专利名称：激光振荡器和激光加工设备的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及一种利用高次谐波激光束进行激光加工的激光加工 设备，更具体地，本发明涉及一种在光谐振器中从基波激光束产生高次谐波 激光束的激光振荡器以及一种具有该激光振荡器的激光加工设备。
背景技术：
最近利用频率为YAG基波的频率的N倍(N表示等于或大于2的整数) 的高次谐波进行加工已经得到关注。例如，已经广泛使用第二高次谐波的可 见光激光器(绿色激光器)来加工金属，例如铜和金，其中第二高次谐波的波 长为YAG基波波长(1064 nm)的一半(532nm)。 YAG第二高次谐波激光束显 示出对铜和金具有良好的吸收率，从而能够以基波激光束的吸收率的4.5-20 倍的吸收率对铜基或金基的工件进行加工。本申请人已经公开了日本专利申请早期公开公报No.2005-209965的激 光焊接设备。根据该激光焊接设备，激活介质和非线性光学晶体(KTP晶体) 在光学谐振器中的光路上排列成直线，激活介质被光学泵浦，以产生基波激 光束，该基波激光束入射在(即，光学耦合到)非线性光学晶体上以产生激光 束。该激光焊接设备具有反馈控制机构，该反馈控制机构使第二高次谐波激 光束的输出匹配基准值或基准波形。即使光学谐振器中的单元由于与时间有 关的原因而略微恶化或在光学对准方面产生位移，该反馈控制机构也能起作用以能将具有期望激光能量的第二高次谐波激光束发射到工件上。本申请人还公开了日本专利申请早期公开公报No.2004-214674的高次 谐波激光设备。根据该高次谐波激光设备，光学谐振器中结合有光学透镜， 该光学透镜将基波激光束会聚并发射到非线性光学晶体的一个刻面(facet) 上。该高次谐波激光设备补偿了激光束的发散，以增加从基波转化为第二高 次谐波的效率。工铜、金等激光加工场合的扩展/发展有很大贡献。但是在激光输出方面仍存在问题。具体地，当用低输入功率进行单一振荡时，振荡效率下降，这导致 在精确焊接等领域中需要更高的激光输出。用作激活介质的YAG棒在受到光学激励(激光振荡期间)发生热膨"长，从 而由于所谓的热透镜效应而用作凸透镜。这使得基波激光束的输出不稳定， 结果导致第二高次谐波激光束的输出不稳定。即使用功率反馈控制机构也很 难补偿此类激光输出波动，这是因为，为了补偿激光输出的降低而增加激光 输出使得热透镜效应的影响更加强烈。发明内容为解决传统技术的上述问题构想出本发明，因此本发明的目的是提供一 种实现激光振荡效率的进一步提高和高次谐波激光束的更高输出以提高加 工能力的激光振荡器和激光加工设备。为了实现上述目的，本发明的激光振荡器包括光学谐振器，具有在光 学上彼此相对布置的第一和第二终端镜；激活介质，设置在光学谐振器的光非线性光学晶体，切割成II型相位匹配，在光学谐振器的光路上设置成接近 第一终端镜，以产生频率为基波激光束的频率的N(N表示等于或大于2的整 数)倍的高次谐波激光束；光学透镜，在光学谐振器的光路上设置成跨过非 线性光学晶体与第一终端镜隔开约等于焦距的距离，使得光学透镜的焦点位 于第一终端镜的反射表面附近；1/4波长板，在光学谐振器的光路上设置在 激活介质与第二终端镜之间；以及高次谐波分离/输出镜，设置在光学谐振器 的光路上，以从光学谐振器提取高次谐波激光束。在本发明中，高次谐波激光束等同于例如具有第二高次谐波(波长为 532nm)的频率、第三高次谐波(波长为266nm)的频率、或比这些频率高的频 率的激光束。在上述构造中，1/4波长板设置在光学谐振器中。这使得寻常光与非常 光之间的功率比相对于切割成II型相位匹配的非线性光学晶体稳定。光学透 镜的焦点被确定为位于第一终端镜的反射表面附近，光学透镜设置成跨过非 线性光学晶体与第一终端镜的反射表面隔开约等于焦距的距离。