一种皮秒/飞秒脉冲宽度可变激光系统的制作方法

本实用新型涉及一种皮秒/飞秒脉冲宽度可变激光系统，具体涉及一种在激光焊之前对材料表面进行预处理的皮秒/飞秒脉冲宽度可变激光系统。

背景技术：

在航天、高铁等产品中需要应用大量的高强合金零件，其焊接方式是航天、高铁研究中的一个重要方向。激光焊接具有无机械接触，焊接速度快，生产效率高等优点，得到了越来越多的关注。激光焊接前对焊接材料的处理又是影响激光焊接效果的一个关键因素。合金表面的油污、氧化膜等附着物会影响焊接质量和效率。焊前去除合金材料的附着物是防止产生气孔、夹渣的重要步骤。

目前，焊前对材料的预处理方式主要是指对材料的清洗。传统的清洗方式主要包括化学清洗和手工打磨。化学清洗一般是指酸洗，该过程能够有效清除基材表面的氧化膜和油污，但是该方法对环境污染严重。而手工打磨的方法工作效率低、成本高、工作环境恶劣、容易损伤基底材料表面、不能满足大批量生产的要求。除此之外，还可以采用激光清洗的方式。激光清洗是将高能激光投射到物理表面，使材料表面的附着物瞬时蒸发、烧蚀或剥离，是一种新型的表面处理技术。相比于传统的清洗方式，激光清洗更加高效环保。目前激光清洗一般都是采用基于调Q技术的纳秒脉冲清洗。但是不论采用哪一种清洗方式，对材料的处理都是单一的，清洗后获得的材料基材对激光反射率较高、激光吸收率较低，将影响激光焊接效率。

技术实现要素：

本实用新型的发明目的是提供一种皮秒/飞秒脉冲宽度可变激光系统。该系统只需一台激光器，即可同时实现脉冲宽度可变的皮秒脉冲激光输出和飞秒脉冲激光输出，成本低，实用性强。

本实用新型实现其发明目的所采取的技术方案是：一种皮秒/飞秒脉冲宽度可变激光系统，包括皮秒/飞秒脉冲宽度可变激光器，所述皮秒/飞秒脉冲宽度可变激光器包括飞秒激光振荡器，飞秒激光振荡器输出的脉冲激光依次通过飞秒展宽器、啁啾脉冲放大器和控制激光光路方向的声光开关；当脉冲激光通过声光开关光路方向发生偏折时，脉冲激光依次通过偏转反射镜、可改变激光偏振方向的半波片，第一偏振分束立方体反射后入射至第二偏振分束立方体，经第二偏振分束立方体反射后获得皮秒脉冲激光输出，皮秒脉冲激光通过汇聚透镜入射到激光输出光纤中；当脉冲激光通过声光开关光路方向不发生偏折时，脉冲激光依次通过脉宽压缩器入射至第二偏振分束立方体，经第二偏振分束立方体透射后获得飞秒脉冲激光输出，飞秒脉冲激光通过汇聚透镜入射到激光输出光纤中。

本实用新型的工作原理是：首先通过飞秒激光振荡器获得低能量的飞秒激光脉冲输出，该脉冲激光通过飞秒展宽器(可以是光栅对，也可以是布拉格体光栅)可将飞秒脉冲激光展宽成几百皮秒宽的皮秒脉冲激光。该皮秒脉冲激光的具体脉冲宽度可由光栅对或是布拉格光栅的参数决定。该低能量的皮秒脉冲激光通过啁啾脉冲放大器获得高能量的皮秒脉冲激光。该高能量的皮秒脉激光冲入射到控制激光脉冲光路方向声光开关上。

当该皮秒脉冲激光通过声光开关后光路方向发生偏折时，脉冲激光依次通过偏转反射镜(作用是改变激光光路方向，使激光垂直入射至半波片)、可改变激光偏振方向的半波片(改变激光的偏振方向，使其可被第一偏振分束立方体反射)，第一偏振分束立方体反射(作用是改变激光光路方向，使激光垂直入射至第二偏振分束立方体)后入射至第二偏振分束立方体，经第二偏振分束立方体反射(作用是改变激光光路方向，使激光垂直入射至汇聚透镜)后通过汇聚透镜(作用是改变激光的发散角和焦点处的光斑大小，使其可以高耦合效率地耦合至激光输出光纤中)入射到激光输出光纤中。

当该皮秒脉冲激光通过声光开关后光路方向不发生偏折时，脉冲激光依次通过脉宽压缩器(可以是光栅对，也可以是布拉格体光栅，作用是压缩皮秒脉冲激光获得飞秒激光输出)后获得飞秒脉冲激光，该飞秒脉冲激光入射至第二偏振分束立方体，透射通过第二偏振分束立方体后通过汇聚透镜入射到激光输出光纤中。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

