谐波脉冲激光装置以及产生谐波脉冲激光光束的方法制造方法及图纸

一种ＫＴＰ晶体由长脉冲基波脉冲激光光束进行照射，该基波脉冲激光光束具有１００μｓ或者更高的脉冲宽度，并且通常从固态脉冲激光器如ＹＡＧ脉冲激光器中输出。在该ＫＴＰ晶体中，执行波长转换以产生具有两倍高频率的二次谐波脉冲激光光束，其中长脉冲二次谐波脉冲激光光束又被输出以用于激光处理如焊接等。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般地涉及一种从基本波长激光光束向谐波光束进行的波长转换技术，并且更具体地涉及一种用于产生适合于激光处理如焊接的长脉冲谐波脉冲激光光束的方法和装置。
技术介绍
近来，激光使用在制造，尤其是焊接，切割以及表面精加工领域中。事实上，激光焊接技术越来越变得重要，这是因为可实现高精度和高速度加工；工件更少受到热变形的影响；并且可以实现先进的自动化。目前，固体激光器最经常使用于激光焊接，并且是产生波长约为1μm光束的YAG激光器。YAG激光器包括掺有稀土活性离子(如Nd3+，yb3+等)的YAG(Y3Al5O12)晶体，并且NdYAG激光器的基波波长为1064nm。YAG激光器可以连续振荡并且具有Q开关的大脉冲振荡可实现且能产生具有大于100μs(通常为2到3ms)的脉冲宽度的长脉冲激光光束。顺便提及，在激光焊接中，焊接材料和激光光束之间的光耦合是很重要的。没有好的光耦合，由于反射率变高并且激光能量的吸收效率变低，因此难于得到好的焊接连接。关于这点，具有基波波长(如，1064nm)的YAG激光光束对铜、金、铝等具有差的光耦合。对于这些金属，公知的是二次谐波(532nm)YAG激光器具有更高的光耦合。在专利文献1中，该申请披露出一种不同波长叠加的激光焊接方法，其用第一YAG激光器产生基波波长(1064nm)YAG脉冲激光光束，并且用第二YAG激光器产生二次谐波(532nm)Q开关YAG激光光束，以便将基波YAG脉冲激光光束和二次谐波Q开关YAG激光光束叠加并且照射在所焊接的材料上。根据该不同波长叠加激光焊接方法，对于如铜、金、铝等的焊接材料，激光能量的吸收率可增加以得到好的焊接连接(例如，见日本专利申请公开No.2002-28795)。然而，在上述的不同波长叠加激光焊接方法中，由于需要两(2)个YAG激光系统，因此存在的问题是激光装置更大并且调节和维护变得复杂。本专利技术的另一目的是提供一种谐波脉冲激光装置以及一种谐波脉冲激光产生方法，该装置和方法稳定地产生具有高波长转换效率的高功率长脉冲谐波脉冲激光光束。首先，给出专利技术者怎样实现本专利技术的描述。入射(照射)高强度激光光束到非线性光学晶体上，由于光的非线性效应会产生具有比入射光高两到三倍频率的光，如谐波光。这些非线性光晶体也称作波长转换晶体，并且如表1所示，已知各种波长转换晶体。表1 为了向这种波长转换晶体提供高强度激光光束，传统上使用一种Q开关分案。根据该Q开关分案，在充分激励激光活性介质而使得能级的总体转换尽可能相同高之后，通过导通Q开关并且使得谐振器的Q值非常高，瞬时大振荡发生在谐振器中，并且可得到具有窄脉冲宽度和高峰值功率的激光输出。由Q开关型激光装置产生的Q开光激光称作巨脉冲。通常，当将使用波长转换晶体的波长转换产生的高功率激光光束(例如，具有两倍入射波或者基波频率的二次谐波激光光束)用于进行加工等时，最重要的特性值是激光损坏阈值。即使确定转换效率的非线性光学常数高，但当损坏阈值低时，激光光束将变得不切实际。这是因为，当具有峰值能量强度(通常在GW/cm2单位上)的激光光束高于损坏阈值时，在波长转换晶体中产生损坏(大多数为破裂)，波长转换晶体不再能够使用。传统上，LBO(LiB3O5)是最经常用来将由Q开关型激光产生的高功率大脉冲波长转换到二次谐波(SHG二次谐波产生)的波长转换晶体，并且其损坏阈值(18.9GW/cm2)是足够高的。另一方面，尽管KTP(KTiOPO4)晶体也已知为这种类型的波长转换晶体，但KTP晶体的损坏阈值(4.6GW/cm2)比LBO的小四(4)倍，这是相当低的。如表2所示。表2 在这种意义上，LBO是上述专利文献1(日本专利申请公开No.2002-28795)描述的Q开关YAG激光器作为波长转换器的优选材料。