这将非线性 光学晶体光学地耦合成光学谐振器的基本振型，同时防止了基波长的光束在 第一终端镜的反射表面处的散射损失，从而充分地限制了光学谐振器中的基波长光束，以提高基波的放大系数从而提高激光转换效率。以此方式，在光学谐振器中设置1/4波长板并将光学透镜的焦点确定为位于第一终端镜的反射表面附近，以加强基本振型与非线性光学晶体之间的光学耦合，这带来了 协同效应，使高次谐波激光束产生的输出功率远远超过常规的高次谐波激光束。根据本发明的优选方面，光学透镜使从激活介质传播来的基波激光束基 本上会聚为平行光，并使会聚的基波激光束通过非线性光学晶体以聚焦在焦 点上。光学透镜然后将被第一终端镜反射为辐射展开光并通过非线性光学晶 体传播到光学透镜的基波激光束准直成平行光。根据本发明的优选方面，光学透镜的焦点被确定为位于朝向光学透镜与第一终端镜的反射表面隔开5mm或更小(更优选地，为约2mm)的距离的位 置。以此方式，适当地使光学透镜的焦点的位置从第一终端镜的反射表面朝 光学透镜移位，可靠地防止了基波激光束的能量烧坏光学透镜这种不期望的现象。根据本发明的另 一优选方面，高次谐波分离/输出镜设置在激活介质与光 学透镜之间，使得高次谐波分离/输出镜相对于光学谐振器的光路倾斜给定角 度。本发明的光学谐振器具有高次谐波分离/输出镜以及两个终端镜布置在一 直线上的直线布置构造，但也可以具有这三个反射镜分别布置在三角形的三 个顶点的三角形布置构造。直线布置构造中的高次谐波分离/输出镜对高次谐 波是HR(高度反射)的，对基波是AR(抗反射可透过)的。本发明的激光加工设备包括本发明的激光振荡器；和激光发射单元， 所述激光发射单元将从激光振荡器的高次谐波分离/输出镜提取的高次谐波 激光束会聚并发射到工件上。具有了本发明的激光振荡器，本发明的激光加工设备大大提高了利用高 输出功率的高次谐波激光束进行激光加工的能力。根据本发明的优选方面，激光加工设备还包括反射镜，使从高次谐波 分离/输出镜提取的高次谐波激光束的光路偏折给定角度；光纤，将高次谐波 激光束从反射镜传输到激光发射单元；入射单元，设置在反射镜与光纤之间，该入射单元将来自反射镜的高次谐波激光束聚焦并发射到光纤的入射刻面(incident facet)上；和反射角调节机构，调节高次谐波激光束在反射镜处 的反射方向。根据本发明的另一优选方面，激励单元包括激励光产生单元，产生用 于对激活介质进行光学泵浦的激励光；激光电源单元，向激励光产生单元提 供用于产生激励光的电力；和控制单元，控制从激光电源单元向激励光产生 单元提供的电力。当通过振荡而输出脉冲激光时，激光电源单元可具有直 流电源单元，输出直流电力；和开关元件，连接在直流电源单元与激励光产 生单元之间，并且激光电源单元使开关元件在脉沖周期期间以高频进行开关 操作，从而向激励光产生单元提供脉冲波形形式的电力。激光加工设备可包括反馈控制机构，该反馈控制机构具有测量高次谐波 激光束的激光输出的高次谐波激光输出测量单元；以及控制单元，该控制单 元控制开关元件的开关操作以使激光输出测量值与基准值或基准波形相匹 配。在该情况下，如上所述，1/4波长板起到稳定由基波长光束得到的自然 偏振波(S波和P波)之间的相位差和寻常光与非常光之间的功率比的作用。 这允许进行线性功率反馈控制，从而使高次谐波激光束的输出更稳定且与基 准值或基准波形的匹配更加准确。根据本发明的激光振荡器，上述构造和操作实现了激光振荡器效率和高 次谐波激光束的更高输出方面的进一 步提高。根据本发明的激光加工设备， 上述构造和操作提高了高次谐波激光束的加工能力。
图1是根据本发明实施例的激光加工设备的构造图； 图2是所述实施例的光学谐振器中的光学透镜的构造和操作的示图； 图3是比较示例的光学谐振器中的光学透镜的构造和操作的示图； 图4是示出所述实施例的激光加工设备表现出的时间/激光功率特性的 示图；图5是示出所述实施例的激光加工设备表现出的激励电流/振荡效率特 性的示图；和图6是根据本发明另 一实施例的激光加工设备的构造图。
