高功率调Ｑ脉冲激光器制造技术

本实用新型专利技术公开了一种高功率调Ｑ脉冲激光器，包括由输出透反镜和全反镜构成的谐振腔及置于所述谐振腔内的连续泵浦单元和Ｎｄ：ＹＡＧ激励介质；其特征在于还包括一位于谐振腔内并由高速电机带动旋转的机械调制盘，所述机械调制盘由遮光材料制成并且其上设有至少一个供激光光轴穿过的通光部位。本实用新型专利技术能够提供稳定性高、重复频率高、峰值功率高、脉冲能量高及脉宽短的脉冲激光输出，其被应用于激光打孔时可以加工更深厚度的材料，应用于激光毛化领域时可以生产更深的毛化点和表面粗糙度。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术属于激光器领域，特别涉及一种高功率调Q脉冲激光器。
技术介绍
近年来，激光打孔技术在水松纸打孔、皮革打孔、膏药打孔等领域都得到快速发 展；同时随着高端汽车、家电、电子和轻工业对具有优良冲压性能和表面涂镀性能的毛化钢 板需求日益扩大，激光毛化技术也得到了迅速发展。提高激光打孔和激光毛化技术的加工 质量和效率的关键是研制出重复频率、高峰值功率的高能量脉冲输出激光器作为激光发射 源。在现有技术条件下，一般采用调Q技术实现高重复频率、高峰值功率的高能量脉冲激光 输出。目前，常规的激光调Q技术有转镜调Q、电光调Q、声光调Q和被动式可饱和吸收体调Q。转镜调Q的基本原理是脉冲激光器谐振腔的全反镜被一个由高速电机带动旋转 的全反镜所替代构成。全反镜绕垂直于谐振腔轴线做周期性旋转，因此构成了一个Q值作 周期性变化的谐振腔。这种Q开关无插入损耗，而且不存在光损伤的问题，因此可以获得峰 值功率高达几十MW的短脉宽脉冲；但其主要缺点是在高转速下的机械磨损会影响其使用 寿命，且装配工艺要求很高。因此，该调Q技术很难广泛应用于实际生产中。电光调Q的基本原理是在激光谐振腔中插入一个电光晶体，通过控制电光晶体两 端电压而调节谐振腔的Q值，从而实现激光调Q。这种调Q方式能产生窄脉冲，同步性能好， 使用寿命长，可以获得峰值功率高达几十MW以上、脉宽为几十纳秒的巨脉冲；但脉冲重复 频率低(100Hz量级)，同时会在加工过程中产生大量等离子体，从而影响到材料对激光能 量的吸收。因此，电光调Q激光器很难满足激光打孔和激光毛化等技术对加工效率的要求。声光调Q的基本原理是在激光谐振腔轴线上放置一个声光调制器件，并通过使用 高频振荡信号作用于声光调制器件而改变谐振腔的Q值。声光调Q技术容易获得峰值功率 为几百KW、脉宽为一百纳秒左右的巨脉冲，但由于其声光调制器的衍射效率是有限的，从而 导致它对高能量激光器的开关能力较差，因此它只能使用于较低增益的连续激光器上。综 上所述，声光调Q脉冲激光器的单脉冲能量低，平均功率也低，从而使其应用范围受到很大 限制。被动式可饱和吸收体调Q的基本原理是在激光谐振腔轴线上放入可饱和吸收染 料，该染料的吸收系数随着腔内光强的变化而变化，从而被动地改变腔内Q值。这种开关结 构简单，使用方面，可以获得峰值功率为几MW、脉宽为几十ns的巨脉冲；但由于它是一种被 动式调Q，因此产生调Q脉冲的时刻有一定的随机性，不能人为控制。因此，这种调Q方式不 能满足激光打孔、激光毛化等对加工精度高的要求。
技术实现思路
本技术目的是针对
技术介绍
中涉及的现有各类调Q脉冲激光器的不足而提供一种高功率调Q脉冲激光器，该激光器能够提供稳定性高、重复频率高、峰值功率及脉冲 能量高，而脉宽短的脉冲激光输出，其被应用于激光打孔时可以加工更深厚度的材料，应用 于激光毛化领域时可以生产更深的毛化点和表面粗糙度。本技术的技术方案是一种高功率调Q脉冲激光器，包括由输出透反镜和全 反镜构成的谐振腔及置于所述谐振腔内的连续泵浦单元和Nd: YAG激励介质；其特征在于 还包括一位于谐振腔内并由高速电机带动旋转的机械调制盘，所述机械调制盘由遮光材料 制成并且其上设有至少一个供激光光轴穿过的通光部位。本技术中所述通光部位具体可以是开设于机械调制盘外缘上的通光切口。当 通光切口的数量较多时，机械调制盘的外缘则呈锯齿状。或者，本技术中所述通光部位也可以是通光孔。或者，本技术中所述机械调制盘上的通光部位大于一个时，也可以部分为通 光孔，而余下的则是开设于机械调制盘外缘上的通光切口。本技术主要采用一个高速旋转的机械调制盘以实现激光器的调Q。