专利名称：大功率固体激光器双棒串接的匹配方法
技术领域：
大功率固体激光器双棒串接的匹配方法属于大功率固体激光器技术领域。
背景技术：
工业激光材料加工方面的应用要求大功率、高光束质量的激光输出。目前主要有两类激光器，即CO2气体激光器和Nd:YAG固体激光器。固体激光器与CO2气体激光器相比存在明显的优点固体激光器波长短(相对于CO2激光)，材料吸收率高，体积小，能采用光纤传输等优点，是工业应用中有竞争力的激光光源。
工业激光材料加工的应用要求固体激光器输出千瓦甚至更高的功率，通常200mm长单棒Nd:YAG激光器模块的输出功率被局限在单模块输出400-600W。有两种途径可能实现更大输出功率的要求，一是采用多棒振荡放大的结构，由于放大级中输出激光的强度远低于激光棒的饱和强度，放大级的效率低；对于高功率激光而言，振荡放大系统中由于热透镜效应的影响，会造成输出光束质量的降低，且光路准直的偏差容易造成激光棒的损坏；另一是采用多棒串接的模块组合式结构，可实现激光器输出功率按单棒的功率累加，而光束质量近似保持不变，避免振荡放大结构的问题，工业化大功率YAG激光器一般采用多棒串接的模块组合式结构。
用多棒串接大功率YAG激光器的输出特性，包括输出功率和光束质量，既与单棒激光器的特性有关，又与串接多棒激光模块之间的匹配有关。对于特性一致的两单棒激光器模块，只有在两棒激光器模块之间的结构、热焦距和双折射、临界稳定和稳定区等参数匹配的条件下，输出功率才能按两模块的功率累加，而光束质量维持单棒激光器模块的光束质量。由于激光模块之间的匹配问题，使输出功率受到限制，目前国内已有的Nd:YAG激光器采用两400W单棒激光器模块串接时的输出功率只有500-700W，电光转换效率只有3％，光束模式为基模和低阶模组成的混合模。
发明内容
本发明的目的是通过两棒激光器模块之间的结构、热焦距、临界点和稳定区等参数匹配，提高激光系统的输出功率，使激光系统的功率按两激光器模块的功率累加，而光束质量维持单棒激光器模块的光束质量。
此方法其特征在于，通过测量激光器模块棒平均有效热焦距f、径向热焦距fr、切向热焦距fθ，确定棒3间距和棒3与腔镜(腔镜由全反镜1和部分反射耦合输出镜2组成)的间距，使串接激光器模块与激光器的稳定工作区匹配；采用对称平行平面谐振腔，调整串接激光器的两棒3的棒中心共轴，使两棒串接激光器的径向匹配，获得最大的模体积；两孔径相同的光阑4对称放置于两串接激光器棒的两端，使径向热焦距fr和切向热焦距fθ在临界点及附近匹配，使激光系统的功率按两激光器模块的功率累加，而光束质量维持单棒激光器模块的光束质量。
其匹配方法如下选择平均有效热焦距f、径向热焦距fr、切向热焦距fθ相同的两个大功率激光器模块用于两棒串接。
谐振腔选择对称平行平面结构，即两个平面镜对称放置在激光晶体棒3两侧的谐振腔结构。由于对称平行平面谐振腔与其它谐振腔相比，两棒串接大功率激光器模块在对称结构时可等效为一谐振腔，易于两棒串接大功率激光器模块匹配。同时，对称平行平面谐振腔具有模体积大、失调灵敏度小、光束束腰位于输出镜处，便于光纤耦合输出等优点，因而两棒串接大功率固体激光器采用平行平面谐振腔。
选择棒3间距和棒3与腔镜的间距，即棒间距为棒与腔镜的间距的2倍，使激光器工作在稳定区。因而，在较宽的泵浦功率范围内激光器都能稳定工作，输出功率随着泵浦功率的增加而稳定增加，有利于最大输出功率的获得。设计时应考虑到稳定工作区的边界，棒3间距的范围为平均热焦距f的1倍到2倍。
选择两孔径相同的光阑4对称放置于两串接激光器棒的两端，使径向热焦距fr和切向热焦距fθ在临界点及附近匹配。由于激光器晶体的径向热焦距fr和切向热焦距fθ不同时通过临界点，因而就需要选择孔径大小为激光器棒直径0.85-0.95倍的光阑4使其在临界点和附近位置匹配。