具体实施方式
现在将参照附图描述本发明的优选实施例。图1示出根据本发明实施例的激光加工设备的构造。该激光加工i殳备构造成利用绿色激光束(波长为532 nm的第二高次谐波)以长脉沖(脉宽为10ps 或更高， 一般为l-3ms)的形式对主要由铜或金制成的工件W进行激光加工 (例如，激光焊接)的绿色激光加工器。激光加工设备的激光振荡器10包括一对终端镜12和14，直的光路位于 终端镜12和14之间，该激光振荡器IO还包括在终端镜12和14之间的光 路上以给定间隔从左向右(图1中)排列成直线的1/4波长板16、激活介质18、 高次谐波分离/输出镜20、聚光透镜22和非线性光学晶体(波长变换晶体)24。 在另一构造中，反射镜可以设置在1/4波长板16与激活介质之间以使光学谐 振器中的光路偏折。终端镜12和14彼此面对以构成光学谐振器。位于图1左侧的第二终端 镜12的反射表面12a涂覆有反射基波长(1064nm)的膜。位于图1右侧的第 一终端镜14的反射表面14a涂覆有反射基波长(1064nm)的膜和反射第二高 次谐波(532nm)的膜。两个终端镜12和14的反射表面12a和14a中的每个形成为具有适当曲 率半径的凹表面。例如，第一终端镜14的反射表面14a具有约9000mm的 曲率半径，第二终端镜12的反射表面12a具有约5000mm的曲率半径。激活介质18由例如Nd-YAG棒制成，并接近第二终端镜12设置，并且 由电光激励单元26光学泵浦。电光激励单元26具有产生发射到YAG棒18 上的激励光的激励光源(例如，激励灯或激光二极管)。激励光源由来自激光 电源单元28的激励电流开启并驱动，以连续或间歇地对激活介质18进行泵 浦。激光电源单元28在控制单元30的控制下开启并驱动电光激励单元26。 因此，激活介质18处产生的基波长(1064nm)的光束LA被限制在两个终端镜 12和14之间，并在它们之间放大。设置在第二终端镜12与激活介质18之间的1/4波长板16由双折射晶体 元件制成。当基波激光束LA通过双折射晶体时，1/4波长板16在两个自然 偏振波(S波和P波)之间产生给定相位差，从而操作以使寻常光与非常光之 间的功率比相对于非线性光学晶体24保持恒定。非线性光学晶体24由例如KTP(KTiOP04)晶体或LB0(LiB30s)晶体等制 成，该晶体被切割成II型相位匹配。非线性光学晶体24设置成接近第一终 端镜14,光学地耦接到由光学谐振器激励产生的基本振型，并由非线性光学 晶体24与基波长之间的非线性光学作用在光学谐振器的光路上产生第二高次谐波(532nm)的光束SHG。设置光学透镜22以增加入射在非线性光学晶体24上的基波长光束LA 的功率密度。光学透镜22是平的凸透镜，其两个表面均涂覆有使基波长和 第二高次谐波高度透过的介电薄膜。如图2所示，光学透镜22的焦点f确 定为位于第一终端镜14的反射表面14a附近(优选地，位于从反射表面14a 朝光学透镜22移位一给定或更小距离的位置，这将在后面进行描述)，使得 光学透镜22设置成在光学谐振器的光路上跨过非线性光学晶体24与第 一终 端镜14的反射表面14a隔开一距离，该距离约等于焦距Df。从第二终端镜12或激活介质18朝图1右侧传播的基波长光束LA通过 光学透镜22，然后在会聚的同时进一步行进通过非线性光学晶体24(以使非 线性光学晶体24光学耦合成基本振型)，最后聚焦在焦点f的位置，即，第 一终端镜14的反射表面14a附近，如图2所示。然后，基波长光束LA被第 一终端镜14的反射表面14a反射，然后在辐射展开的同时通过非线性光学 晶体24(以使非线性光学晶体24光学地耦合成基本振型)，然后到达聚光透 镜22，聚光透镜22将基波长光束LA准直成平行光，以送回到激活介质18。