專利名稱：大功率連續(xù)固體激光器聚光腔的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種大功率連續(xù)固體激光器聚光腔屬于大功率固體激光器技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
激光加工應(yīng)用范圍十分廣泛，目前已在機械、電子、汽車、航空航天、鋼鐵、造船、軍工等行業(yè)獲得較為廣泛的應(yīng)用，并且在國民生產(chǎn)總值中占有越來越大的比重。大功率固體激光器有高能量儲存、波長短、金屬吸收率高的優(yōu)點；且易于光纖傳輸，不但提高了系統(tǒng)的靈活性，同時與工業(yè)機器人匹配可組裝成在線柔性制造系統(tǒng)實現(xiàn)柔性加工。
大功率連續(xù)固體激光器中存在兩個主要問題光束質(zhì)量問題，另一個問題是功率問題。固體激光器中，聚光腔又稱泵浦腔，作用是將泵浦光源輻射的光能有效的傳輸?shù)焦ぷ魑镔|(zhì)即Nd:YAG棒上去，以激勵激光工作物質(zhì)產(chǎn)生激光。聚光腔的傳輸性能在很大程度上決定了激光系統(tǒng)的總效率，聚光腔除了給光源和吸收激活材料之間提供良好耦合之外，還決定激光工作物質(zhì)即Nd:YAG棒上泵浦密度的分布，從而影響激光器輸出光束的均勻性，發(fā)散度和光學(xué)熱畸變。所以，聚光腔的設(shè)計的好壞直接影響激光器的轉(zhuǎn)換效率、輸出功率和激光光束質(zhì)量。
聚光腔結(jié)構(gòu)種類繁多，常用的有橢圓柱聚光腔如圖1、圓柱聚光腔如圖2、緊包聚光腔等如圖3。橢圓柱聚光腔中，由橢圓一個焦點發(fā)出的光線經(jīng)橢圓反射后，將會聚到另一個焦點上。橢圓柱聚光腔用這個幾何成像原理利用光能。單橢圓柱腔中一般光照不均勻，嚴(yán)重時產(chǎn)生光學(xué)畸變且泵浦能量不能很高，影響激光器的輸出功率。而多橢圓柱聚光腔功率大，但效率降低，加工較困難。圓柱聚光腔是橢圓聚光腔的特例，為了得到較高的幾何成像聚光效率，要求聚光腔尺寸顯著大于工作物質(zhì)即Nd:YAG棒和泵浦燈的尺寸。但實際上聚光腔尺寸不能做的太大，又由于冷卻和濾光的要求，泵浦燈和工作物質(zhì)即Nd:YAG棒均應(yīng)適當(dāng)離開圓心放置，這樣就造成了光束照明不均勻的問題。緊包聚光腔主要靠泵浦燈光直接照射和聚光腔內(nèi)的空間的高光能密度來實現(xiàn)其聚光作用。緊包聚光腔有腔內(nèi)空間過于狹小、聚光腔本身熱容量過小，器件升溫顯著的缺點。
聚光腔又分單燈泵浦腔和多燈泵浦腔。單燈泵浦腔結(jié)構(gòu)效率高、易加工，但泵浦均勻性差且功率低；多燈泵浦腔結(jié)構(gòu)隨著燈數(shù)增加其均勻性增加且泵浦功率可以很高，可以實現(xiàn)大功率激光輸出，但其效率降低、難加工。
聚光腔從反射形式上有鏡面反射和漫反射腔。聚光腔為漫反射時，在聚光腔內(nèi)可形成均勻光場，投射到Nd:YAG棒上的光能也是均勻的。一般溫反射面可用氧化鎂(MgO)、硫酸鋇(BaSO4)等粉末材料制成。鏡面反射腔是用的較多的一種聚光腔，它利用光學(xué)成像原理將泵浦光會聚到棒上，聚光腔直接用拋光的銀皮或鋁皮制成，或者利用金屬聚光腔內(nèi)表面拋光或鍍高反射金屬層。鏡面反射腔要獲得良好的光學(xué)均勻性，則要求有嚴(yán)格的腔體反射面的幾何形狀，實際上加工時很難做到，這使其泵浦的均勻性較差。

發(fā)明內(nèi)容
為獲得高功率高光束質(zhì)量激光輸出，設(shè)計了一種實用新型聚光腔。本實用新型聚光腔結(jié)構(gòu)簡單、泵浦效率高、較好的泵浦均勻性；另外，由于聚光腔由上下兩部分組成，所以加工簡單并且調(diào)整方便。
本實用新型聚光腔為雙燈泵浦陶瓷漫反射腔。
聚光腔由兩塊相同的聚光腔體組成，是實驗優(yōu)化設(shè)計得出的一個空心封閉的不規(guī)則柱狀體。
本實用新型提供的大功率連續(xù)固體激光器聚光腔，其特征在于，該聚光腔是由一長方體于y方向上貫通地挖出一個空腔而成，如圖4；按常規(guī)設(shè)定x、y、z方向，該長方體相應(yīng)對稱設(shè)定x方向中軸線，z方向中軸線；聚光腔分為上下兩部分，下半部分截面形狀與上述上半部分截面形狀關(guān)于x方向中軸線對稱；聚光腔z方向上的截面形狀如圖5；
上半部分截面形狀如下從一個四分之一圓弧開始，該四分之一圓弧一邊在x方向中軸線上，該四分之一圓弧連接一條平行于x方向中軸線的直線段，該線段再連接一關(guān)于z方向中軸線對稱的圓弧，該圓弧的弦在上述直線段的延長線上，圓心在聚光腔內(nèi)；上半部分截面關(guān)于z方向中軸線對稱，由此確定上半部分截面其余部分形狀。
相對于單燈和多燈泵浦結(jié)構(gòu)，雙燈泵浦結(jié)構(gòu)具有泵浦效率高、泵浦均勻性好、可實現(xiàn)大功率泵浦、易加工等優(yōu)點。