一、本系统只需一台激光器，即可同时实现脉冲宽度可变的皮秒脉冲激光输出和飞秒脉冲激光输出，使用者可根据需要选择不同宽度的脉冲激光，成本低，实用性强。

二、飞秒脉冲激光输出与皮秒脉冲激光输出是采用同一激光器，即其输出激光的光束质量(光斑的空间模式分布)一致，这样飞秒脉冲激光输出与皮秒脉冲激光输出可以共用一套光纤耦合装置系统以同时获得高效的光纤耦合效率。

三、该系统可用于焊接前对材料表面的复合预处理，即首先利用皮秒脉冲激光对材料表面进行清洗，去除材料表面会影响焊接质量和效率的油污、氧化膜等附着物；清洗干净之后，再采用飞秒脉冲激光对材料表面进行黑化处理。黑化处理不仅可以使样品对光的强反射作用消失，提高激光焊接的效率和质量；同时黑化处理又可以在样品表面形成微纳结构，使金属材料散热性更好，进一步提高激光焊接质量。而且飞秒激光的脉冲宽度很短，即激光与物质的相互作用时间短，对材料的热影响小；这样材料本身的温度不会因为飞秒激光的作用而升高，避免了材料在受热情况下再次形成氧化膜，破坏清洗的效果。总之，本实用新型系统可实现对焊前材料表面复合预处理，大大提高激光焊接过程中材料对激光的吸收效率，有效地提高激光焊接效率和质量。

进一步，本实用新型所述皮秒/飞秒脉冲宽度可变激光系统还包括将激光输出光纤输出的激光进行准直的准直透镜，控制激光光束作用于样品表面上的位置和扫描速度的扫描振镜和将激光聚焦入射到样品上的汇聚透镜。

这样，皮秒脉冲激光器和飞秒脉冲激光器输出的激光依次通过激光输出光纤、准直透镜、扫描振镜和汇聚透镜；利用准直透镜可以减小光纤输出的激光的发散角，获得准直激光输出，应用扫描振镜可以通过扫描振镜自动精准地控制激光预处理作用于样品表面的位置，应用汇聚透镜可以控制激光作用于样品表面的光斑大小，以减小所需的激光脉冲的能量，最终获得所需的脉冲激光。

进一步，本实用新型所述声光开关控制激光光路方向的具体方式是：通过是否在声光开关加射频信号来控制通过的脉冲激光的光路方向。

当声光开关加射频信号时，脉冲激光通过声光开关后光路方向发生偏折，当声光开关不加射频信号时，脉冲激光通过声光开关后光路方向不发生偏折。通过声光开关是否加射频信号来控制选择输出脉冲激光的模式，转变速度快。

附图说明

图1为本实用新型实施例系统整体结构示意图。

图2为本实用新型实施例皮秒/飞秒脉冲宽度可变激光器的整体结构示意图。

具体实施方式

实施例

图1示出，本实用新型的一种具体实施方式是：一种皮秒/飞秒脉冲宽度可变激光系统，包括皮秒/飞秒脉冲宽度可变激光器10，如图2所示，所述皮秒/飞秒脉冲宽度可变激光器10包括飞秒激光振荡器11，飞秒激光振荡器11输出的脉冲激光依次通过飞秒展宽器12、啁啾脉冲放大器13和控制激光光路方向的声光开关14；当脉冲激光通过声光开关14光路方向发生偏折时，脉冲激光依次通过偏转反射镜15、可改变激光偏振方向的半波片16，第一偏振分束立方体17a反射后入射至第二偏振分束立方体17b，经第二偏振分束立方体17b反射后获得皮秒脉冲激光输出，皮秒脉冲激光通过汇聚透镜19入射到激光输出光纤20中；当脉冲激光通过声光开关14光路方向不发生偏折时，脉冲激光依次通过脉宽压缩器18入射至第二偏振分束立方体17b，经第二偏振分束立方体17b透射后获得飞秒脉冲激光输出，飞秒脉冲激光通过汇聚透镜19入射到激光输出光纤20中。

本例中所述皮秒/飞秒脉冲宽度可变激光系统还包括将激光输出光纤20输出的激光进行准直的准直透镜21，控制激光光束作用于样品30表面上的位置和扫描速度的扫描振镜22和将激光聚焦入射到样品30上的汇聚透镜23。

本例中所述声光开关14控制激光光路方向的具体方式是：通过是否在声光开关14加射频信号来控制通过的脉冲激光的光路方向。