一种高功率、高圆度工业激光器的制作方法

本发明涉及一种工业激光器，特别涉及一种高功率、高圆度工业激光器。

背景技术：

紫外激光波长短，聚焦光斑小，光子能量大，在材料加工过程中直接破坏许多非金属材料的分子键而实现“冷”加工，材料边缘光滑，炭化小。

二极管泵浦的355nm紫外激光器具有光束质量好、效率高、功率稳定性好、可靠性高、使用方便、体积小等诸多优点，在精密材料加工、光刻、光谱分析、医疗和科研等领域有着广泛的应用。

二极管泵浦的大功率(>8w)355nm紫外激光都是通过将波长1064nm的基频红外激光进行腔内或腔外二倍频，然后部分基频光与二倍频产生的532nm绿光进行相应方式三倍频(即和频)实现的。

二倍频与三倍频都是激光在光学非线性晶体中进行的非线性转换过程。相较于腔内非线性转换方式，腔外方式激光聚焦光斑更小，对光学非线性晶体表面镀膜的要求更高，因此晶体更容易损坏。国外相干(coherent)、光谱物理(spectra-physics)等公司都是采用这种非线性转换方式。它们是通过对非线性晶体进行移位以限制晶体表面工作点工作时间的方法，来保证激光器长时间稳定可靠工作的。但是这种方法对晶体位置移动控制有非常高的要求(激光相对非线性晶体只有一个最佳朝向位置)，一般要进行精密的位置检测和判别，系统控制复杂。同时要实现高效率的二倍频及三倍频，进入三倍频非线性晶体中的1064nm红外激光和532nm绿光光子数之比应为1:1，而实际上两种波长激光光子数很难达到这个配比，从而影响非线性转换效率。

对于腔内方式，由于激光器腔内光强比腔外有一个数量级的提高，和腔外非线性转换方式相比，要实现同样效率、同等功率的紫外激光输出，这种方式对非线性晶体表面镀膜的要求比腔外方式低得多，因此晶体寿命更长。这种方式一般没有红外激光输出腔外，输出腔外的绿光和紫外激光可以看作是红外激光谐振腔的一种等效损耗，优化非线性晶体的光学、机械尺寸等参数一般就可以达到很高的非线性转换效率。但是，由于在激光器腔内有多个波长(红外808nm、1064nm、绿光532nm、紫外355nm)同时相互作用，彼此之间有能量交换，而这种交换还容易受外界条件(如激光晶体散热、泵浦激光耦合聚焦的光束质量等)的影响；同时非线性二倍频、三倍频晶体需要三个以上自由度的调节和温度调节，因此相对于腔外方式更难实现高稳定可靠运转。

实现8w以上大功率紫外激光的可靠稳定输出，要求1064nm红外基频激光能够产生高光束质量的高功率基膜振荡，激光晶体有尽可能小的热透镜和热致双折射效应，同时为了实现最好的非线性偏振匹配，要求紫外非线性晶体和绿光非线性晶体调节方便。

cn205543662u,名为一种紫外激光器的实用新型专利披露了这样的技术方案：本实用新型提供的紫外激光器，第一泵浦激光光源；第二泵浦激光光源；第一镜片；第二镜片；激光晶体模块；红外激光全反镜；声光q开关；三倍频晶体模组，包括三倍频晶体和三倍频晶体座，所述三倍频晶体固定在三倍频晶体座上，通过三倍频晶体座可调节三倍频晶体的三个转动自由度；二倍频晶体模组，包括二倍频晶体和二倍频晶体座，所述二倍频晶体固定在二倍频晶体座上，通过二倍频晶体座可调节二倍频晶体的三个转动自由度；反射尾镜；用于吸收绿激光的绿光吸收池；所述第一泵浦激光光源发出的泵浦激光经过第一镜片进入到激光晶体模块中，所述第二泵浦激光光源发出的泵浦激光经过第二镜片进入到激光晶体模块中；所述第一泵浦激光光源发出的泵浦激光与所述第二泵浦激光光源发出的泵浦激光在激光晶体模块中产生基模振荡并输出基频激光，所述红外激光全反镜将基频激光反射到声光q开关中，声光q开关将连续的基频激光调制为脉冲基频激光并输出；所述脉冲基频激光依次穿过所述三倍频晶体、二倍频晶体后，经反射尾镜反射回二倍频晶体中；所述二倍频晶体产生绿激光，并输出到三倍频晶体中，由所述三倍频晶体产生紫外激光；三倍频晶体中未被转换成紫外激光的绿激光出射到绿光吸收池中，被绿光吸收池吸收。该技术方案主要解决了1、减小激光晶体散热热耦合的热阻，加快激光晶体的散热。2、二倍频晶体和三倍频晶体是产生绿光和紫外光的工作物质，由于涉及到二倍频、三倍频过程中的偏振匹配，为了达到最佳的倍频及和频效率，除了要调节两个晶体的匹配温度之外，还要精细调节两个晶体的三个转动自由度，及进行三个转动方向的调节，每个晶体调节好之后还要固定好晶体座防止跑位。一般两个晶体都是在同一个安装座上面进行调节，调节时松开紧固螺钉，调好之后再紧固。但是这样一来调好的晶体位置又变了，调节一个自由度的时候会影响另外两个自由度，晶体始终难以调到最佳位置并紧固，非常繁琐费时。同时因为共用一个晶体安装座，针对一个晶体的调节会影响另外一个晶体，往往需要反复调试才能达到效果，浪费很多时间。该实用新型披露的技术方案结构复杂，操作繁琐。不利于工业大规模应用。

