專利名稱：一級諧振兩級放大的千瓦級大功率脈沖NdYAG激光器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種固體激光器，特別是涉及一種工業用千瓦級大功率脈沖Nd:YAG 激光器，屬于激光器領域。
背景技術：
目前應用于工業加工中的激光器主要是CO2激光器和固體Nd:YAG激光器，固體 Nd:YAG激光器具有輸出能量大、峰值功率高、器件結構緊湊、便于光纖藕合、比0)2氣體激光器波長短、使用壽命長和單元技術成熟等優點，現已在工業激光材料加工、激光醫學、激光化學、科學研究與發展以及國防軍事等方面獲得廣泛的應用，形成了廣闊的世界固體激光市場。然而我國千瓦以上的工業化固體激光器全部依賴進口，極大地制約了我國先進制造業的發展。目前我國的激光設備生產企業主要生產50W-600W激光加工設備，工業大功率固體激光器研發相對滯后。除國內某大學采用多棒串接的方式研發出2kW的大功率連續固體激光器和國內某半導體所全固態光源實驗室軍用5KW固體激光器外，國內千瓦級工業大功率固體激光器的生產制造還沒有實現。前述兩種國內研發的固體激光器由于光束質量不夠高，不能耦合進入光纖，只能硬光路進行傳輸，因此還只能在實驗室中使用。
發明內容
本發明的目的在于提供一種光束質量高、能柔性輸出的千瓦級工業大功率固體激光器。本發明的目的通過以下技術方案予以實現一種一級諧振兩級放大的千瓦級大功率脈沖Nd:YAG激光器，它采用一級諧振兩級放大的三級MOPA系統結構和光纖柔性輸出方式，它包括分別安裝在底座上的激光準直系統、諧振級、一級放大級、二級放大級和柔性輸出系統，所述的一級放大級位于諧振級輸出端的中心線上；二級放大級位于一級放大級的一側，且與一級放大級平行；所述柔性輸出系統位于二級放大級的輸出端；激光準直系統位于諧振級輸入端的中心線上。所述的諧振級由光學諧振腔、激光腔組成；一級放大級由一級激光腔、一級45° 全反鏡組成；二級放大級由二級激光腔、二級45°全反鏡、激光器輸出鏡組成。所述光學諧振腔采用平凹結構腔，由凹面全反鏡和平面輸出鏡這兩種光學鏡片組成，兩光學鏡片以設定的間距相向放置；所述激光腔由聚光腔、激光晶體棒、兩支泵浦氙燈、 濾光管組成，激光腔放置在距離凹面全反鏡具有一設定間距的諧振腔的中心線上，激光晶體棒放置在聚光腔的中心，其外套有濾光管，兩支泵浦氙燈對稱放置在激光晶體棒的兩側， 聚光腔底部接有水冷裝置。所述一級激光腔由一級聚光腔、激光晶體棒、兩支泵浦氙燈、濾光管組成，一級激光腔放置在距離諧振級平面輸出鏡為設定間距的諧振腔的中心線上，激光晶體棒放置在聚光腔的中心，其外套有濾光管，兩支泵浦氙燈對稱放置在激光晶體棒的兩側，聚光腔底部接有水冷裝置；所述一級45°全反鏡以距離一級激光腔輸出端為一設定間距放置在諧振腔的中心線上。所述二級激光腔由聚光腔、激光晶體棒、兩支泵浦氙燈及濾光管組成，激光晶體棒放置在聚光腔的中心，其外套有濾光管，兩支泵浦氙燈對稱放置在晶體棒的兩側，聚光 腔底部接有水冷裝置；所述二級45°全反鏡以距離二級激光腔輸入端為一設定間距放置在二級激光腔的中心線上。所述二級激光腔和一級激光腔以設定的間距平行且兩端對齊的放置；激光器輸出鏡由兩個45°全反鏡組成，第一 45°全反輸出鏡以距離二級激光腔輸出端為設定的間距放置在二級激光腔的中心線上，第二 45°全反輸出鏡以間距第一 45°全反輸出鏡一設定的距離平行放置在二級激光腔中心線的垂線上。所述柔性輸出系統包括光纖耦合頭和光纖，所述光纖耦合頭放置在第二 45°全反輸出鏡的輸出端。所述激光準直系統為He-Ne準直激光器，該He-Ne準直激光器以設定的距離放置在諧振級凹面全反鏡的輸入端的中心線上。所述凹面全反鏡為Φ2cm R = 4m凹面全反鏡；所述平面輸出鏡為Φ2cm R =① T = 60%的平面輸出鏡；所述凹面全反鏡與平面輸出鏡以間距580mm的距離相向放置；所述聚光腔為雙橢圓鍍金聚光腔；所述激光晶體棒為Φ8πιπιΧ 180mm摻雜濃度為0. 