激光能量稳定装置的制作方法

本实用新型属于激光能量控制领域，特别涉及激光能量稳定装置。

背景技术：

随着激光在工业、国防、科研等领域应用的日益广泛，人们对激光性能参数的稳定性要求也越来越高，尤其是在激光加工等领域，激光脉冲能量的大小在很大程度上决定了加工孔的深度与宽度，若激光能量的不稳定，会造成工件的品质不高，表面凸凹不平，若能量的稳定，则加工的样品光滑、精细、齐整，因此稳定激光脉冲的能量具有重要的意义。

为了稳定激光脉冲能量，目前通常采用两种方法实现。

一种方法是：通过改变激光谐振腔内部结构参数来实现，根据采集激光输出脉冲能量，从而控制激光器的增益(如泵浦源能量)或腔内损耗等方式，达到实现能量稳定的目的。但是这种方法由于是通过改变激光谐振腔内部结构参数来实现，实现难度大，且改造现有的商用激光器的内部结构，难度较大，成本也较高，甚至无法实现。

另一种方法是：通过激光谐振腔的腔外方式实现激光能量的反馈，主要是通过能量计探测激光器输出能量，根据探测的能量数值来调整激光器偏振态，利用半波片、检偏器构成的激光衰减器，从而实现激光能量的稳定。但是，由于一般的能量计并不适用于高重复频率(比如3KHz以上)的超短脉冲激光器。此外，目前也有些研究者们提出了通过探测激光器输出功率，利用半波片、检偏器构成的衰减器，采用激光谐振腔的腔外功率负反馈实现功率稳定。但在激光加工等领域，对加工样品的参数影响更大的是激光的能量而不是激光功率，且对于一些脉冲激光器，即使脉冲激光器的功率稳定，能量不一定稳定。例如同样峰值功率，不同的脉冲宽度，脉冲能量显然不同。描述脉冲激光的功率，除了峰值功率外，平均功率也是一个常用来衡量脉冲功率的一个指标。在图1中，虚线左右两边的脉冲平均功率相同，但从图1中能够看出脉冲能量显然存在差异。

因此，稳定脉冲激光能量的技术问题亟待解决。

技术实现要素：

本实用新型的主要目的在于提供一种激光能量稳定装置，旨在解决现有技术中稳定激光能量的技术问题。

本实用新型的技术方案是：激光能量稳定装置，包括：

脉冲激光器，用于输出脉冲激光；

分光单元，用于将所述脉冲激光分为第一束脉冲激光和第二束脉冲激光；

衰减单元，用于接收所述第一束脉冲激光，并对所述第一束脉冲激光的光功率进行衰减；

功率探测单元，用于接收所述第二束脉冲激光，并对所述第二束脉冲激光的功率进行测量以得出光功率值；

负反馈控制单元，根据所述功率探测单元测量的光功率值，利用控制算法控制所述衰减单元对所述第一束脉冲激光的衰减率，以使经过所述衰减单元的所述第一束脉冲激光的输出能量稳定。

进一步地，若所述功率探测单元探测的所述光功率值增大，所述负反馈控制单元控制所述衰减单元对所述第一束脉冲激光的衰减率变大；

若所述功率探测单元探测的所述光功率值减小，所述负反馈控制单元控制所述衰减单元对所述第一束脉冲激光的衰减率变小。

进一步地，所述脉冲激光器为高重复频率的脉冲激光器。

进一步地，所述脉冲激光器为经过电光开关进行选频后，重复频率稳定的中低重频脉冲激光器。

进一步地，所述第一束脉冲激光的能量大于所述第二束脉冲激光的能量。

进一步地，所述控制算法为PID算法或PI算法。

进一步地，所述分光单元为部分反射、部分透射镜或激光器输出镜。

进一步地，所述脉冲激光器为气体脉冲激光器、固体脉冲激光器、半导体脉冲激光器、光纤脉冲激光器或由所述气体脉冲激光器、所述固体脉冲激光器、所述半导体脉冲激光器、所述光纤脉冲激光器经过再生放大、多通放大得到的中高能量脉冲激光器。

进一步地，所述功率探测单元为所述功率探测单元为激光功率测试计、激光功率指示仪、激光功率计、激光功率测试仪、激光光电二极管或能够线性反映激光功率的探测器。

进一步地，所述衰减单元为电动衰减器。

本实用新型通过脉冲激光器输出脉冲激光，所述脉冲激光经分光单元分为第一束脉冲激光和第二束脉冲激光，其中第一束脉冲激光传播到衰减单元，第二束脉冲激光入射到功率探测单元，功率探测单元探测第二束脉冲激光的功率以得出光功率值，负反馈控制单元根据功率探测单元测量的光功率值计算并控制衰减单元对第一束脉冲激光的衰减率，从而实现脉冲激光能量稳定的目的。