参照图1，从非线性光学晶体24出来朝向图l右侧的第二高次谐波光束 SHG被第一终端镜14的反射表面14a反射，以沿相反方向(图1中向左)折 回，然后通过非线性光学晶体24。从波长转换晶体24出来朝向图1左侧的 第二高次谐波光束SHG然后落到高次谐波分离/输出镜20上，该高次谐波分 离/输出镜20设置成相对于光学谐振器的光路或光轴倾斜给定角度(例如，45 度)。高次谐波分离/输出镜20由玻璃板制成，并具有涂覆有可透过基波长的 膜和反射第二高次谐波的膜的主表面20a。为此，基波长光束LA在光学谐 振器中沿左右两个方向通过高次谐波分离/输出镜20。同时，来自非线性光 学晶体24的第二高次谐波光束SHG落在高次谐波分离/输出镜20上，在此 处第二高次谐波光束SHG沿给定方向(图1中向下)被反射，以与光学谐振器 的光路分离作为输出光束。高次谐波分离/输出镜20从光学谐振器提取出的 第二高次谐波光束SHG而后经由激光传输系统被送到激光发射单元34，并 由激光发射单元34会聚并发射到工件W上，其中激光传输系统例如是偏折 镜(反射镜)32。激光传输系统可以具有任意的构造，从而可以设置成例如光 纤传输系统。在本发明的优选方面，该光纤传输系统可包括反射镜32，该反射镜 32使从高次谐波分离/输出镜20提取出的第二高次谐波光束SHG的光路偏 折一给定反射角；光纤(未示出)，将来自反射镜32的第二高次谐波光束SHG 传输到激光发射单元；入射单元(未示出)，设置在反射镜32与传输光纤之间， 并使来自反射镜32的第二高次谐波光束SHG聚焦并发射到传输光纤的入射 刻面上；以及反射角调节机构(未示出)，调节第二高次谐波光束SHG在反射 镜32处的反射方向。为了能进行多点同时加工或多位置加工，光纤传输系统可设置成包括分 束器、多个入射单元、多个传输光纤和多个激光发射单元的激光多分支系统 (未示出)。为了对第二高次谐波光束SHG进行功率反馈控制，激光加工设备具有 用作接收漏光MSHG的光电转换元件的光电传感器36，漏光MSHG是从偏 折镜32的后面泄漏的YAG第二高次谐波脉沖激光束SHG。基于光电传感 器36的输出信号，激光输出测量电路38产生指示第二高次谐波脉沖激光束 SHG的激光输出测量值的电信号(激光输出测量信号)。控制单元30将来自 激光输出测量电路38的激光输出测量信号与来自设定单元40的基准值或基 准波形相比较，并根据比较误差产生例如经脉宽调制(PWM)的控制信号。激 光电源单元28响应于来自控制单元30的控制信号使开关元件进行开关操 作，以控制提供至电光激励单元26的激励电流的电流值和脉宽。激光加工设备的主要特点是激光振荡器IO构造成使得1/4波长板16设 置在光学谐振器中，并且用于提高非线性光学晶体24光学耦合成光学谐振 器的基本振型的程度的光学透镜22的焦点f被确定在第一终端镜14的反射 表面14a附近。如上所述，在光学谐振器中设置1/4波长板16使寻常光与非常光之间的 功率比相对于非线性光学晶体24稳定。这使得能够进行线性功率反馈控制， 从而能够更稳定且更准确地将第二高次谐波光束SHG的输出值匹配到基准 值或基准波形。光学透镜22的焦点f被确定在第一终端镜14的反射表面14a附近，使 得光学透镜22设置成跨过非线性光学晶体24与第一终端镜14的反射表面 14a隔开约等于焦距Df的距离。这使非线性光学晶体24光学地耦合成光学 谐振器的基本振型，同时防止基波长光束LA在第一终端镜14的反射表面14a处的散射损失，从而充分地限制了光学谐振器中的基波长光束LA,以提 高放大系数从而提高转换效率。优选地，光学透镜22的焦点f被确定为处于与第一终端镜14的反射表 面14a沿朝向光学透镜22的方向隔开5mm或更小(更优选地，约5mm)的距 离的位置。