专利名称：一种用于激光切割的抗热畸变Nd:YAG激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光切割技术领域，具体的说是一种用于激光切割的抗热畸变Nd: YAG 激光器，适用于固体激光切割设备使用。
背景技术：
当Nd: YAG激光器以连续或高重复脉冲两种方式运行时，都能获得数百瓦至上千 瓦的高功率激光输出，因此Nd:YAG激光器在激光切割加工中得到广泛的应用。但是高功率 Nd: YAG激光器在进行激光加工时也存在严重的热效应，主要是由于泵浦光的利用率较低， 大部分光以热的方式消耗，导致Nd:YAG激光棒产生严重的热畸变，这种变形体现在两个方 面，均会带来不好的影响一是已加工成形的Nd:YAG激光棒两个平行的光学平面畸变为一 个凸面，如图1所示，产生凸透镜效应，将平行的光束变为发散的光束，造成激光器运行不 稳定和光束模式变坏，影响激光聚焦和切割精度；二是热效应造成Nd:YAG激光棒的热弯曲 变形会造成对激光器光束的扰动，特别是在高功率激光运行状态时会产生光束漂移，严重 影响激光切割的光点定位，影响切割精度。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术的不足之处，而提供一种用于激光切割 的抗热畸变Nd: YAG激光器，它具有良好的抗热畸变性能，切割精度高，使用寿命长。本发明的目的是通过如下技术措施来实现的一种用于激光切割的抗热畸变 NdiYAG激光器，包括椭圆柱聚光腔、NdiYAG激光棒、泵浦源氙灯，所述用于激光切割的抗热 畸变Nd: YAG激光器的光学谐振腔中同轴设置两个椭圆柱聚光腔，所述椭圆柱聚光腔的两 个焦点分别设置泵浦源氙灯和Nd:YAG激光棒。在上述技术方案中，所述椭圆柱聚光腔的椭圆参数为长半轴20mm，短半轴17mm， 椭圆率e为0. 53，焦距2C为21. 6讓。在上述技术方案中，所述Nd: YAG激光棒表面呈螺旋状。在上述技术方案中，所述Nd:YAG激光棒，其出光截面为Φ6πιπιΧ150πιπι，所述 Nd: YAG激光棒是将Φ8πιπιΧ 150mm的Nd: YAG激光棒表面加工成螺旋状，其表面螺旋纹的螺 旋深度为1mm，螺旋宽度为2mm。本发明与现有技术相比具有以下优点1.采用两个椭圆柱聚光腔串联而成，安装 简单，调试方便，两个聚光腔分立供电，同步激发，可获得平均功率400瓦到500瓦的激光输 出用于激光切割；2.采用螺旋棒状Nd: YAG作为激光工作物质，其表面受光照面积增大，表 面散热面积增大，激光冷却水流速度加快，使得Nd: YAG棒的热透镜效应减小，能有效改善 光束的输出发散角，提高光束的聚焦性能；3.螺旋棒状Nd: YAG激光棒由于有效强度截面增 大，抗热畸变性能增加，能有效减小棒的弯曲变形，大大改善激光光束的光点漂移。
图1为平滑Nd:YAG激光棒光照中热变形的示意图。图2为本用于激光切割的抗热畸变Nd:YAG激光器的结构示意图。图3为椭圆柱聚光腔灯棒光线轨迹图。图4为本发明中螺旋状Nd: YAG激光棒封装与水冷示意图。其中1.椭圆柱聚光腔、2. Nd:YAG激光棒、3.泵浦源氙灯、4.泵浦源氙灯的直流高 压电源、5.光学谐振腔调整镜架、6.光学谐振腔输出镜、7.光学谐振腔全反镜、8.冷却玻璃 管、9.冷却玻璃管、10.活动棒套、11.硅橡胶密封圈、12.玻璃管、13.硅橡胶密封0型圈。
具体实施例方式下面结合附图及实施例对本发明作进一步的描述。如图2所示，本实施例提供一种用于激光切割的抗热畸变Nd:YAG激光器，包括椭 圆柱聚光腔l、Nd:YAG激光棒2、泵浦源氙灯3，该激光器的光学谐振腔中同轴设置两个椭圆 柱聚光腔1，所述椭圆柱聚光腔1的两个焦点分别设有泵浦源氙灯3和Nd:YAG激光棒2，形 成一台二级串联Nd: YAG激光器。通过微调机构将两支Nd: YAG激光棒调整到同轴，同心并 端面相互平行，以保证两级激光器安装紧凑。椭圆柱聚光腔1中的泵浦源氙灯3由激光电 源即直流高压电源4分立供电，两支泵浦源氙灯3同步触发，以保证泵浦源氙灯3的电荷功 率相同，确保Nd: YAG激光棒2保持相近的热效应，达到激光器的平衡运行。