与之相反，KTP晶体作为波长转换晶体是不合适的，除非基波大脉冲的峰值能量(峰值能量密度)等于或小于特定程度，即，等于或小于KTP晶体的损坏阈值。换句话说，通过使基波大脉冲的峰值能量密度等于或小于KTP晶体的损坏阈值，二次谐波激光光束可从KTP晶体中产生，而不会给KTP晶体造成例如灰色轨迹(也称作暗色化，一种使得晶体变黑的现象)的损坏。然而，这种情况下的二次谐波激光光束具有低的激光功率，并且具有的局限性在于激光光束不能支配足够的取决于处理目标的加工能力。根据上述几点，为了研究和开发本专利技术的谐波脉冲激光装置，对于具有相对高损坏阈值的高功率波长转换晶体的LBO晶体，SHG(二次谐波)产生试验通过照射由YAG脉冲激光器产生的具有相对长脉冲宽度的长脉冲(100μs或者更长，典型为1到3ms)激光光束而实现，其具有的基波长度为1064nm。不幸的是，LBO晶体受破裂的影响并且使得不可使用。尽管理由不完全清楚，但是相信尽管损坏阈值条件是清楚的，但由于LBO晶体具有热膨胀/收缩的特性，因此产生破裂。更具体的是，由于LBO晶体的热膨胀系数具有很强的各向异性，在x轴方向上具有ax＝108×10-6/K的值得考虑的膨胀率，而在y轴方向上具有ay＝-88×10-6/K，因此估计通过照射或者输入100μs或者更长的、通常为1到3ms的长脉冲激光光束在LBO晶体内部局部产生相当程度的热应力，并且结果是形成破裂。与其他几个实验一起，对于具有相对低损坏阈值的低功率波长转换晶体KTP晶体，SHG(二次谐波)发生实验通过照射由YAG脉冲激光器产生的具有相对长脉冲宽度的长脉冲(100μs或者更长，典型地为1到3ms)激光光束而实现，该激光光束具有1064nm的基波波长。令人惊讶的是，灰色轨迹不在KTP晶体中产生并且可产生二次谐波(波长532nm)脉冲激光光束而不形成破裂。尽管理由并不清楚，可以相信如下长脉冲基波YAG脉冲激光光束典型地具有每个脉冲几焦耳数量级的能量，这是相当小的；然而，其峰值或者峰值能量(典型地为几KW)明显低于大脉冲的，并且其能量密度不超过基于Q开关或者大脉冲(4.6GW/cm2)的KTP晶体的损坏阈值。另一方面，基波YAG脉冲激光对于在KTP晶体上发生所需要的非线性光学效应具有足够的激光功率。此外，相信即使提供长脉冲基波YAG脉冲激光光束，由于其低的热膨胀率有问题的热应力不产生并且在KTP晶体中不形成破裂。基于上述认知构想出了本专利技术。即，本专利技术产生谐波脉冲激光光束的方法包括步骤激励固态激光器的活性介质以产生具有基波频率的基波脉冲激光光束，该基波频率具有100μs或者更长的脉冲宽度；以及施加基波脉冲激光光束到KTP(KTiOPO4)晶体上以产生二次谐波脉冲激光光束，该二次谐波脉冲激光光束具有基波脉冲激光光束两(2)倍的频率。本专利技术的谐波脉冲激光装置包括，作为基本结构的固体激光器，产生具有基波频率的基波脉冲激光光束，该基波频率具有100μs或者更长的脉冲宽度；以及KTP(KTiOPO4)晶体，基波脉冲激光光束入射到其上以便产生二次谐波脉冲激光光束，该二次谐波脉冲激光光束具有基波脉冲激光光束两(2)倍的频率。根据本专利技术的一个优选方面，活性介质从包括NdYAG，NdYLF，NdYVO4以及YbYAG的组中进行选择，并且由激励单元进行激励或者泵送(pumped)。作为本专利技术的一个优选方面，可以将仅仅允许光线本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种谐波脉冲激光装置，包括：固态激光器，产生具有基波频率的基波脉冲激光光束，该基波频率具有１００μｓ或者更高的脉冲宽度；以及ＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ↓［４］）晶体，将基波脉冲激光光束入射其中以便产生二次谐波脉冲激光光束，该二次谐 波脉冲激光光束的频率是基波脉冲激光光束频率的两（２）倍。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：中山伸一，长嶋崇弘，加瀬纯平，
申请(专利权)人：宫地技术株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]