8%的激光晶體棒；所述泵浦氙燈為Φ8πιπιΧ 180mm的泵浦氙燈；所述激光腔放置在距離凹面全反鏡為 200mm的諧振腔的中心線上；所述一級激光腔中的聚光腔為雙橢圓鍍金聚光腔；所述激光晶體棒為 Φ9mmX 180mm摻雜濃度為0. 8%的激光晶體棒；所述泵浦氙燈為Φ9πιπιΧ180πιπι的泵浦氙燈；所述一級激光腔放置在距離諧振級平面輸出鏡為120mm的諧振腔的中心線上；所述一級45°全反鏡以距離一級激光腔輸出端為160mm的間距放置在諧振腔的中心線上；所述二級激光腔中的聚光腔為雙橢圓鍍金聚光腔；所述激光晶體棒為 Φ9mmX 180mm摻雜濃度為0. 8%的激光晶體棒；所述泵浦氙燈為Φ9πιπιΧ180πιπι的泵浦氙燈；所述二級45°全反鏡以距離二級激光腔輸入端為160mm的間距放置在二級激光腔的中心線上；所述二級激光腔和一級激光腔以210mm的間距平行且兩端對齊的放置；所述第一 45°全反輸出鏡以距離二級激光腔輸出端為540mm的間距放置在二級激光腔輸出端的中心線上，第二 45°全反輸出鏡以間距第一 45°全反輸出鏡IOOmm的距離平行放置在二級激光腔中心線的垂線上；所述光纖耦合頭以距離激光輸出鏡中第二 45°全反輸出鏡為IlOmm的距離放置。本發明總體上采用一級諧振兩級放大的三級MOPA系統結構和光纖柔性輸出方式，設計實現了工業千瓦級大功率脈沖Nd:YAG激光器。本發明的激光器具有光束質量高、功率穩定、能柔性輸出等優點，其最高輸出功率1125W、光電轉換效率3.3%、光束質量 22mm ^racU耦合進入Φ0. 6mm的光纖，在輸出功率為957W連續運轉兩小時后的功率不穩定度為2.5%，能滿足工業生產大功率、柔性加工的需求，填補了國內千瓦級大功率激光加工系統用的商品級可靠、穩定的脈沖Nd:YAG激光器的空缺，具有顯著經濟效益和社會效益。
圖1是本發明的一級諧振兩級放大的千瓦級大功率脈沖Nd: YAG激光器結構示意圖；圖中1、底座；2、He-Ne準直激光器；3、激光腔；4、諧振級；5、一級放大級；6、二級放大級；7、光纖耦合頭；8、光纖；9、凹面全反鏡；10、平面輸出鏡；11、一級45°全反鏡；12、 雙橢圓鍍金聚光腔；13、外部套有濾光管的激光晶體棒；14、泵浦氙燈1 ；15、第一 45°全反輸出鏡；16、第二 45°全反輸出鏡；17、二級45°全反鏡；31、一級激光腔；32、二級激光腔。
具體實施例方式下面結合附圖及具體實施例對本發明作進一步的說明。如圖1所示結構是本發明實施例一的一種一級諧振兩級放大的千瓦級大功率脈沖Nd: YAG激光器，它采用一級諧振兩級放大的三級MOPA系統結構和光纖柔性輸出方式，它包括分別安裝在底座1上的激光準直系統2、諧振級4、一級放大級5、二級放大級6和柔性輸出系統，所述的一級放大級5位于諧振級4輸出端的中心線上；二級放大級6位于一級放大級5的一側，且與一級放大級5平行；所述柔性輸出系統位于二級放大級6的輸出端；激光準直系統2位于諧振級4輸入端的中心線上。所述的諧振級4由光學諧振腔、激光腔3組成；一級放大級5由一級激光腔31、一級45°全反鏡11組成；二級放大級6由二級激光腔32、二級45°全反鏡17、激光器輸出鏡組成。所述光學諧振腔采用平凹結構腔，由Φ2cm R = 4m凹面全反鏡9和Φ2οπι R = -T = 60%平面輸出鏡10這兩種光學鏡片組成，兩光學鏡片以間距580mm的距離相向放置；所述激光腔3由雙橢圓鍍金聚光腔12、OSmmX 180mm摻雜濃度為0. 8%的激光晶體棒 13、兩支OSmmX 180mm的泵浦氙燈14、濾光管組成，所述激光腔3放置在距離凹面全反鏡9 為200mm的諧振腔的中心線上，激光晶體棒13放置在聚光腔12的中心，其外套有濾光管， 兩支泵浦氙燈14對稱放置在激光晶體棒13的兩側，聚光腔12底部接有水冷裝置(圖中未示出)。