一种半导体泵浦激光清洗机的激光光路系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种半导体泵浦激光清洗机的激光光路系统，涉及激光清洗技术领域，采用双泵浦光源对激光晶体进行泵浦激励，形成一次谐波后，通过腔内二倍频变换和三倍频变换产生紫外激光束输出，该紫外激光束有电光转换效率高、高重频、窄脉宽、低损伤阈值等特点。使用本发明所述的光路系统的激光器重复频率可达20?100KHz，在100KHz重复频率下，355nm激光平均输出功率可达10W，通过声光调Q开关，激光输出脉宽可达40ns，光束质量因子M^2<1.2，激光远程发散角可控制在1mrad；可用于高精度的激光无损清洁，清洁效果良好，适合大面积激光清洗使用。
【专利说明】
一种半导体泵浦激光清洗机的激光光路系统
技术领域
[0001]本发明涉及激光清洗技术领域，尤其是一种半导体栗浦激光清洗机的激光光路系统。
【背景技术】
[0002]目前，国际上普遍采用红外波段的光纤激光器作为清洗光源，尤其是脉冲光纤激光器，因其体积小巧、产品稳定、功耗小等优势，一直被广泛使用。然而，光纤激光器存在光束通过光纤输出，发散角大，光束质量较差，以及光束不适于倍频，即便通过晶体改变偏振状态，其倍频效率也不足20%等问题;与此同时，对于厚度0.5mm以下的金属薄膜，不适合采用光纤激光器清洗，例如，锂电池行业的铝薄膜，厚度为0.1mm，黑色污染物为钴酸铝，采用传统的光纤激光器对其进行清洗，会造成铝薄膜变形，甚至烧灼。
【发明内容】
[0003]针对上述问题，本发明提供一种热效应小、功耗小、成本低的半导体栗浦激光清洗机的激光光路系统。
[0004]一种半导体栗浦激光清洗机的激光光路系统，包括808nm激光栗浦光路、1064nm红外光路、532nm绿光光路、355nm紫外光路；
所述808nm激光栗浦光路包括两组对称栗浦光路，第一光路依次包括第一连续栗浦光源、第一平凸准直镜、第一平凸聚焦镜、第一窗口片、第一平面反射镜、第一分光片，第二光路依次包括第二连续栗浦光源、第二平凸准直镜、第二平凸聚焦镜、第二窗口片、第二平面反射镜、第二分光片;所述连续栗浦光源发出的光线依次经过所述第一、第二平凸准直镜、所述第一、第二平凸聚焦镜、所述第一、第二窗口片、所述第一、第二平面反射镜、所述第一、第二分光片聚集于激光晶体上;所述连续栗浦光源为808nm激光栗浦光源，光纤耦合输出模块，输出功率可达30W;所述第一、第二平凸准直镜焦距为40mm，镀808nm增透膜，所述第一、第二聚焦镜焦距为80mm，镀808nm增透膜;所述第一、第二窗口片镀808nm增透膜;所述第一、第二平面反射镜入射面镀45°入射808nm高反射膜；所述第一分光片入射面镀45°入射1064nm高反射、808nm高透射膜，其相对面镀45°入射808nm高透射膜;所述第二分光片入射面镀45°入射1064nm高反射、808nm和532nm高透射膜，其相对面镀45°入射808nm和532nm高透射膜;所述激光晶体位于所述第一、第二平凸聚焦镜的共同焦点处，其工作介质被激发产1064nm波长激光；
所述1064nm红外光路依次包括第三平面反射镜、声光调Q开关、所述第一分光片、所述激光晶体、所述第二分光片、二倍频晶体、第三分光片、三倍频晶体和第四平面反射镜;所述第三平面反射镜和第四平面反射镜为1064nm激光谐振腔的端镜，所述第三平面反射镜反射面镀0°入射1064nm高反射膜;所述第四平面反射镜反射面镀0°入射1064nm、532nm和355nm全反射膜;所述第一分光片入射面镀45°入射808nm高透射膜，其相对面镀45°入射1064nm高反射、808nm高透射膜;所述第二分光片入射面镀45°入射808nm和532nm高透射膜，其相对面镀45°入射1064nm高反射、808nm和532nm高透射膜；所述第三分光镜入射面镀15°入射1064nm和532nm高透射膜，其相对面镀10°入射355nm高反射膜、1064nm和532nm高透射膜;所述第四平面反射镜反射面镀0°入射1064nm、532nm和355nm高反射膜;所述第一、第二连续栗浦光源产生的栗浦光源，通过所述激光晶体产生1064nm波长激光，在第三平面反射镜和第四平面反射镜之间的激光谐振腔内反复振荡，并通过所述二倍频晶体，产生532nm波长激光；