调整两棒串接激光器的径向匹配，即使串接激光器的两棒3的棒中心共轴。激光棒虽然可等效为正类透镜元件，但同时也是工作物质，大功率输出需要有大的工作模体积，当两串接激光器两棒的径向匹配时才能有大功率输出。
综上所述，满足上面五点匹配方法，按照这五点来调整两个激光器模块的匹配，激光器的最大输出功率可达1100-1200W，光束质量为21-25mm·mrad，总体电光转换效率为3.8％-4.1％。
图1.激光器的原理结构2.电源泵浦功率与输出激光功率3.输出激光光束的功率密度进行测量中，1为全反镜，2为部分反射耦合输出镜，3为棒，4为光阑。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施例加以说明请参阅图1所示，为该激光器的原理结构。两棒串接激光器模块的参数为激光晶体棒3即Nd:YAG棒的尺寸为φ9mm×155mm，泵浦灯为φ8mm×150mm的氪灯；聚光腔采用陶瓷漫反射体，陶瓷体表面镀釉。陶瓷体对增益介质吸收波段的反射率大于97％；激光腔采用全腔水冷，由双循环水冷系统提供冷却，温度为20℃(±1℃)；本激光器实施时采用双灯泵浦，电源的最大泵浦功率为16kW。对单灯泵浦的激光器，本匹配方法同样适用。
对串接的两大功率激光器模块的热焦距进行测量，在最大泵浦功率为16kW时，其平均热焦距f为150mm，对应的径向热焦距fr和切向热焦距fθ分别为170mm(±2mm)，130mm(±2mm)。
采用对称平行平面谐振腔结构，棒3间距为230mm，棒3的主面与腔镜的间距为115mm；腔镜由全反镜1和反射率为80％的部分反射耦合输出镜2组成；两棒3与腔镜的之间对称放置两光阑4，距离棒端面60mm，光阑4的孔径为8.5mm；两串接激光器模块的棒中心共轴。
测量输出激光的功率，激光器的输出功率随泵浦功率近线性的增加，在30kW最大电源泵浦功率时，输出功率1176W，电源泵浦功率与输出激光功率如图2。采用大功率光束光斑质量诊断仪，对输出激光光束的功率密度进行测量，如图3。由于激光器输出激光的束腰在输出镜处，用透镜聚焦输出激光束，采用“套孔法”测量输出激光光束质量，即用大功率光束光斑质量诊断仪测量透镜聚焦束腰和焦距处包含激光光强86％的半径及相应距离，求得输出激光束的光束质量为23mm·mrad。测量在高光束质量条件下的最高输出功率和注入的电功率，求得激光器的总体电光转换效率为4％。
权利要求
1.一种大功率固体激光器双棒串接的匹配方法，其特征在于，同时满足以下条件选择平均有效热焦距f、径向热焦距fr、切向热焦距fθ相同的两个大功率激光器模块用于两棒串接；激光器谐振腔选择对称平行平面结构；选择激光器棒(3)棒间距为棒(3)与腔镜的间距的2倍，棒(3)间距的范围为平均热焦距f的1倍到2倍；选择两孔径相同的光阑(4)对称放置于两串接激光器棒(3)的两端；调整两个串接的激光器棒(3)的棒中心共轴。
全文摘要
大功率固体激光器双棒串接的匹配方法属于大功率固体激光器技术领域。目前国内已有的Nd:YAG激光器采用两400W单棒激光器模块串接时的输出功率只有500－700W，电光转换效率只有3％。本发明特征在于，同时满足以下条件选择平均有效热焦距f、径向热焦距fr、切向热焦距fθ相同的两个大功率激光器模块用于两棒串接；激光器谐振腔选择对称平行平面结构；选择激光器棒棒间距为棒与腔镜的间距的2倍，棒间距的范围为平均热焦距f的1到2倍；选择两孔径相同的光阑对称放置于两串接激光器棒的两端；调整两个串接的激光器棒的棒中心共轴。本发明激光器的最大输出功率可达1100－1200W，光束质量为21－25mm·mrad，总体电光转换效率为3.8％－4.1％。
文档编号H01S3/05GK1866643SQ20061001217
公开日2006年11月22日 申请日期2006年6月9日 优先权日2006年6月9日
发明者李强, 王志敏, 房明星, 姜梦华, 丁小艇 申请人:北京工业大学