其主要的 工作原理如下机械调制盘旋转的过程中，其上的非通光部位旋转到激光光轴上时，相当于 在激光光轴上插入一个不通光的物体，从而导致激光器无法振荡；如果此时通过连续泵浦 单元提供能量，那么将在Nd: YAG激励介质中逐渐积累能量；随着机械调制盘的旋转，当通 光部位旋转到激光光轴上时，相当于将激光光轴上插入的不通光物体快速移出，激光器在 Nd: YAG激励介质中所存储能量对应的增益作用下快速形成振荡，并实现高峰值功率短脉冲 输出。在机械调制盘旋转的过程中，非通光部位与通光部位交替遮挡和通过激光光轴，因此 激光器被周期性的关断和开启；如果此时通过连续泵浦单元提供连续的激光能量，那么激 光器将输出高重复频率、高能量的激光脉冲。并且本技术所述的通光部位大于一个时，可呈圆周等间距分布于机械调制盘 上，此时当机械调制盘的转速恒定时，相邻激光脉冲的时间间隔是完全一致的，激光器输出 脉冲的重复频率是恒定的。当然所述通光部位大于一个时，也可呈圆周非等间距分布于机 械调制盘上，此时即使机械调制盘的转速恒定，那么激光器输出的相邻脉冲的脉冲间隔也 是不一致的，重复频率不是恒定的。本技术中，为了提高激光器从关断过渡到开启的速度，一般要求谐振腔存在 一个光斑非常小的位置，并将机械调制盘放置于该位置。这样当机械调制盘的通光孔或者 通光切口的边缘扫过这个光斑时，激光器从关断到开启的过渡时间就会非常短。为了使谐 振腔中某一位置产生直径很小的光斑，本技术可采取以下两种方案1)在所述谐振腔内增设一对透射式聚焦镜，该对透射式聚焦镜于激光光轴上相对 布置而构成望远准直系统，并且前述机械调制盘恰好位于该望远准直系统的共焦面上。2)在所述谐振腔内增设一个透射式聚焦镜，该透射式聚焦镜与激光器原先的输出 透反镜相对布置而构成望远准直系统，并且前述机械调制盘恰好位于该望远准直系统的共 焦面上。当然除了采用上面讲到的于谐振腔中产生小直径光斑的方法缩短激光器从关断 到开启的时间之外，本技术还可以通过下述两种方案来达到同样的目的3)把通光切口或者通光孔加工成锥形结构。4)保持通光孔或者通光切口的间隙尺寸不变，使所述机械调制盘相对激光光轴4以角度θ倾斜放置，θ为机械调制盘的转轴与激光光轴的水平方向夹角，取值为10° 45°。值得一提的是上述方案3)或者4)可以与方案1)或者2)结合运用，从而更进一 步的减小激光器从关断到开启的时间。并且当方案1)或者2)与方案3)结合运用时，本实 用新型中优选使得呈锥形结构的通光切口(或者通光孔)的锥角大于望远准直系统共焦面 上的光斑发散角。本技术中机械调制盘的材料为具有足够高机械强度的遮光材料，例如各种金 属，考虑到尽可能减小机械调制盘在旋转过程中的旋转惯量，优选比重小的材料，例如铝或 合金铝材。本技术中的连续泵浦单元同常规技术一样，可采用灯泵浦单元，例如连续氪 灯泵浦单元；当然也可以采用连续输出的半导体泵浦单元。且本技术为了获得高重复 频率，机械调制盘的旋转速度应该足够高，通常采用每分钟数千至数万转的转速。本技术的优点是1.本技术提供的这种高功率调Q脉冲激光器，由于激光的关断是通过机械调 制盘的非通光部位实现的，当激光被关断时实际上就等同于在激光器中直接插入了一个机 械开关，因此对应的关断能力几乎是无限的。这种关断方式对激光器功率没有任何限制，可 以适用于高功率激光器，从而形成足够高的激光脉冲功率和激光脉冲频率。2.本技术提供的这种高功率调Q脉冲激光器，不但具有与声光调Q脉冲激光本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高功率调Ｑ脉冲激光器，包括由输出透反镜（１０２）和全反镜（１０３）构成的谐振腔（１）及置于所述谐振腔（１）内的连续泵浦单元（１０１）和Ｎｄ：ＹＡＧ激励介质；其特征在于还包括一位于谐振腔（１）内并由高速电机（１０７）带动旋转的机械调制盘（１０６），所述机械调制盘（１０６）由遮光材料制成并且其上设有至少一个供激光光轴穿过的通光部位。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈培锋，孙长东，梁乔春，谈贤杰，
申请(专利权)人：苏州市博海激光科技有限公司，
类型：实用新型
国别省市：32[中国|江苏]