浦激光二極管的驅(qū)動(dòng)電流躍降到激光器工作所需的閾值電流之下，不僅使激光器使用更安全可靠，亦可節(jié)約能源并延長(zhǎng)激光二極管的使用壽命。

技術(shù)背景

根據(jù)激光安全的相關(guān)規(guī)定，目前大量得到使用的激光二極管泵浦的激光器，包括如Nd:YAG、Yb:YAG、Nd:YVO等固體激光器和Yb、Nd及Ho等各種摻雜的光纖激光器，都必須配備有激光安全鎖定裝置。在激光器使用操作之中，遇到任何下列之一的情況下，必須依靠連鎖裝置，自動(dòng)的啟動(dòng)激光安全鎖定裝置，中止激光束的發(fā)射：

1，有未佩戴安全防護(hù)用品的人員進(jìn)出相應(yīng)規(guī)定的工作區(qū)域時(shí)；

2，因更換激光加工工件，或維修檢查激光應(yīng)用系統(tǒng)中其它設(shè)備環(huán)節(jié)，把激光加工機(jī)的機(jī)罩打開時(shí)；

3，其他需要緊急中止激光的情況。

常見的激光安全鎖定裝置是一種插人激光器諧振腔內(nèi)光路中的機(jī)械“快門”。一旦機(jī)械“快門”閉鎖，激光器諧振腔內(nèi)光路被阻斷，使激光器中止發(fā)射激光。機(jī)械“快門”也可以插人激光器諧振腔外光路中，在激光器之外將激光束阻斷于安全的范圍內(nèi)。

這種“安全鎖定”的方法可以增加激光應(yīng)用時(shí)的安全性。但是在中止激光發(fā)射或阻斷激光束的同時(shí)，激光器本身仍處在原負(fù)荷的工作狀態(tài)。從消耗及壽命角度而言是一種浪費(fèi)。同時(shí)對(duì)于難于從激光諧振腔內(nèi)部中止激光工作的器體，如一些光纖激光器，強(qiáng)行從激光器外部阻斷激光束，尤其是強(qiáng)功率激光束時(shí)，安全隱患仍然存在，激光束阻斷裝置會(huì)發(fā)熱或被強(qiáng)功 率激光束損壞。

因此，研究開發(fā)新型的激光器安全鎖定裝置，不但能保證和加強(qiáng)激光器或激光器應(yīng)用系統(tǒng)工作時(shí)的安全性，也可以改進(jìn)激光器工作的效率和壽命，避免強(qiáng)激光情況下激光器安全鎖定裝置的過(guò)熱或破壞風(fēng)險(xiǎn)，從技術(shù)和應(yīng)用角度上來(lái)講，都是非常有意義的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

作為對(duì)上述現(xiàn)有常規(guī)技術(shù)的一種改進(jìn)，本發(fā)明提供了一種激光二極管泵浦的激光器的新設(shè)計(jì)，特別是相關(guān)于激光器安全鎖定方面的新設(shè)計(jì)。其特點(diǎn)是無(wú)論在什么情況下，諸如有未佩戴相關(guān)激光防護(hù)用品的人員進(jìn)入劃定的激光工作安全控制區(qū)時(shí)，或是對(duì)相關(guān)激光器或激光應(yīng)用設(shè)備部件進(jìn)行檢查而打開相關(guān)防護(hù)罩時(shí)，或是諸如在激光加工設(shè)備中更換加工工件而打開相關(guān)機(jī)罩時(shí)，或其他需緊急中止激光束對(duì)，在激光器的安全鎖定自動(dòng)啟動(dòng)而中止激光器發(fā)射激光或阻斷激光光束的同時(shí)，泵浦激光二極管的驅(qū)動(dòng)電路將驅(qū)動(dòng)電流由正常工作值自動(dòng)的快速的躍降至某一個(gè)低的數(shù)值。而一旦上述情況全部解除，激光器安全鎖定自動(dòng)解除時(shí)，泵浦激光二極管的驅(qū)動(dòng)電路同時(shí)將驅(qū)動(dòng)電流由該低的數(shù)值快速的躍升回復(fù)到原來(lái)的正常工作值。