由于采用了两个椭圆柱聚光腔1串联的结构，在获得同样的500瓦平均功率激光 输出时，由于两级串联激光器Nd:YAG激光棒的泵浦功率只有双灯泵浦的泵浦功率的一半， 同时聚光效率比双灯泵浦的聚光效率提高20%，因此激光棒的热畸变将大大小于双灯泵浦 的激光棒。从而保证激光束发射角、发射功率的稳定度，光斑模式也能得到很大的改善。本发明实施例除了采用两级串联方式改善热畸变以获取高光束质量的平均功率 500瓦输出激光外，为了进一步改善Nd:YAG激光棒2的热畸变，同时还特别提出将Nd:YAG 激光棒2表面加工成螺旋状。本激光器所采用的两根螺旋状Φ8mmX 150mm Nd:YAG激光棒 2，其出光截面为Φ6mmX 150mm，具体过程是将Φ8πιπιΧ 150mm的Nd: YAG激光棒2表面加工 成螺旋状表面，其表面螺旋纹的螺旋深度为1mm，螺旋宽度为2mm ；螺旋棒的激光出光截面 保证为Φ 6mm。由于Nd:YAG激光棒2表面加工成螺旋状，其散热面积增加2倍，并且当冷却水沿 螺旋槽沟流过时，其流速增加1倍以上，同比平滑的激光棒其散热效果大为改善。螺旋状Nd: YAG激光棒2不仅散热效果好，同时又有直径相当于Φ8mm Nd: YAG激 光棒的机械强度，其抗热弯曲变形的能力也得到了增强，使得激光束光点漂移大大小于双 灯泵浦的激光器。如图3所示为椭圆柱聚光腔1光线轨迹图，本实施例中椭圆柱聚光腔1的椭圆参 数为长半轴20mm，短半轴17mm，椭圆率e = 0. 53，焦距2C = 21. 6mm。泵浦源氙灯3与螺旋 状Nd: YAG激光棒2分别安装在椭圆柱聚光腔1的两条焦线上。按照椭圆反射面等光程原 理，焦点A上氙灯3发射的光线，经椭圆反射面上任一点P反射后的光线都将汇聚到另一个 焦点B，照射到螺旋状Nd: YAG激光棒2上。因此安装在焦点B上的螺旋状Nd: YAG激光棒2 受泵浦光照的表面积增大，经表面光线折射成像于Nd: YAG激光棒2有效发光截面上。
图4为螺旋状Nd YAG激光棒状封装与水冷示意图。 图中螺旋状Nd:YAG激光棒2封接在两支活动棒套10内。棒两端与棒套过度连接， 采用硅橡胶密封圈11密封，用以阻止冷却水渗漏到Nd: YAG激光棒2的光学端面。封装后 的Nd: YAG激光棒2组件再封装到水冷玻璃管套12中，采用硅橡胶密封0型圈13密封，保 证冷却水不会外漏。水冷玻璃管套12为GG17玻璃管。冷却时，冷却水从进水口进入，经激 光棒表面和沿螺旋槽快速流过，散除Nd: YAG激光棒2上的热量，然后从出水口流出。
权利要求
一种用于激光切割的抗热畸变Nd:YAG激光器，包括椭圆柱聚光腔、Nd:YAG激光棒、泵浦源氙灯，其特征是所述用于激光切割的抗热畸变Nd:YAG激光器的光学谐振腔中同轴设置两个椭圆柱聚光腔，所述椭圆柱聚光腔的两个焦点分别设置泵浦源氙灯和Nd:YAG激光棒。
2.根据权利要求1所述的用于激光切割的抗热畸变Nd:YAG激光器，其特征是所述椭 圆柱聚光腔的椭圆参数为长半轴20mm，短半轴17mm，椭圆率e为0. 53，焦距2C为21. 6mm。
3.根据权利要求1所述的用于激光切割的抗热畸变Nd:YAG激光器，其特征是所述 Nd: YAG激光棒表面呈螺旋状。
4.根据权利要求3所述的用于激光切割的抗热畸变Nd:YAG激光器，其特征是所述 Nd: YAG激光棒的出光截面为Φ6πιπιΧ 150mm，其表面螺旋纹的螺旋深度为1mm，螺旋宽度为 2mm ο
全文摘要
本发明涉及激光切割技术领域，提供一种用于激光切割的抗热畸变Nd:YAG激光器，包括椭圆柱聚光腔、Nd:YAG激光棒、泵浦源氙灯，所述用于激光切割的抗热畸变Nd:YAG激光器的光学谐振腔中同轴设置两个椭圆柱聚光腔，所述椭圆柱聚光腔的两个焦点分别设置泵浦源氙灯和Nd:YAG激光棒。本发明具有良好的抗热畸变性能，切割精度高，使用寿命长。
文档编号H01S3/082GK101950916SQ20101027113
公开日2011年1月19日 申请日期2010年8月31日 优先权日2010年8月31日
发明者张爱萍, 陈桥立, 齐飞 申请人:武汉嘉铭激光有限公司