固定脈寬腔內倍頻紫外激光器的制作方法

文檔序號:18021978發布日期:2019-06-26 01:21
固定脈寬腔內倍頻紫外激光器的制作方法

本實用新型涉及激光器技術領域,特別是涉及一種固定脈寬腔內倍頻紫外激光器。



背景技術:

近年來高功率高光束質量的激光器在各行材料加工行業的應用得到迅猛發展,激光器種類繁多:按照結構的不同分為氣體激光、固體激光、光纖激光、半導體激光,成為支撐材料加工行業的主流;其波長范圍從遠紅外到深紫外均能覆蓋到(200nm~20um),不同的行業亦會使用到不同的功率范圍,不同的光束質量,不同的激光輸出方式等等。在加工薄膜非金屬材料,半導體晶圓切割,有機玻璃切割、鉆孔、打標等領域為了減少熱效應影響,希望小孔徑光斑作用及高峰值功率,紫外激光的作用和地位就是那么的出色和不可替代。

對于金屬加工的波長多為紅外波段,以期望高功率高熱量來作用加工金屬,但其紅外或可見光通常靠產生高亮度的局部加熱使材料氣化、熔化的方式來進行加工。但這種熱量會導致激光作用區域的周邊材料受到影響甚至被破壞,因而限制了加工邊緣質量和工業應用范圍。而紫外激光是短波長高能量光子激光,其作用到物質上是直接破壞材料原子組分的化學鍵,而不產生熱量,所以一般都把紫外激光加工稱作“冷”加工。

目前,紫外激光器非常適合于科研、工業、OEM系統集成開發。科研方面,紫外激光器可以用于原子/分析光譜、化學動力學等方面的研究。工業方面,基于紫外激光器生產的磁盤的數據存儲盤空間比藍光激光器高出20倍。

固體激光器的脈寬通常隨著泵浦功率、調Q頻率、腔長的改變而發生變化。對于沒有進行MOPA的固體激光器,如果讓出光的脈寬保持不變,通常可以將所有激光器的參數都記錄下來,通過控制泵浦功率,出光頻率來使得激光的脈寬是一致的,但是通常這種情況需要向最差的情況看齊,即是以泵浦功率最高,出光頻率最高的時候的脈寬為基準,當出光頻率下降的時候,需要降低泵浦光的功率,這樣在低重頻低泵浦功率下激光脈寬和高重頻高泵浦功率下的脈寬近似一致。但是這樣做最大的問題就是在低重頻下的泵浦功率較低,出光能量較低,這樣變的沒有意義。



技術實現要素:

針對上述現有技術中存在的技術問題,本實用新型的目的是提供一種固定脈寬腔內倍頻紫外激光器。

為實現本實用新型的目的,本實用新型提供了一種固定脈寬腔內倍頻紫外激光器,包括第一雙波長反射鏡A1、第二雙波長反射鏡A2以及平凸透鏡B、第一聲光Q開關、第一激光腔鏡D、激光晶體E、第二激光腔鏡F、激光反射鏡 H、二倍頻晶體N、三倍頻晶體M,

所述第一雙波長反射鏡A1放置在電動平移臺H上,通過改變所述第一雙波長反射鏡A1的位置,改變激光器的腔長。

與現有技術相比,本實用新型的有益效果為,提供了一款脈寬恒定的端面泵浦紫外激光器,所謂的脈寬恒定是在一定的使用范圍內,即在一定的頻率范圍內能夠保證脈寬的不變性,同時無論是在低重頻下和高重頻下都能夠使用最高的泵浦功率,這樣無論是在低重頻還是高重頻都能夠實現最高的能量輸出。

附圖說明

圖1所示為本申請的結構示意圖;

圖中,A1-第一雙波長反射鏡,A2-第二雙波長反射鏡,B-平凸透鏡,C- 第一聲光Q開關,D-第一激光腔鏡,E-激光晶體,F-第二激光腔鏡,H-激光反射鏡,N-二倍頻晶體,M-三倍頻晶體,R-分束鏡,I-光電探頭,P-電動平移臺, J-伺服電機驅動器,K-第三聲光Q開關,L-脈寬監控裝置,Q-MCU控制板。

具體實施方式

以下結合附圖和具體實施例對本實用新型作進一步詳細說明。應當理解,此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型,并不用于限定本實用新型。