該低值電流的選定原則為：

(1)低于固體激光器或者光纖激光器發(fā)射激光所需之泵浦二極管的泵浦閾值電流。故相應(yīng)的固體激光器或光纖激光器在即使安全鎖定機(jī)械裝置處于“開通”狀態(tài)下亦無(wú)激光束能量發(fā)射。因此不但進(jìn)一步加強(qiáng)了安全鎖定的可靠性，同時(shí)也顯著降低了對(duì)安全鎖定裝置的工作負(fù)荷，避免其發(fā)熱及損壞的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)又降低整個(gè)激光器的功耗水平，并延長(zhǎng)泵浦二極管的工作壽命；

(2)明顯的高于零值，即有效維持泵浦二極管和整個(gè)激光器處于所需的“熱”狀態(tài)。從而當(dāng)安全鎖定一旦介除，整個(gè)激光器可快速進(jìn)入到正常工作所需的熱平衡狀態(tài)，保證正常工作所需的各項(xiàng)激光參數(shù)指標(biāo)。

上述泵浦激光二極管的驅(qū)動(dòng)電流的躍降和躍升的時(shí)間的選定原則為：

(1)不長(zhǎng)于激光安全快門本身的動(dòng)作時(shí)間；

(2)不過(guò)分的快，以避免過(guò)高的技術(shù)難度，及對(duì)泵浦二極管的過(guò)分電流沖擊，

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，一般這個(gè)泵浦激光二極管的驅(qū)動(dòng)電流的躍降和躍升時(shí)間選定在0.01至1毫秒的范圍內(nèi)。

附圖說(shuō)明

圖1是一種激光二極管泵浦的固體激光器示意圖

圖2是一種激光二極管泵浦的光纖激光器示意圖

圖3是常規(guī)激光器工作時(shí)安全鎖定，二極管泵浦驅(qū)動(dòng)電流和激光束輸出示意圖

圖4是本發(fā)明激光器工作時(shí)安全鎖定，二極管泵浦驅(qū)動(dòng)電流和激光束輸出示意圖

具體實(shí)施方式

圖1為一種激光二極管泵浦的固體激光器的示意圖。其中11為激光諧振腔的全反射鏡，14為激光諧振腔的輸出鏡，12為聲光Q開關(guān)，13為固體激光器激光工作介質(zhì)棒，如Nd:YAG、Yb:YVO晶體等，15為單個(gè)或多個(gè)固體激光器的泵浦激光二極管或激光二極管組件，16為泵浦激光二極管發(fā)出的泵浦光，17為激光器安全鎖定機(jī)械快門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，18為安全鎖定機(jī)械快門擋光臂，一般情況下將17和18合稱為安全鎖定機(jī)械快門。圖1中20為激光二極管驅(qū)動(dòng)電路、聲光Q開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路及安全鎖定機(jī)械快門的驅(qū)動(dòng)電源，19代表對(duì)單個(gè)或多個(gè)泵浦激光二極管或激光二極管組件15的驅(qū)動(dòng)電流輸出，24代表對(duì)安全鎖定機(jī)械快門的驅(qū)動(dòng)電壓輸出，25代表聲光Q開關(guān)的驅(qū)動(dòng)電壓。圖1中21為激光器的安全鎖定回路，22及23代表安全鎖定回路21中接入的安全鎖定開關(guān)或傳感器。驅(qū)動(dòng)電源20的設(shè)計(jì)保證了只有當(dāng)22及23都處于閉合狀態(tài)時(shí)，即安全鎖定回路21處于完全閉合狀態(tài)時(shí)，由驅(qū)動(dòng)電源20輸出的對(duì)安全鎖定機(jī)械快門的驅(qū)動(dòng)電壓24，會(huì)保證通過(guò)激光器安全鎖定機(jī)械快門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)17，令安全鎖定機(jī)械快門擋光臂18移出激光諧振腔的光路，容許激光器可以安全工作，輸出激光束28。安全鎖定開關(guān)或傳感器22及23可以分別是安裝在指定激光安全工作區(qū)安全門上的和激光系統(tǒng)機(jī)罩門上的連鎖開關(guān)，，其具體數(shù)量可由具體情況決定。當(dāng)安全門和激光系統(tǒng)機(jī)罩門安全閉合時(shí)，相應(yīng)的安全鎖定開關(guān)或傳感器22及23閉合。在激光器正常工作中，一旦安全門和激光系統(tǒng)機(jī)罩門中任何一個(gè)被打開，安全鎖定回路21立即斷開，驅(qū)動(dòng)電源20通過(guò)其驅(qū)動(dòng)電壓24，控制激光器安全鎖定機(jī)械快門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)17令安全鎖定機(jī)械快門擋光臂18立即移入激光諧振腔的光路，安全阻斷激光器的工作。需要強(qiáng)調(diào)的是，在此情況下，激光器的其他部分仍都處于“正?！钡墓ぷ鳡顟B(tài)，特別是激光器的泵浦激光二極管15仍處于正常工作電流的滿 負(fù)荷狀態(tài)。相關(guān)情況可以通過(guò)圖3來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明。