附图说明

图1是现有技术的脉冲激光功率稳定，能量不稳定的情况示意图。

图2是本实用新型实施例提供的激光能量稳定装置的结构示意图。

附图标记包括：

10—脉冲激光器 20—分光单元 30—衰减单元

40—功率探测单元 50—负反馈控制单元。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

以下针对脉冲激光器的功率稳定和能量稳定的关系进行具体说明：

常用来衡量脉冲激光功率的指标有峰值功率和平均功率，计算公式如下：

J＝P₁×τ (1)

其中，J为激光脉冲能量，P₁为峰值功率，τ为脉冲宽度，P₂为平均功率，f为重复频率。

由公式(1)可知，同样峰值功率P₁，不同的脉冲宽度τ，激光脉冲能量J显然不同。由公式(2)知，同样平均功率P₂，不同的重复频率f，激光脉冲能量J也会存在差异。

在脉冲激光器中，由公式(2)可得：

其中，t为时间，从公式(3)中可以得知，脉冲激光器的能量主要取决于激光器平均功率的稳定性和脉冲重复频率的稳定性。

在高重频脉冲激光器中，其重频f达到兆赫兹，故f²数值相对较大，1/f²近似为0，所以公式(3)后项近似为0。因此，对于高重频脉冲激光器，能量的变化主要与功率变化相关，所以用功率探测单元来测量输出端的平均功率变化，当激光功率稳定时，由上式(3)可知激光能量也会趋于稳定。

此外，由于采用锁模技术获得的超短脉冲激光的种子脉冲一般能量往往为nJ或μJ数量级，能量较低，为了获得较高的单脉冲能量，一般需要经过多通放大或者再生放大，来获得较大能量(mJ或J数量级)的激光脉冲。在放大过程中，需要利用Pockels(泡克耳斯)盒等电光开关进行选频，此时激光脉冲的重频下降，其中低重频值由电光开关等确定。但是由于光电开关等的重频可采用成熟的电学技术控制，因此重复频率也非常稳定，即接近于0，因此，公式(3)中的后项仍可忽略不计。与重频变化相比，激光器的功率变化受到腔长光程量、激光器增益、激光器损耗等众多因素的影响，因此，对于经过电光开关进行选频后，重复频率稳定的中低重频脉冲激光器，其激光能量的变化也主要与功率变化相关，所以用功率探测单元来测量输出端的平均功率变化，当激光功率稳定时，由公式(3)可知激光能量也会趋于稳定。

如图2所示，本实用新型实施例提供的激光能量稳定装置，包括：

脉冲激光器10，用于输出脉冲激光；

分光单元20，用于将所述脉冲激光分为第一束脉冲激光和第二束脉冲激光；

衰减单元30，用于接收所述第一束脉冲激光，并对所述第一束脉冲激光的光功率进行衰减；

功率探测单元40，用于接收所述第二束脉冲激光，并对所述第二束脉冲激光的功率进行测量以得出光功率值；

负反馈控制单元50，根据所述功率探测单元40测量的光功率值，利用控制算法控制所述衰减单元30对所述第一束脉冲激光的衰减率，以使经过所述衰减单元30的所述第一束脉冲激光的输出能量稳定。

本实用新型实施例的激光能量稳定装置通过脉冲激光器10输出脉冲激光，所述脉冲激光经分光单元20分为第一束脉冲激光和第二束脉冲激光，其中第一束脉冲激光传播到衰减单元30，第二束脉冲激光入射到功率探测单元40，功率探测单元40探测第二束脉冲激光的功率以得出光功率值，负反馈控制单元50根据功率探测单元40测量的光功率值计算并控制衰减单元30对第一束脉冲激光的衰减率，从而实现脉冲激光能量稳定的目的。

具体地，本实用新型实施例的激光能量稳定装置适用于激光加工等领域，通过确保激光能量可以确保加工的样品光滑、精细、齐整，能够大大提升对加工工件的加工品质。

进一步地，若所述功率探测单元40探测的所述光功率值增大，则所述负反馈控制单元50控制所述衰减单元30对所述第一束脉冲激光的衰减率变大；若所述功率探测单元40探测的所述光功率值减小，则所述负反馈控制单元50控制所述衰减单元30对所述第一束脉冲激光的衰减率变小。这样负反馈控制单元50可以根据功率探测单元40探测的光功率值的变化控制衰减单元30，以调整对第一束脉冲激光的衰减率的变化，从而确保经过衰减单元30的第一束脉冲激光输出能量稳定。