需要說明的是,在不沖突的情況下,本申請中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。

本申請提供的脈寬恒定的端面泵浦紫外激光器,倍頻方式使用腔內倍頻方式,整體設計方案如圖1所示。

本實用新型提供了一種固定脈寬腔內倍頻紫外激光器,包括第一雙波長反射鏡A1、第二雙波長反射鏡A2以及平凸透鏡B、第一聲光Q開關、第一激光腔鏡D、激光晶體E、第二激光腔鏡F、激光反射鏡H、二倍頻晶體N、三倍頻晶體M,

其中(A1)BCDEFHMN(A2)表示為腔內倍頻紫外激光器的腔體組成。在本設計中A1為激光器中的反射鏡,基頻光在激光器腔體內由第一雙波長反射鏡A1 經平凸透鏡B第一聲光Q開關第一激光腔鏡D激光晶體E第二激光腔鏡F激光反射鏡H到三倍頻晶體M進行傳播,當基頻光經過三倍頻晶體M后,由于三倍頻晶體M是布儒斯特切割,所以相應偏振方向傳播損耗很小,通過三倍頻晶體M后的基頻光再次通過二倍頻晶體N,二倍頻晶體N為倍頻晶體,通過二倍頻晶體N后基頻光部分變頻成倍頻光,基頻光和倍頻光向第二雙波長反射鏡A2 進行傳播并反射回來,當反射光再次通過二倍頻晶體N后,部分基頻光再次變頻成倍頻光,反向傳播的基頻光和倍頻光然后通過三倍頻晶體M,在三倍頻晶體M中基頻光和倍頻光進行和頻,從而產生的三倍頻光即紫外光,三倍頻晶體 M的出射面切割成布儒斯特角,基頻光,倍頻光,三倍頻光從表面出射,由于折射率不同,所以在布儒斯特面出射后三束光就分開進行傳播,其中紫外光是我們需要的光束,而綠光通常為垃圾光進行收集,基頻光返回到腔體內由激光反射鏡H到第一雙波長反射鏡A1再次通過增益晶體繼續放大。其中激光晶體E 第二激光腔鏡F,激光晶體E第一激光腔鏡D之間距離,第一激光腔鏡D第一雙波長反射鏡A1,第二激光腔鏡F第二雙波長反射鏡A2,雙波長反射鏡A平凸透鏡B之間的距離根據激光腔體設計要求進行確定,通常激光晶體E第二激光腔鏡F,激光晶體E第一激光腔鏡D之間距離要小于第一激光腔鏡D第一雙波長反射鏡A1,第二激光腔鏡F第二雙波長反射鏡A2之間的距離,雙波長反射鏡A平凸透鏡B之間的距離沒有明確要求,通常距離越短能夠泵浦的功率就越高。第二雙波長反射鏡A2到三倍頻晶體M二倍頻晶體N之間的距離通常控制在激光的瑞利范圍內即可。第一聲光Q開關在腔體內的位置沒有明確要求,通常放置在激光光束直徑小于聲光晶體作用區域即可。其中在激光成腔后在三倍頻晶體M位置輸出激光,輸出的激光經過分束鏡R部分反射進行到光電探頭 I進行測量,大部分透過分束鏡R進行傳播。第一雙波長反射鏡A1放置于電動平移臺P上,電動平移臺P的長度主要是由激光器的設計決定的,如果需要更高的頻率范圍內來實現脈寬一致,則長度加長,但是相應機加難度增加。其余部分的位置沒有明確要求。

所述第一雙波長反射鏡A1放置在電動平移臺H上,通過改變所述第一雙波長反射鏡A1的位置,改變激光器的腔長。

其中,還包括分束鏡R、光電探頭I以及脈寬檢測裝置L、MCU控制板Q,所述三倍頻晶體M出射的激光向分束鏡R進行傳播,光電探頭I接收到分束鏡 R反射的光,測試激光器的脈寬,所述光電探頭I將測得數據實時反饋給脈寬監控裝置L,所述脈寬監控裝置L與MCU板Q相互通信。

其中,所述伺服電機驅動器J、第二聲光Q開關與MCU板Q通信連接,所述伺服電機驅動器J與電動平移臺P的伺服電機控制連接,所述第三聲光Q開關與第一聲光Q開關控制連接。