圖3是常規(guī)激光器工作時(shí)安全鎖定，二極管泵浦驅(qū)動(dòng)電流和激光束輸出示意圖。

圖3(A)中，Vs表示了驅(qū)動(dòng)電源20輸出的對(duì)安全鎖定機(jī)械快門的驅(qū)動(dòng)電壓24，圖3(B)中，I_d表示了驅(qū)動(dòng)泵浦激光二極管的驅(qū)動(dòng)電流19。其中I_w表示了泵浦激光二極管的正常工作電流，I_T表示了激光器在其工作閾值時(shí)對(duì)應(yīng)的泵浦激光二極管的工作電流值。圖3(C)中，P表示了激光器輸出的激光束功率。圖3(A)(B)和(C)顯示了在激光器正常工作情況下，一旦在時(shí)刻t₁安全鎖定裝置被起動(dòng)，激光束28的發(fā)射被中止，而在時(shí)刻t₂.安全鎖定裝置的鎖定被解除，激光束28的發(fā)射恢復(fù)。安全鎖定裝置時(shí)刻t₃再次被起動(dòng)，到時(shí)刻t₄解除，激光束28的發(fā)射相應(yīng)的在時(shí)刻t₃到時(shí)刻t₄間被中止。而在此期間，泵浦激光二極管的工作電流19，即I_d，一直保持為恒定的I_w不變。

圖2為一種典型的激光二極管泵浦的連續(xù)光纖激光器的示意圖。其中31為激光工作光纖，其本身的兩個(gè)端面直接分別作為激光諧振腔的全反射端及激光諧振腔的輸出端工作。圖中32及33為二極管泵浦光纖，它們的一端與泵浦激光二極管34、36對(duì)準(zhǔn)，接收泵浦光35及37，另一端與激光工作光纖31特別燒融連接，使接收的泵浦光對(duì)激光光纖進(jìn)行泵浦。圖中39為處于激光器輸出光束光路上的安全鎖定機(jī)械快門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)38的光束阻擋臂；48為激光器在安全鎖定快門后發(fā)射輸出的激光束。從工作控制方面來(lái)講，該激光器與圖1所示激光器相比，除了沒有了聲光Q開關(guān)及其驅(qū)動(dòng)電路外，是相同的，故圖中從略未再示出相關(guān)驅(qū)動(dòng)電源及安全鎖定回路等。而且，圖2激光器的安全鎖定回路及激光器的工作情況和圖1所示激光器情況也類似，在此也不再重復(fù)。要強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)是，對(duì)于圖2所示激光器，由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，安全鎖定機(jī)構(gòu)的光束阻擋臂38不能插入到激光諧振腔中，而只能安置于激光諧振腔外部的激光光路上。因此對(duì)于常規(guī)的激光安全鎖定技術(shù)而言，在激光器正常工作時(shí)，一旦安全鎖定38，39被啟動(dòng)，安全鎖定機(jī)構(gòu)的光束阻擋臂39被立即驅(qū)動(dòng)插入到激光諧振腔外部的激光光路上。此時(shí)它只是將激光束阻斷于局限的區(qū)域，而非將激光束本身的發(fā)射中止。如果激光束的功率比較高，可以引起安全鎖定機(jī)構(gòu)的光束阻擋臂39過(guò)熱或破壞等問題。