所述一級激光腔31由雙橢圓鍍金聚光腔12、0 9mmX 180mm摻雜濃度為0. 8%的激光晶體棒13、兩支Φ9πιπιΧ 180mm的泵浦氙燈14、濾光管組成，一級激光腔31放置在距離諧振級4平面輸出鏡10為120mm的諧振腔的中心線上，激光晶體棒13放置在聚光腔12的中心，其外套有濾光管，兩支泵浦氙燈14對稱放置在激光晶體棒13的兩側，聚光腔12底部接有水冷裝置(圖中未示出)；所述所述一級45°全反鏡11以距離一級激光腔31輸出端為160mm的間距放置在諧振腔的中心線上。所述二級激光腔32由雙橢圓鍍金聚光腔12、0 9mmX 180mm摻雜濃度為0. 8%的激光晶體棒13、兩支Φ9πιπιΧ 180mm的泵浦氙燈14及濾光管組成，激光晶體棒13放置在聚光腔12的中心，其外套有濾光管，兩支泵浦氙燈14對稱放置在晶體棒13的兩側，聚光腔12 底部接有水冷裝置(圖中未示出)；所述二級45°全反鏡17以距離二級激光腔32輸入端為160mm的間距放置在二級激光腔的中心線上。所述二級激光腔32和一級激光腔31以210mm的間距平行且兩端對齊的放置；激光器輸出鏡由兩個45°全反鏡組成，第一 45°全反輸出鏡15以距離二級激光腔32輸出端為540mm的間距放置在二級激光腔32輸出端的中心線上，第二 45°全反輸出鏡16以間距第一 45°全反輸出鏡IOOmm的距離平行放置在二級激光腔32輸出端中心線的垂線上。
所述柔性輸出系統包括光纖耦合頭7和光纖8，所述光纖耦合頭7以距離激光輸出鏡中第二 45°全反輸出鏡16為IlOmm的距離放置。所述激光準直系統2為He-Ne準直激光器，該He-Ne準直激光器以設定的距離放置在諧振級4凹面全反鏡9的輸入端的中心線上。在上述一級諧振兩級放大的Nd:YAG激光器中，泵浦氙燈輻射的光能，經過聚光腔，使諧振級、放大級晶體棒中的激活粒子吸收光能，讓其形成粒子數反轉。諧振腔中的晶體棒實現粒子數反轉后，通過諧振腔的選頻、選向，使頻率一定、沿軸線方向的受激輻射光子在腔內多次往返形成相干的持續振蕩，從而實現光的放大。諧振級輸出的放大光依次經過已處于粒子數反轉的一級放大級、二級放大級，實現激光的單程行波放大。使得激光器的總功率不斷增加，最終輸出大功率的激光。本發明并不限于以上實施方式，只要是本說明書及權利要求書中提及的方案均是可以實施的。
權利要求
1.一級諧振兩級放大的千瓦級大功率脈沖Nd:YAG激光器，其特征在于它包括分別安裝在底座上的激光準直系統、諧振級、一級放大級、二級放大級和柔性輸出系統，所述的一級放大級位于諧振級輸出端的中心線上；二級放大級位于一級放大級的一側，且與一級放大級平行；所述柔性輸出系統位于二級放大級的輸出端；激光準直系統位于諧振級輸入端的中心線上。
2.根據權利要求1所述的一級諧振兩級放大的千瓦級大功率脈沖Nd:YAG激光器，其特征在于所述諧振級由光學諧振腔、激光腔組成；一級放大級由一級激光腔、一級45°全反鏡組成；二級放大級由二級激光腔、二級45°全反鏡、激光器輸出鏡組成。
3.根據權利要求2所述的一級諧振兩級放大的千瓦級大功率脈沖Nd:YAG激光器，其特征在于所述光學諧振腔采用平凹結構腔，由凹面全反鏡和平面輸出鏡這兩種光學鏡片組成，兩光學鏡片以設定的間距相向放置；所述激光腔由聚光腔、激光晶體棒、兩支泵浦氙燈、 濾光管組成，激光腔放置在距離凹面全反鏡具有一設定間距的諧振腔的中心線上，激光晶體棒放置在聚光腔的中心，其外套有濾光管，兩支泵浦氙燈對稱放置在激光晶體棒的兩側， 聚光腔底部接有水冷裝置。
4.根據權利要求2所述的一級諧振兩級放大的千瓦級大功率脈沖Nd:YAG激光器，其特征在于所述一級激光腔由一級聚光腔、激光晶體棒、兩支泵浦氙燈、濾光管組成，一級激光腔放置在距離諧振級平面輸出鏡為設定間距的諧振腔的中心線上，激光晶體棒放置在聚光腔的中心，其外套有濾光管，兩支泵浦氙燈對稱放置在激光晶體棒的兩側，聚光腔底部接有水冷裝置；所述一級45°全反鏡以距離一級激光腔輸出端為一設定間距放置在諧振腔的中心線上。