本实施例中，所述负反馈控制单元50控制所述衰减单元30对所述第一束脉冲激光的衰减率变大，即所述第一束脉冲激光的透过率减小，衰减变大；所述负反馈控制单元50控制所述衰减单元30对所述第一束脉冲激光的衰减率变小，即所述第一束脉冲激光的透过率减大，衰减变小。

进一步地，所述脉冲激光器10为高重复频率的脉冲激光器10。如前文所述，对于高重复频脉冲激光器10，尤其是采用锁模技术的高重复频率脉冲激光器10，由于重频f数值很大，1/f²也近似为0，公式(3)的后项近似为0。因此，对于高重复频脉冲激光器10，尤其是采用锁模技术的高重复频率脉冲激光器10，其激光能量的变化主要与激光功率变化相关。所以，用功率探测单元40来测量输出端的平均功率变化，当激光功率稳定时，由上公式(3)可知激光能量也会趋于稳定。

进一步地，所述高重频脉冲激光的重复频率在3KHz以上，例如高重频脉冲激光的重复频率可以是3KHz、10KHz、100KHz、1MHz等。

此外，由于本实用新型实施例提供的激光能量稳定装置，通过激光谐振腔的腔外方式实现激光能量的反馈，因此，其具有结构简单、容易实现、成本低、应用范围广等优点。

进一步地，所述脉冲激光器10为经过电光开关进行选频后，重复频率稳定的中低重频脉冲激光器10。同样如前文所述，对于经过电光开关进行选频后，重复频率稳定的中低重频脉冲激光器10，由于电光开关等的重频可采用成熟的电学技术控制，其重复频率非常稳定，接近于0，公式(3)中的后项仍可忽略不计。与重频变化相比，激光器的功率变化受到腔长光程量、激光器增益、激光器损耗等众多因素的影响，因此，对于该类脉冲激光器10，其激光能量的变化也主要与功率变化相关，所以，用功率探测单元40来测量输出端的平均功率变化，当激光功率稳定时，由公式(3)可知激光能量也会趋于稳定。

进一步地，所述第一束脉冲激光的能量大于所述第二束脉冲激光的能量。如此，可使得小部分能量的脉冲激光被功率探测单元40探测，而大部分能量的脉冲激光经负反馈控制单元50调整衰减单元30输出能量稳定，从而确保脉冲激光器10输出的脉冲激光经调节后，仍有大部分能量的脉冲激光可用于生产加工等。

进一步地，所述控制算法为PID算法或PI算法。PID英文全称为Proportion Integration Differentiation，PID算法又称为比例积分微分算法，其包括三种算法：比例控制算法，积分控制算法和微分控制算法。本实施例中，PID算法采用闭环反馈调节的方式，可有效的提高系统的调整准确度、鲁棒性以及可靠性等。此外，PI英文全称为Proportion Integration，PI算法又称为比例积分算法。相对于PID算法而言，PI算法可以有效抑制现场被控对象受到突然的扰动。

进一步地，所述分光单元20所述分光单元20为部分反射、部分透射镜或激光器输出镜。本实用新型实施例的部分反射、部分透射镜可使脉冲激光器10输出的激光脉冲一部分反射到功率探测单元40，一部分透射到衰减单元30，如此，能够有效地将脉冲激光分为第一束脉冲激光和第二束脉冲激光。

进一步地，所述衰减单元30为电动衰减器，具体地，采用电动衰减器作为衰减单元与手动衰减器相比，电动衰减器具有方便快捷、效率高的优点，且工作时的稳定性和可靠性更高。

进一步地，所述脉冲激光器10为气体脉冲激光器、固体脉冲激光器、半导体脉冲激光器、光纤脉冲激光器或由上述激光器经过再生放大、多通放大得到的中高能量脉冲激光器。具体地，可以选用其中之一为脉冲激光器，在实际应用时，可以根据需求进行操作，实用更加灵活。

进一步地，所述功率探测单元40为激光功率测试计、激光功率指示仪、激光功率计、激光功率测试仪、激光光电二极管或能够线性反映激光功率的探测器。具体地，可以选用其中之一为功率探测单元，在实际应用时，可以根据需求进行操作，实用更加灵活。需要说明的是，能够线性反映激光功率的探测器是指探测器输出的激光能量和激光功率成正比或近似成正比的各种探测器。

进一步地，所述衰减单元30为电动衰减器。具体地，采用电动衰减器作为衰减单元与手动衰减器相比，电动衰减器具有方便快捷、效率高的优点，且工作时的稳定性和可靠性更高。

以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。