以此方式，适当地使光学透镜22的焦点f的位置从第一终端镜 14的反射表面14a朝光学透镜22移位，可靠地防止了基波激光束LA的能 量烧坏光学透镜22这种不期望的现象。在上述的这种光学谐振器中，光学透镜22的焦点f通常随着时间而趋 于朝光学透镜22移动。为此，如果光学透镜22的焦点f向第一终端镜14 的反射表面14a的远侧移位，则当焦点f随着时间的改变而移动到反射表面 14a的位置时，反射表面14a可能被烧坏。在根据传统技术的参考示例中，如图3所示，光学透镜22'的焦点f被确 定为位于非线性光学晶体24'的相对面(图3中的左刻面)附近，这意味着光学 透镜22'位于与非线性光学晶体24'的相对面隔开一等于焦距Df的距离的位 置处。在该构造中，从激活介质(未示出)朝图3的右侧传播的基波长的光束 LA'通过光学透镜22',然后聚焦到位于非线性光学晶体24'的相对面附近的 焦点f上。在行进通过焦点f时，基波长光束LA'在辐射展开的同时向右传播 以落在第一终端镜14'的反射表面14a'上，作为相当广泛区域的束斑。此时， 已经落在反射表面14a'上且已经在其上被反射的一部分返回光具有超过规定 值的入射角或反射角，并且这种返回光从光学谐振器的光路向外辐射地大大 偏转，从而不能通过非线性光学晶体24'或者落到光学透镜22'上。这导致转 换效率和振荡效率降低。图4和5示出该实施例的激光加工设备表现出的时间/激光功率特性和激 励电流/振荡效率特性，这两个特性均与比较例相比较。比较例通过从光学谐 振器中去除1/4波长板16而给出，并且，与传统情况(图3)中相同，确定光 学透镜22的焦点f在图1的激光振荡器10中位于非线性光学晶体24的相 对面附近。图4示出在如下测试中得到的第二高次谐波激光束SHG的激光功率特 性，该测试将从激光电源单元28供应到电光激励单元26的激励电流的值设 定为300A并通过重复振荡产生脉宽为lmsec、重复频率为8pps的长脉冲。 如图4所示，该比较例说明激光功率在振荡开始时爬升到接近4W的水平，但立即落到3W以下。相反，实施例或实施示例表明激光功率在振荡开始时 爬升至接近7W的水平并在此后保持稳定在相同水平。因此，该实施例获得 了比在比较例中获得的激光输出功率的两倍或更高的激光输出功率。
图5是在如下测试中得到的激励电流/振荡效率特性的柱状图，该测试通 过单一振荡产生脉宽为lmsec的长脉冲。在该图中，水平轴线表示的激励电 流可以用输入功率代替。如图5所示，实施例在整个输入功率范围中获得更 高振荡效率方面也大大超过了比较例，从而说明振荡效率显著提高了，特别 是在较低的输入功率的范围内。这种提高在精确加工应用场合中提供了很大 的<尤点。
虽然在此前已经描述了本发明的优选实施例，但上述的实施例并非要限 制本发明。在不偏离本发明的技术思想和技术范围的条件下，本领域技术人 员可以通过各种方式将实施例修改或改变为特定的模式。
例如，虽然上述光学谐振器具有三个反射镜12、 20和14以及其它光学 组件布置在一直线上的直线构造，但光学谐振器可以变型为具有三个反射镜 12、 20和14分别布置在三角形顶点的三角形构造，或者反射构造。
在图6所示的另一实施例中，设置成为了进行激光功率反馈控制的光电 传感器36接收由设置在偏折镜32与激光发射单元34之间的光路上的分束 器42反射的光Mshg。涂覆有防止第二高次谐波长发生反射的膜的分束器42 将光束SHG的一部分(例如，百分之五)朝光电传感器36反射，同时光束SHG 的剩余部分直接通过分束器42透射。
在上面的实施例中，从激光振荡器输出的高次谐波激光束是第二高次谐 波的绿激光束。然而，代替输出第二高次谐波绿激光束，本发明还可应用于 例如输出具有等于或高于第三高次谐波(具有266nm的波长)的频率的频率的 激光束的激光振荡器。
本发明的激光激光设备不仅适用于激光焊接，而且适用于激光标记、穿 孔、切割等其它激光加工。
权利要求