所述532nm绿光光路依次包括所述第五平面反射镜、所述第二分光片、所述二倍频晶体、所述第三分光片、所述三倍频晶体和第四平面反射镜;所述第五平面反射镜反射面镀0°入射532nm高反射膜，所述第二分光片、所述二倍频晶体、所述第三分光片、所述三倍频晶体和所述第四平面反射镜同1064nm红外光路中所述；1064nm波长激光通过所述二倍频晶体激发，在所述第五平面反射镜和所述第四平面反射镜之间的激光谐振腔内重复振荡，产生532nm波长激光；
所述355nm紫外光路包括所述第四平面反射镜、所述三倍频晶体、所述第三分光片、截止反射镜和布鲁斯特窗口；所述第三分光片入射面镀10°入射355nm高反射膜、1064nm和532nm高透射膜，其相对面镀15°入射1064nm和532nm高透射膜;所述截止反射镜45°入射，所述布鲁斯特窗口 56°入射;532nm波长激光通过所述三倍频晶体的激发，在所述第四平面反射镜和所述第三分光片之间的激光谐振腔内反复振荡，产生355nm波长紫外激光。
[0005]进一步的，所述激光晶体采用Nd: YVO4掺钕钒酸钇晶体，其Nd原子掺杂浓度为0.25%，晶体尺寸 3x3x15mm。
[0006]进一步的，所述二倍频晶体采用LBO三硼酸锂晶体，相位匹配角90°，方位角11.4°，晶体尺寸为4mmx4mmx 12mm;所述三倍频晶体采用LBO三硼酸锂晶体，相位匹配角42.7°，方位角0°，晶体尺寸为4mmx4mmxl0mm。
[0007]进一步的，所述第一、第二平凸准直镜表面镀808nm增透膜，焦距为40mm;所述第一、第二平凸聚焦镜表面镀808nm增透膜，焦距为80mm，其中，第一平凸准直镜和第一平凸聚焦镜，凸面相对，第二平凸准直镜和第二平凸聚焦镜，凸面相对。这样设计用于减少像差，提高光束质量。
[0008]进一步的，所述布鲁斯特窗口(W3)直径12.7mm，中心厚度3.175mm。
[0009]进一步的，1064nm红外激光腔包括所述第三平面反射镜、所述声光调Q开关、所述第一分光镜、所述激光晶体、所述第二分光片、所述二倍频晶体、所述第三分光镜、所述三倍频晶体和所述第四平面反射镜，彼此之间的距离分别为80mm、80mm、40mm、40mm、50mm、40mm、40mm、30mm，相加得1064nm红外激光腔总长400mm，这样较短的腔长，可以有效控制激光器的尺寸，满足便携激光清洗的需求；
532nm绿光激光腔包括所述第五平面反射镜、所述第二分光片、所述二倍频晶体、所述第三分光镜、所述三倍频晶体和所述第四平面反射镜，彼此之间的距离分别为20mm、50mm、40mm、40mm、30mm，相加得532nm绿光激光腔总长180mm，此激光腔结构简单，方便调试，有利于稳定激光器性能；
355nm紫外激光腔包括所述第三分光镜、所述三倍频晶体和所述第四平面反射镜，彼此之间的距离分别为40mm、30mm，相加得355nm紫外激光腔总长70mm，此激光腔较少光学元件，能够提高紫外激光倍频效率，减少激光功率损耗。本发明采用双栗浦光源对激光晶体进行栗浦激励，形成一次谐波后，通过腔内二倍频变换和三倍频变换产生紫外激光束输出，该紫外激光束有电光转换效率高、高重频、窄脉冲、低损伤阈值等特点。使用本发明所述的光路系统的激光器重复频率可达20-100KHZ，在
10KHz重复频率下，355nm激光平均输出功率可达10W，通过声光调Q开关，激光输出脉宽可达40ns，光束质量因子M~2〈l.2，激光远程发散角可控制在lmrad;可用于高精度的激光无损清洁，清洁效果良好，适合大面积激光清洗使用。
[0010]
【附图说明】
[00??]图1为808nm激光栗浦光路不意图；
图2为1064nm红外光路不意图；
图3为532nm绿光光路不意图；
图4为355nm紫外光路示意图；
图5为激光光路系统的整体结构示意图。
[0012]
【具体实施方式】
[0013]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细的说明。本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
[0014]实施例1
一种半导体栗浦激光清洗机的激光光路系统，包括808nm激光栗浦光路、1064nm红外光路、532nm绿光光路、355nm紫外光路；