其中,所述第一激光腔鏡D和第二激光腔鏡F為平凸反射鏡,相應的反射角度不同。

其中,所述倍頻晶體N、三倍頻晶體M為LBO晶體。

其中,所述LBO晶體的端面切割為布儒斯特。

需要說明的是,A1和A2為雙波長反射鏡,用于反射基頻率光和倍頻光,D, F為平凸反射鏡,只是相應的反射鏡角度不同,使用平凸透鏡的主要作用在于補充高功率泵浦的熱效應。整個激光器的腔長兩個鏡片A1和A2之間的長度決定,其中在凸透鏡B位置附近的反射鏡A1放置到電動平移臺P上,通過改變A1的位置來改變激光腔的長度,從而改變脈寬。B為凸透鏡,B的主要作用在于改變激光器工作的穩區范圍,當放置B的時候能夠將激光器工作的第一穩區移動到短焦的范圍內,這樣能夠在有限的腔長上泵浦更高的泵浦功率。E是相應的激光工作晶體,通常了實現高工作效率的時候選用釩酸釔晶體,這里為了實現良好的倍頻效率和加工效果,選取端泵泵浦的方式。C為聲光Q晶體,主要就用來實現高重頻的激光輸出,N為倍頻晶體,考慮工業客戶使用特點,選取不易潮解的LBO為二倍頻晶體,M為三倍頻晶體,通常選擇LBO晶體,其中LBO晶體的端面切割為布儒斯特角,這樣在這個面上,基頻光,二倍頻光,三倍頻光都能按照各自分開的角度進行傳播,這樣就能實現腔內倍頻紫外激光的輸出。

整個激光器為了實現高泵浦功率可以采用雙端泵設計方案,同時為了實現在高泵浦條件下,不同頻率的脈寬恒定,可以通過改變腔長來實現。在相同的泵浦功率下,不同的工作頻率,在上能級上積累的能量就不同,根據激光速率方程,當能量積累少的時候相應脈寬就寬,當能量積累多的時候相應脈寬就窄。所以當低重頻時候,反射鏡A1在步進電機P的最遠端,即光學腔最長的時候,這時候光學增益最大而光程最長,當高重頻時候A1在P的最近端,即光學腔最短的時候,光學增益最小而光程最短,當頻率升高后,相應晶體的增益就減小了,同時脈寬和增益成反比,和腔長成正比,所以兩個反向操作可以保證激光脈寬在低功率高重頻和高功率低重頻時候近似一致。其中B的主要作用就是在 A1移動的過程中能夠使熱焦距處于穩區的中間,這樣能夠使出激光相對于熱和機械的穩定性最優,能夠將雙波長反射鏡A由于機械誤差對激光產生的干擾降至最小。P的長度是有限的,通常在工業品激光器的設計當中,脈沖在50kHz ~100kHz內脈寬不變基本就能滿足相應的應用要求。

P為相應的電動平移臺,而J為相應后臺的驅動電機驅動器,其中P的動作步驟由Q,MCU板的內部程序進行控制。

上述方案基本實現粗調脈寬方案,精細調節脈寬可以通過調節Q的開關時間來實現。從M出射后的激光向R進行傳播,R為分束鏡,其中大部分透射過去,有部分光反射進入光電探頭I,光電探頭I主要用于測試激光器的脈寬,同時將測得數據實時反饋給監控裝置L,監控裝置L和MCU控制板Q相互通信,利用FPGA的高速特性編譯MCU板Q中的軟件程序,這樣便可以控制MCU板的邏輯動作過程。當接受到監控裝置L中信號后,MCU板中的程序對實時測量結果進行判斷,當脈寬超出一定的范圍時候,MCU板向第三聲光Q開關發出儲能寬度調節命令,通過調節激光器的品質因數來實現對激光器的脈寬的控制。

這樣通過閉環反饋控制能夠精準的控制激光器的脈寬,從而達到高的出光精度要求。通過優化設計能夠實現工業級的脈寬固定的端面泵浦紫外激光器。

以上所述僅是本實用新型的優選實施方式,應當指出的是,對于本技術領域的普通技術人員來說,在不脫離本實用新型原理的前提下,還可以做出若干改進和潤飾,這些改進和潤飾也應視為本實用新型的保護范圍。

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