由上述介紹可見，常規(guī)的激光器“安全鎖定”的方法和技術(shù)可以提供激光應(yīng)用時(shí)的安全性。但是在中止激光發(fā)射或阻斷激光束的同時(shí)，激光器本身仍處在原負(fù)荷的工作狀態(tài)。從消耗及壽命角度而言是一種浪費(fèi)。同時(shí)對(duì)于難于從激光諧振腔內(nèi)部中止激光束發(fā)射的器體，如一些光纖激光器，強(qiáng)行從激光器外部阻斷激光束，尤其是強(qiáng)功率激光束時(shí)，仍然存在激光束 阻斷裝置會(huì)發(fā)熱或被強(qiáng)功率激光束損壞的安全隱患。

作為對(duì)上述現(xiàn)有常規(guī)技術(shù)的一種改進(jìn)，本發(fā)明提供了一種激光二極管泵浦的激光器的新設(shè)計(jì)，特別是相關(guān)于激光器安全鎖定方面的新設(shè)計(jì)。其特點(diǎn)是無(wú)論在什么情況下，諸如有未佩戴相關(guān)激光防護(hù)用品的人員進(jìn)入劃定的激光工作安全控制區(qū)時(shí)，或是對(duì)相關(guān)激光器或激光應(yīng)用設(shè)備部件進(jìn)行檢查而打開相關(guān)防護(hù)罩時(shí)，或是諸如在激光加工設(shè)備中更換加工工件而打開相關(guān)機(jī)罩時(shí)，或其他需緊急中止激光束的情況下，激光器的安全鎖定自動(dòng)啟動(dòng)而中止激光器發(fā)射激光或阻斷激光光束，泵浦激光二極管的驅(qū)動(dòng)電路將立即同時(shí)將驅(qū)動(dòng)電流由正常工作值自動(dòng)的快速的躍降至某一個(gè)低的數(shù)值。而一旦上述情況全部解除，激光器安全鎖定自動(dòng)解除時(shí)，泵浦激光二極管的驅(qū)動(dòng)電路同時(shí)將驅(qū)動(dòng)電流由該低的數(shù)值快速的躍升回復(fù)到原來(lái)的正常工作值。圖4是本發(fā)明激光器工作時(shí)安全鎖定，二極管泵浦驅(qū)動(dòng)電流和激光束輸出示意圖。圖4(A)中，Vs表示了相應(yīng)于圖1中驅(qū)動(dòng)電源20輸出的對(duì)安全鎖定機(jī)械快門的驅(qū)動(dòng)電壓24，圖4(B)中，I_d表示了驅(qū)動(dòng)泵浦激光二極管的驅(qū)動(dòng)電流19。其中I_w表示了泵浦激光二極管的正常工作電流，I_T表示了激光器在其工作閾值時(shí)對(duì)應(yīng)的泵浦激光二極管的工作電流值。與常規(guī)激光器安全鎖定技術(shù)不同的是，在本發(fā)明中，一旦在時(shí)刻t₁安全鎖定裝置被啟動(dòng)，泵浦激光二極管的驅(qū)動(dòng)電流不再是原來(lái)恒定的I_w，而是在同時(shí)被控制在一個(gè)時(shí)間間隔Δt_f內(nèi)，從I_w躍降為一個(gè)預(yù)定的低于激光器工作閾值泵浦電流I_T的電流值I_L，激光束28的發(fā)射被中止。而當(dāng)在時(shí)刻t_2.安全鎖定裝置的鎖定被解除時(shí)，泵浦激光二極管的驅(qū)動(dòng)電流同時(shí)從I_L被控制在一個(gè)時(shí)間間隔Δt_r內(nèi)，躍升恢復(fù)至原來(lái)的正常工作值I_w，激光束28的發(fā)射恢復(fù)。安全鎖定裝置在時(shí)刻t₃再次被啟動(dòng)，到時(shí)刻t₄解除，泵浦激光二極管的驅(qū)動(dòng)電流重復(fù)上述的從I_w躍降至I_L，再?gòu)腎_L躍升恢復(fù)至I_w的過(guò)程，激光束28的發(fā)射相應(yīng)的在時(shí)刻t₃到時(shí)刻t₄間被中止。圖4(C)中，P表示了激光器輸出的激光束功率。在安全鎖定期間，即時(shí)刻t₁到時(shí)刻t₂期間，和時(shí)刻t₃到時(shí)刻t₄期間，激光器輸出的激光束被中止或阻斷。