所述808nm激光栗浦光路包括两组对称栗浦光路，如图1所示，第一光路依次包括第一连续栗浦光源LD1、第一平凸准直镜L1、第一平凸聚焦镜L2、第一窗口片W1、第一平面反射镜M8、第一分光片M2，第二光路依次包括第二连续栗浦光源LD2、第二平凸准直镜L3、第二平凸聚焦镜L4、第二窗口片W2、第二平面反射镜M7、第二分光片M3;所述连续栗浦光源发出的光线依次经过所述第一、第二平凸准直镜、所述第一、第二平凸聚焦镜、所述第一、第二窗口片、所述第一、第二平面反射镜、所述第一、第二分光片聚集于激光晶体LC上;所述连续栗浦光源为808nm激光栗浦光源，所述第一、第二平凸准直镜焦距为40mm，镀808nm增透膜，所述第一、第二聚焦镜焦距为80mm，镀808nm增透膜;所述第一、第二窗口片镀808nm增透膜;所述第一、第二平面反射镜入射面镀45°入射808nm高反射膜;所述第一分光片M2入射面镀45°入射1064nm高反射、808nm高透射膜，其相对面镀45°入射808nm高透射膜;所述第二分光片M3入射面镀45°入射1064nm高反射、808nm和532nm高透射膜，其相对面镀45°入射808nm和532nm高透射膜;所述激光晶体LC位于所述第一、第二平凸聚焦镜的共同焦点处，其工作介质被激发产1064nm波长激光；
所述1064nm红外光路，如图2所示，依次包括第三平面反射镜M1、声光调Q开关Α0Μ、所述第一分光片M2、所述激光晶体LC、所述第二分光片M3、二倍频晶体SHG、第三分光片M4、三倍频晶体THG和第四平面反射镜M5;所述第三平面反射镜Ml和第四平面反射镜M5为1064nm激光谐振腔的端镜，所述第三平面反射镜Ml反射面镀0°入射1064nm高反射膜;所述第四平面反射镜M5反射面镀0°入射1064nm、532nm和355nm全反射膜;所述第一分光片M2入射面镀45°入射808nm高透射膜，其相对面镀45°入射1064nm高反射、808nm高透射膜;所述第二分光片M3入射面镀45°入射808nm和532nm高透射膜，其相对面镀45°入射1064nm高反射、808nm和532nm高透射膜;所述第三分光镜M4入射面镀15°入射1064nm和532nm高透射膜，其相对面镀10°入射355nm高反射膜、1064nm和532nm高透射膜;所述第四平面反射镜M5反射面镀0°入射1064nm、532nm和355nm高反射膜;所述第一、第二连续栗浦光源产生的栗浦光源，通过所述激光晶体LC产生1064nm波长激光，在第三平面反射镜Ml和第四平面反射镜M5之间的激光谐振腔内反复振荡，并通过所述二倍频晶体SHG，产生532nm波长激光；
所述532nm绿光光路，如图3所示，依次包括所述第五平面反射镜M6、所述第二分光片M3、所述二倍频晶体SHG、所述第三分光片M4、所述三倍频晶体THG和第四平面反射镜M5;所述第五平面反射镜M6反射面镀0°入射532nm高反射膜，所述第二分光片M3、所述二倍频晶体SHG、所述第三分光片M4、所述三倍频晶体THG和所述第四平面反射镜M5同1064nm红外光路中所述；1064nm波长激光通过所述二倍频晶体SHG激发，在所述第五平面反射镜M6和所述第四平面反射镜M5之间的激光谐振腔内重复振荡，产生532nm波长激光；
所述355nm紫外光路，如图4所示，包括所述第四平面反射镜M5、所述三倍频晶体THG、所述第三分光片M4、截止反射镜M9和布鲁斯特窗口 W3 ;所述第三分光片M4入射面镀10°入射355nm高反射膜、1064nm和532nm高透射膜，其相对面镀15°入射1064nm和532nm高透射膜;所述截止反射镜M945°入射，所述布鲁斯特窗口 W356°入射;532nm波长激光通过所述三倍频晶体THG的激发，在所述第四平面反射镜M5和所述第三分光片M4之间的激光谐振腔内反复振荡，产生355nm波长紫外激光。
[0015]具体的，所述激光晶体采用Nd:YV04掺钕钒酸钇晶体，其Nd原子掺杂浓度为0.25%，晶体尺寸3x3x15mm。
[0016]所述二倍频晶体SHG采用LBO三硼酸锂晶体，相位匹配角90°，方位角11.4°，晶体尺寸为4mmx4mmx 12mm ；所述三倍频晶体THG采用LBO三硼酸锂晶体，相位匹配角42.7°，方位角0°，晶体尺寸为4mmx4mmxl0mm。