图2公开了现有紫外激光器的一种，其中010、030为激光谐振腔腔镜，010为对激光基波高反镜，此设计的优点在于简单直接，缺点在于三倍频晶体017在紫外功率超过5w以上时易破坏(尤其其上端向上增透膜层)，工作寿命较短。有的设计将三倍频晶体的紫外出射面做成布儒斯特面，不再采用介质膜层，但仍会发生布儒斯特面在紫外激光功率下的破坏现象。

因此，现有的技术还有待改进和提高。

技术实现要素：

q开关紫外激光器，主要受限于非线性晶体的破坏阈值，通常紫外功率在6-8w之间，超过10w的激光器的可靠性稳定性是极大挑战，价格昂贵，而许多应用如紫外微加工、切割等对高功率紫外激光器存在极大需求，紫外激光光斑的圆度是另一极大挑战。

将红外脉冲分为两束，两组于非线性转换晶体在取向上互为正交，即一组对水平偏振红外进行腔内三倍频，另一组对垂直偏振红外进行三倍频，输出的二束三倍频脉冲光束在偏振上为正交，在圆度上亦成正交。经合成后，得到紫外光斑包含两个方向的偏振并有较好的圆度。同时对非偏振的红外脉冲有充分的利用。

本发明的技术方案是：一种紫外激光器，其特征在于包括：激光腔后腔镜、激光工作介质、泵浦激光二极管、q开关、分光镜、二倍频晶体、三倍频晶体、谐振腔镜、激光基波1/2波片转折镜和合成镜，所述分光镜包括第一分光镜和第二分光镜，所述二倍频晶体包括第一二倍频晶体和第二二倍频晶体,所述三倍频晶体包括第一三倍频晶体和第二三倍频晶体,所述谐振腔镜包括第一谐振腔镜和第二谐振腔镜，所述转折镜包括第一转折镜和第二转折镜，所述激光工作介质与泵浦激光二极管对应，所述激光基波光束经第一分光镜分为两束，其中一束经第一二倍频晶体及第一三倍频晶体后，部分被转换成三倍频紫外激光经第一谐振腔镜输出为第一紫外激光束；另一束经第二分光镜反射的部分激光基波光束经第一转折镜反射，经激光基波1/2波片将偏振方向旋转90°后，经第二二倍频晶体及第二三倍频晶体，部分激光基波能量被转化为三倍频激光，经第二谐振腔镜输出为第二紫外激光束，第一紫外激光束经第二转折镜后，经紫外激光合成镜与第二紫外激光束合成为第三紫外激光束。

进一步地，所述第二二倍频晶体，第二三倍频晶体的晶体取向相对于第一二倍频晶体和第一三倍频晶体为正交，或旋转90°。

进一步地，所述第三紫外激光束光路中插入一对紫外激光束的1/4波片。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、实现了紫外激光器的可靠性；2、实现了紫外激光器的稳定性；3、提高了紫外激光器的光斑圆度。

附图说明

图1：本发明的结构示意图；

图2：现有激光器的结构示意图。

具体实施方式

由图1所示，其中050为激光腔后腔镜，为对激光基波高反镜，051为激光工作介质，052为泵浦激光二极管，053为泵浦激光二极管052的驱动电流，054为声光q开关，055为声光q开关054的射频驱动，059为第一分光镜。激光基波光束077经第一分光镜059分为两束，其中一束078经第一二倍频晶体065及第一三倍频晶体066后，部分被转换成三倍频紫外激光经第一谐振腔镜072输出，输出的第一紫外激光束为081；另一束激光基波光束079经第二分光镜056反射至第一转折镜057再反射，激光基波1/2波片058将偏振方向旋转90°后，经第二二倍频晶体0651及第二三倍频晶体0661，部分激光基波能量被转化为三倍频激光，经第二谐振腔镜0721输出为第二紫外激光束082。

图1中068,070,060及059为二倍频晶体和三倍频晶体065、066、059及061的角度控制部件，067,069,060及062为二倍频晶体和三倍频晶体065、066、059及061相应的温控驱动部件。

第二二倍频晶体059，第二三倍频晶体061的晶体取向相对于第一二倍频晶体065和第一三倍频晶体066为正交，或旋转90°，因此第二紫外激光束082的偏转方向，光斑圆方向与第一紫外激光束081亦正好是正交，即相互成90°方向。

紫外激光合成镜076对第二紫外激光束082全透，而对偏振与第二紫外激光束082正交的第一紫外激光束081全反，因此第一紫外激光束081经第二转折镜075后，经紫外激光合成镜076后与第二紫外激光束082合成为第三紫外激光束085。

控制紫外激光束081,082的功率在6-8w水平，可以大大延长三倍频晶体066及061的稳定工作寿命，而合成的紫外激光束功率可以达到15w左右的水平，满足许多紫外激光应用的需要。同时，合成的第三紫外激光束085具有较好的光斑圆度，它具有两个偏振互为正交的分量，在许多对偏振敏感的应用中具有一定的优越性，亦可以在第三紫外激光束085光路中插入一对紫外激光束的1/4波片，将两个紫外激光束081,082均转为同频偏振光。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型，对其进行简单的组合变化都列为本发明的保护之内。