上述預(yù)定的低于激光器工作閾值泵浦電流I_T的電流值I_L的選定原則為：

(1)低于固體激光器或者光纖激光器發(fā)射激光所需之泵浦二極管的泵浦閾值電流I_T。故相應(yīng)的固體激光器或光纖激光器在即使安全鎖定機(jī)械裝置處于“開通”狀態(tài)下亦無(wú)激光束能 量發(fā)射。因此不但進(jìn)一步加強(qiáng)了激光安全鎖定的可靠性，同時(shí)也顯著降低了對(duì)安全鎖定裝置的工作負(fù)荷，避免其發(fā)熱及損壞的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)又降低整個(gè)激光器的功耗水平，并延長(zhǎng)泵浦二極管的工作壽命；

(2)明顯的高于零值，即有效維持泵浦二極管和整個(gè)激光器處于所需的“熱”狀態(tài)。從而當(dāng)安全鎖定一旦介除，整個(gè)激光器可快速恢復(fù)到正常工作所需的熱平衡狀態(tài)，保證正常工作所需的各項(xiàng)激光參數(shù)指標(biāo)。

具體選定時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體激光器的起動(dòng)熱恢復(fù)時(shí)間快慢及激光器應(yīng)用對(duì)激光參數(shù)指標(biāo)要求來(lái)平衡衡量。如具體激光器的起動(dòng)熱恢復(fù)時(shí)間慢及激光器應(yīng)用對(duì)激光參數(shù)指標(biāo)要求高，那么I_L應(yīng)低于但比較接近固體激光器或者光纖激光器發(fā)射激光所需之泵浦二極管的泵浦閾值電流I_T。反之，I_L可以選定為更低的值。

上述泵浦激光二極管的驅(qū)動(dòng)電流的躍降和躍升的時(shí)間Δt_f和Δt_人的選定原則為：

(1)不長(zhǎng)于激光安全鎖定快門本身的動(dòng)作時(shí)間。對(duì)于機(jī)械結(jié)構(gòu)的安全鎖定快門而言，其動(dòng)作時(shí)間一般在微秒到毫秒的量級(jí)；

(2)不過(guò)分的快，以避免技術(shù)上實(shí)現(xiàn)的難度過(guò)高，及對(duì)泵浦二極管的過(guò)分電流沖擊。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)及分析，一般這個(gè)泵浦激光二極管的驅(qū)動(dòng)電流的躍降和躍升時(shí)間選定在0.01至1毫秒的范圍內(nèi)。