[0017]所述第一、第二平凸准直镜表面镀808nm增透膜，焦距为40mm;所述第一、第二平凸聚焦镜表面镀808nm增透膜，焦距为80mm，其中，第一平凸准直镜LI和第一平凸聚焦镜L2，凸面相对，第二平凸准直镜L3和第二平凸聚焦镜L4，凸面相对。
[0018]所述布鲁斯特窗口 W3入射角度56°，直径0.5英寸，8卩12.7mm，厚度0.125英寸，即3.175mm，能有效控制外界光反射进激光腔内，保护激光谐振腔的稳定。
[0019]所述连续栗浦光源为808nm光纤耦合半导体激光器，其光纤接头位于所述第一、第二平凸聚焦镜的共同焦点上，输出功率可达301，光纤直径0.4臟，嫩=0.18~0.22。
[0020]所述声光调Q开关采用AO Q-Switch系列开关，具体参数为P=50W/50Q，RF:40-8OMHz,Rep.Rate:1ΚΗζ~200ΚΗζ。
[0021]使用本发明所述的激光光路系统的激光器具有热效应小、体积小、寿命长、功耗小、成本低等特点，且结构简单、系统稳定，对环境适应能力强，可做成集成模块；同时满足对超薄材料表面的无损清洗，不会造成材料表面的损伤，适用于锂电池行业的铝薄膜清洗、文物清洗、纸张清洗等。
[0022]显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域及相关领域的普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
【主权项】
1.一种半导体栗浦激光清洗机的激光光路系统，其特征在于:包括808nm激光栗浦光路、1064nm红外光路、532nm绿光光路、355nm紫外光路； 所述808nm激光栗浦光路包括两组对称栗浦光路，第一光路依次包括第一连续栗浦光源(LD1)、第一平凸准直镜(LI)、第一平凸聚焦镜(L2)、第一窗口片(Wl)、第一平面反射镜(M8)、第一分光片(M2)，第二光路依次包括第二连续栗浦光源(LD2)、第二平凸准直镜(L3)、第二平凸聚焦镜(L4)、第二窗口片(W2)、第二平面反射镜(M7)、第二分光片(M3);所述连续栗浦光源发出的光线依次经过所述第一、第二平凸准直镜、所述第一、第二平凸聚焦镜、所述第一、第二窗口片、所述第一、第二平面反射镜、所述第一、第二分光片聚集于激光晶体(LC)上;所述连续栗浦光源为808nm激光栗浦光源，所述第一、第二平凸准直镜焦距为40mm，镀808nm增透膜，所述第一、第二聚焦镜焦距为80mm，镀808nm增透膜;所述第一、第二窗口片镀808nm增透膜;所述第一、第二平面反射镜入射面镀45°入射808nm高反射膜;所述第一分光片(M2)入射面镀45°入射1064nm高反射、808nm高透射膜，其相对面镀45°入射808nm高透射膜;所述第二分光片(M3)入射面镀45°入射1064nm高反射、808nm和532nm高透射膜，其相对面镀45°入射808nm和532nm高透射膜;所述激光晶体(LC)位于所述第一、第二平凸聚焦镜的共同焦点处，其工作介质被激发产1064nm波长激光； 所述1064nm红外光路依次包括第三平面反射镜(Ml)、声光调Q开关(AOM)、所述第一分光片(M2)、所述激光晶体(LC)、所述第二分光片(M3)、二倍频晶体(SHG)、第三分光片(M4)、三倍频晶体(THG)和第四平面反射镜(M5);所述第三平面反射镜(Ml)和第四平面反射镜(M5)为1064nm激光谐振腔的端镜，所述第三平面反射镜(Ml)反射面镀0°入射1064nm高反射膜;所述第四平面反射镜(M5)反射面镀0°入射1064nm、532nm和355nm全反射膜;所述第一分光片(M2)入射面镀45°入射808nm高透射膜，其相对面镀45°入射1064nm高反射、808nm高透射膜;所述第二分光片(M3)入射面镀45°入射808nm和532nm高透射膜，其相对面镀45°入射1064nm高反射、808nm和532nm高透射膜;所述第三分光镜(M4)入射面镀15°入射1064nm和532nm高透射膜，其相对面镀10°入射355nm高反射膜、1064nm和532nm高透射膜;所述第四平面反射镜(M5)反射面镀0°入射1064nm、532nm和355nm高反射膜;所述第一、第二连续栗浦光源产生的栗浦光源，通过所述激光晶体(LC)产生1064nm波长激光，在第三平面反射镜(Ml)和第四平面反射镜(M5)之间的激光谐振腔内反复振荡，并通过所述二倍频晶体(SHG)，产生532nm波长激光； 