1.一种激光振荡器，包括光学谐振器，具有在光学上彼此相对布置的第一和第二终端镜，激活介质，设置在所述光学谐振器的光路上；激励单元，对所述激活介质进行泵浦以产生具有基本频率的基波激光束；被切割以用于II型相位匹配的非线性光学晶体，该非线性光学晶体在所述光学谐振器的光路上设置成接近第一终端镜，以产生频率为基波光束的频率的N倍的高次谐波激光束，其中N表示等于或大于2的整数；光学透镜，在所述光学谐振器的光路上设置成跨过所述非线性光学晶体与所述第一终端镜隔开约等于焦距的距离，使得所述光学透镜的焦点位于第一终端镜的反射表面附近，1/4波长板，在所述光学谐振器的光路上设置在所述激活介质与所述第二终端镜之间；以及高次谐波分离/输出镜，设置在所述光学谐振器的光路上，以从所述光学谐振器提取高次谐波激光束。
2. 如权利要求1所述的激光振荡器，其中所述光学透镜使从所述激活介质侧传播来的基波激光束基本上会聚为 平行光，并使会聚的基波激光束通过所述非线性光学晶体以聚焦在焦点上， 然后将被所述第一终端镜反射为辐射展开光并通过所述非线性光学晶体传 播到所述光学透镜的基波激光束准直成平行光。
3. 如权利要求1或2所述的激光振荡器，其中所述高次谐波分离/输出镜设置在所述激活介质与所述光学透镜之间，使 得所述高次谐波分离/输出镜相对于所述光学谐振器的光路倾斜给定角度。
4. 如权利要求1-3中任一项所述的激光振荡器，其中 所述光学透镜的焦点位于朝向所述光学透镜与所述第一终端镜的反射表面隔开5mm或更小的距离的位置。
5. 如权利要求4所述的激光振荡器，其中所述光学透镜的焦点位于朝向所述光学透镜与所述第一终端镜的反射 表面隔开约2mm的距离的位置。
6. —种激光加工设备，包括如权利要求1-5中任一项所述的激光振荡器；和激光发射单元，将从所述激光振荡器的高次谐波分离/输出镜提取的高次 谐波激光束会聚并发射到工件上。
7. 如权利要求6所述的激光加工设备，其中，包括反射镜，使从所述高次谐波分离/输出镜提取的高次谐波激光束的光路偏 折给定反射角度；光纤，将高次谐波激光束从所述反射镜传输到所述激光发射单元；入射单元，设置在所述反射镜与所述光纤之间，该入射单元将来自所述 反射镜的高次谐波激光束聚焦并发射到所述光纤的入射刻面上；和反射角调节机构，调节高次谐波激光束在所述反射镜处的反射方向。
8. 如权利要求6或7所述的激光加工设备，其中 所述激励单元包括激励光产生单元，产生用于对所述激活介质进行光学泵浦的激励光；激光电源单元，向所述激励光产生单元提供用于产生激励光的电力；和 控制单元，控制所述激光电源单元向所述激励光产生单元提供的电力。
9. 如权利要求8所述的激光加工设备，其中 所述激光电源单元包括 直流电源单元，输出直流电力；和开关元件，连接在所述直流电源单元与所述激励光产生单元之间，并且开关操作，从而向所述激励光产生单元提供脉沖波形形式的电力。
10.如权利要求9所述的激光加工设备，包括高次谐波激光输出测量单元，测量高次谐波激光束的激光输出；和 控制单元，控制开关元件的开关搡作以使高次谐波激光输出测量单元给 出的激光输出测量值与给定的基准值或基准波形相匹配。
全文摘要
本发明公开了激光振荡器和激光加工设备。激光加工设备的激光振荡器包括其间有一直线光路的一对终端镜，还包括在终端镜之间的光路上以给定间隔排列成直线的1/4波长板、激活介质、高次谐波分离/输出镜、会聚透镜和非线性光学晶体，即波长转换晶体。光学透镜的焦点被确定为在第一终端镜的反射表面附近，使得光学透镜在光学谐振器的光路上设置成跨过非线性光学晶体与第一终端镜的反射表面隔开约等于焦距的距离。
文档编号B23K26/00GK101554683SQ20091012988
公开日2009年10月14日 申请日期2009年3月30日 优先权日2008年4月8日
发明者加瀬纯平, 天野觉 申请人:米亚基株式会社