5.根據權利要求2所述的一級諧振兩級放大的千瓦級大功率脈沖Nd:YAG激光器，其特征在于所述二級激光腔由聚光腔、激光晶體棒、兩支泵浦氙燈及濾光管組成，激光晶體棒放置在聚光腔的中心，其外套有濾光管，兩支泵浦氙燈對稱放置在晶體棒的兩側，聚光腔底部接有水冷裝置；所述二級45°全反鏡以距離二級激光腔輸入端為一設定間距放置在二級激光腔的中心線上。
6.根據權利要求2所述的一級諧振兩級放大的千瓦級大功率脈沖Nd:YAG激光器，其特征在于所述二級激光腔和一級激光腔以設定的間距平行且兩端對齊的放 置；激光器輸出鏡由兩個45°全反鏡組成，第一 45°全反輸出鏡以距離二級激光腔輸出端為設定的間距放置在二級激光腔的中心線上，第二 45°全反輸出鏡以間距第一 45°全反輸出鏡一設定的距離平行放置在二級激光腔中心線的垂線上。
7.根據權利要求1所述的一級諧振兩級放大的千瓦級大功率脈沖Nd:YAG激光器，其特征在于所述柔性輸出系統包括光纖耦合頭和光纖，所述光纖耦合頭放置在第二 45°全反輸出鏡的輸出端。
8.根據權利要求1所述的一級諧振兩級放大的千瓦級大功率脈沖Nd:YAG激光器，其特征在于所述激光準直系統為He-Ne準直激光器，該He-Ne準直激光器以設定的距離放置在諧振級凹面全反鏡的輸入端的中心線上。
9.根據權利要求3、4、5、6、7和8所述的一級諧振兩級放大的千瓦級大功率脈沖 Nd: YAG激光器，其特征在于所述凹面全反鏡為Φ2cm R = 4m凹面全反鏡；所述平面輸出鏡為Φ2cm R T =60%的平面輸出鏡；所述凹面全反鏡與平面輸出鏡以間距580mm的距離相向放置；所述聚光腔為雙橢圓鍍金聚光腔；所述激光晶體棒為O8mmX180mm摻雜濃度為0.8%的激光晶體棒；所述泵浦氙燈為Φ8πιπιΧ 180mm的泵浦氙燈；所述激光腔放置在距離凹面全反鏡為 200mm的諧振腔的中心線上；所述一級激光腔中的聚光腔為雙橢圓鍍金聚光腔；所述激光晶體棒為Φ9πιπιΧ 180mm 摻雜濃度為0. 8%的激光晶體棒；所述泵浦氙燈為Φ9πιπιΧ 180mm的泵浦氙燈；所述一級激光腔放置在距離諧振級平面輸出鏡為120mm的諧振腔的中心線上；所述一級45°全反鏡以距離一級激光腔輸出端為160mm的間距放置在諧振腔的中心線上； 所述二級激光腔中的聚光腔為雙橢圓鍍金聚光腔；所述激光晶體棒為Φ9πιπιΧ 180mm 摻雜濃度為0. 8%的激光晶體棒；所述泵浦氙燈為Φ9πιπιΧ 180mm的泵浦氙燈；所述二級 45°全反鏡以距離二級激光腔輸入端為160mm的間距放置在二級激光腔的中心線上；所述二級激光腔和一級激光腔以210mm的間距平行且兩端對齊的放置；所述第一 45° 全反輸出鏡以距離二級激光腔輸出端為540mm的間距放置在二級激光腔輸出端的中心線上，第二 45°全反輸出鏡以間距第一 45°全反輸出鏡IOOmm的距離平行放置在二級激光腔中心線的垂線上；所述光纖耦合頭以距離激光輸出鏡中第二 45°全反輸出鏡為IlOmm的距離放置。
全文摘要
本發明公開了一種一級諧振兩級放大的千瓦級大功率脈沖Nd:YAG激光器，它采用一級諧振兩級放大的三級MOPA系統結構和光纖柔性輸出方式，具體包括分別安裝在底座上的激光準直系統、諧振級、一級放大級、二級放大級和柔性輸出系統，所述的一級放大級位于諧振級輸出端的中心線上；二級放大級位于一級放大級的一側，且與一級放大級平行；所述柔性輸出系統位于二級放大級的輸出端；激光準直系統位于諧振級輸入端的中心線上。本發明的千瓦級大功率脈沖激光器具有光束質量高、功率穩定、能實現柔性輸出等優點，能滿足工業生產大功率、柔性加工的需求，具有顯著經濟效益和社會效益。
文檔編號H01S3/13GK102354902SQ20111034894
公開日2012年2月15日 申請日期2011年11月7日 優先權日2011年11月7日
發明者張健, 張慶茂, 郭亮 申請人:華南師范大學