所述532nm绿光光路依次包括所述第五平面反射镜(M6)、所述第二分光片(M3)、所述二倍频晶体(SHG)、所述第三分光片(M4)、所述三倍频晶体(THG)和第四平面反射镜(M5);所述第五平面反射镜(M6)反射面镀0°入射532nm高反射膜，所述第二分光片(M3)、所述二倍频晶体(SHG)、所述第三分光片(M4)、所述三倍频晶体(THG)和所述第四平面反射镜(M5)同1064nm红外光路中所述；1064nm波长激光通过所述二倍频晶体(SHG)激发，在所述第五平面反射镜(M6)和所述第四平面反射镜(M5)之间的激光谐振腔内重复振荡，产生532nm波长激光； 所述355nm紫外光路包括所述第四平面反射镜(M5)、所述三倍频晶体(THG)、所述第三分光片(M4)、截止反射镜(M9)和布鲁斯特窗口(W3);所述第三分光片(M4)入射面镀10°入射355nm高反射膜、1064nm和532nm高透射膜，其相对面镀15°入射1064nm和532nm高透射膜;所述截止反射镜(M9)45°入射，所述布鲁斯特窗口(W3)56°入射;532nm波长激光通过所述三倍频晶体(THG)的激发，在所述第四平面反射镜(M5)和所述第三分光片(M4)之间的激光谐振腔内反复振荡，产生355nm波长紫外激光。2.根据权利要求1所述的半导体栗浦激光清洗机的激光光路系统，其特征在于:所述激光晶体采用Nd: YV04掺钕钒酸钇晶体，晶体尺寸3x3x15mm。3.根据权利要求2所述的半导体栗浦激光清洗机的激光光路系统，其特征在于:所述Nd: YV04掺钕钒酸钇晶体的Nd原子掺杂浓度为0.25%。4.根据权利要求1所述的半导体栗浦激光清洗机的光路系统，其特征在于:所述二倍频晶体(SHG)采用LBO三硼酸锂晶体，相位匹配角90°，方位角I 1.4°，晶体尺寸为4mmx4mmx 12mm ；所述三倍频晶体(THG)采用LBO三硼酸锂晶体，相位匹配角42.7°，方位角0°，晶体尺寸为4mmx4mmxl0mm。5.根据权利要求1所述的半导体栗浦激光清洗机的激光光路系统，其特征在于:所述第一、第二平凸准直镜表面镀808nm增透膜，焦距为40mm;所述第一、第二平凸聚焦镜表面镀808nm增透膜，焦距为80mm，其中，第一平凸准直镜(LI)和第一平凸聚焦镜(L2)，凸面相对，第二平凸准直镜(L3)和第二平凸聚焦镜(L4)，凸面相对。6.根据权利要求1所述的半导体栗浦激光清洗机的激光光路系统，其特征在于:所述布鲁斯特窗口(W3)直径12.7mm，中心厚度3.175mm。7.根据权利要求1所述的半导体栗浦激光清洗机的激光光路系统，其特征在于:1064nm红外激光腔包括所述第三平面反射镜(M1)、所述声光调Q开关(Α0Μ)、所述第一分光镜(M2)、所述激光晶体(LC)、所述第二分光片(M3)、所述二倍频晶体(SHG)、所述第三分光镜(M4)、所述三倍频晶体(THG)和所述第四平面反射镜(M5 )，彼此之间的距离分别为80mm、80mm、40mm、40mm、50mm、40mm、40mm、30mm，相加得 1064nm 红外激光腔总长400mm。8.根据权利要求1所述的半导体栗浦激光清洗机的激光光路系统，其特征在于:532nm绿光激光腔包括所述第五平面反射镜(M6)、所述第二分光片(M3)、所述二倍频晶体(SHG)、所述第三分光镜(M4)、所述三倍频晶体(THG)和所述第四平面反射镜(M5)，彼此之间的距离分别为20_、50_、40_、40_、30_，相加得532]11]1绿光激光腔总长180_。9.根据权利要求1所述的半导体栗浦激光清洗机的激光光路系统，其特征在于:355nm紫外激光腔包括所述第三分光镜(M4)、所述三倍频晶体(THG)和所述第四平面反射镜(M5)，彼此之间的距离分别为40mm、30mm，相加得355nm紫外激光腔总长70mm。
【文档编号】H01S3/0941GK106025777SQ201610616108
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年8月1日
【发明人】周倩, 周健, 周彪
【申请人】苏州艾思兰光电有限公司