本實用新型的工作原理參見圖5。本聚光腔由兩塊相同的氧化鋁陶瓷體4構(gòu)成。腔體表面鍍摻氧化釤的釉層，來提高反射率。腔體中心放置工作物質(zhì)即Nd:YAG棒2，其外套有濾光玻璃管5，兩側(cè)對稱放置兩根泵浦燈1。工作時，泵浦燈1發(fā)出的泵浦光經(jīng)聚光腔4構(gòu)成的特殊幾何形體反射面3的高效漫反射，再透過濾光管5均勻地照射在工作物質(zhì)即Nd:YAG棒2上，使工作物質(zhì)2能產(chǎn)生大功率高光束質(zhì)量的激光輸出。泵浦光經(jīng)聚光腔反射面3漫反射時，其中部分波長小于400nm的紫外光被吸收，再經(jīng)濾光管5時，波長1060nm的紅外光和小于300nm的紫外光被吸收，同時發(fā)出可見熒光，對于工作物質(zhì)即Nd:YAG棒2既可濾掉有害光又可消“退泵”現(xiàn)象提高泵浦效率。冷卻水經(jīng)區(qū)域6沿泵浦燈1、濾光管5流過，流速大而均勻地進(jìn)行冷卻。


圖1是橢圓柱聚光腔結(jié)構(gòu)示意圖，圖1(a)是單燈泵浦單橢圓柱聚光腔結(jié)構(gòu)示意圖，圖1(b)是雙燈泵浦雙橢圓柱聚光腔結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圓柱聚光腔結(jié)構(gòu)示意圖，圖2(a)是單燈泵浦單圓柱聚光腔結(jié)構(gòu)示意圖，圖2(b)是單燈泵浦雙圓柱聚光腔結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是緊包聚光腔結(jié)構(gòu)示意圖，圖3(a)是單燈泵浦緊包聚光腔結(jié)構(gòu)示意圖，圖3(b)是雙燈泵浦緊包聚光腔結(jié)構(gòu)示意圖；以上各圖中1、泵浦燈，2、工作物質(zhì)即Nd:YAG棒，3、聚光腔反射面。
圖4是本實用新型的立體結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是聚光腔z方向截面形狀示意圖；
圖6是本實用新型的工作原理示意圖圖中1、泵浦燈，2、工作物質(zhì)即Nd:YAG棒，3、聚光腔反射面，4、聚光腔體，5、濾光玻璃管，6、冷卻水通過區(qū)域；具體實施方式
本實用新型參見圖6安裝。聚光腔體尺寸160mm×50mm×16mm，外表平整，表面鍍摻氧化釤的釉。本實用新型由兩塊相同聚光腔體4構(gòu)成，安裝簡單，揭開上端聚光腔體可方便地更換泵浦燈。本實用新型結(jié)構(gòu)簡單，有高的泵浦效率，使用該聚光腔制成的燈泵浦Nd:YAG激光器總電光效率可達(dá)4％。而現(xiàn)有的燈泵浦Nd:YAG激光器總電光效率只能達(dá)3％。
另外，由于聚光腔由上下兩部分組成，所以加工簡單并且調(diào)整方便。
權(quán)利要求1.大功率連續(xù)固體激光器聚光腔，其特征在于，該聚光腔是由一長方體于y方向上貫通地挖出一個空腔而成；按常規(guī)設(shè)定x、y、z方向，該長方體相應(yīng)對稱設(shè)定x方向中軸線，z方向中軸線；聚光腔分為上下兩部分，下半部分截面形狀與上述上半部分截面形狀關(guān)于x方向中軸線對稱；上半部分截面形狀如下從一個四分之一圓弧開始，該四分之一圓弧一邊在x方向中軸線上，該四分之一圓弧連接一條平行于x方向中軸線的直線段，該線段再連接一關(guān)于z方向中軸線對稱的圓弧，該圓弧的弦在上述直線段的延長線上，圓心在聚光腔內(nèi)；上半部分截面關(guān)于z方向中軸線對稱，由此確定上半部分截面其余部分形狀。
專利摘要大功率連續(xù)固體激光器聚光腔屬大功率固體激光器領(lǐng)域?，F(xiàn)有固體激光器存在光束質(zhì)量和功率問題。該聚光腔是由一長方體于y方向上貫通地挖一空腔；設(shè)定x、y、z方向，該長方體相應(yīng)對稱設(shè)定x方向中軸線，z方向中軸線；聚光腔分上下兩部分，下半部分截面形狀與上半部分截面形狀關(guān)于x方向中軸線對稱；上半部分截面形狀如下從一個四分之一圓弧開始，該圓弧一邊在x方向中軸線上，該圓弧連接一條平行于x方向中軸線的直線段，再連接一關(guān)于z方向中軸線對稱的圓弧，該圓弧的弦在直線段的延長線上，圓心在聚光腔內(nèi)；上半部分截面關(guān)于z方向中軸線對稱，由此確定上半部分截面其余部分。本實用新型泵浦效率高、較好的泵浦均勻性；加工簡單，調(diào)整方便。
文檔編號G02F1/35GK2814458SQ20052011021
公開日2006年9月6日 申請日期2005年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月20日
發(fā)明者李強, 房明星, 姜夢華 申請人:北京工業(yè)大學(xué)