專利名稱：綠光焊接激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及光諧波發(fā)生器，尤其涉及用在激光點(diǎn)或焊縫系統(tǒng)中產(chǎn)生輸出激光束的光諧波發(fā)生器。
背景技術(shù)：
近來，激光器已被應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，尤其是用于焊接，切割，以及表面處理方面。在實(shí)踐中，激光焊接技術(shù)正變的越來越重要，這主要是緣于它能獲得的高精度、高加工速率，和對工件較低的熱應(yīng)力以及所能達(dá)到的自動化程度。當(dāng)前的激光焊接系統(tǒng)通常用二氧化碳(CO2)激光器，它能產(chǎn)生一種具有10.6μm(微米)波長的光束，或者用一種象NdYAG激光器(釹釔鋁石榴石)這樣的固態(tài)器件，其產(chǎn)生一種具有大約1.064μm波長的光束。
然而，來自二氧化碳激光器的光可能不會與某些金屬和合金耦合或有效地被吸收。例如，通常的二氧化碳激光器的較高波長的光在室溫下可能會被諸如鈦、鋼等金屬和合金顯著地反射。類似地，YAG激光器常用于低能狀態(tài)下(小于500瓦)，在室溫下，可能不會焊接好銅金鋁等這樣的金屬或被其有效的吸收。
當(dāng)前的激光器焊接系統(tǒng)一般在室溫下通過增加激光脈沖的峰值能量以克服金屬對耦合的初始阻力，來補(bǔ)償其不良的吸收性能。當(dāng)金屬達(dá)到其熔化的溫度時，吸收會顯著地提高。然而，在達(dá)到熔化溫度之前，使用一個高能脈沖就可能導(dǎo)致相當(dāng)?shù)偷男?，從而在脈沖的開始時就不能吸收激光束的有效部分。另外，一旦激光脈沖與材料耦合，該很高的峰值能量可能會施加的過大，從而導(dǎo)致材料濺潑(熔化金屬的輻射滴)或引起金屬和合金成分不必要的蒸發(fā)。這種不期望的低效率和濺潑可能會造成不一致的焊接結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
在依照本發(fā)明的一個實(shí)施例中，一種激光器焊接系統(tǒng)包括諧振腔，具有第一端鏡和諧波分離器反射鏡；激活介質(zhì)，置于所述諧振腔內(nèi)；電光泵浦器件，用于光學(xué)地泵浦所述激活介質(zhì)以產(chǎn)生處于基波波長的第一光束；和非線性光質(zhì)晶體，置于所述振蕩腔內(nèi)，用來產(chǎn)生處于所述第一光束其諧波波長處的第二光束，其特征在于所述諧波分離器反射鏡輸出所述第二光束并反射所述第一光束。
在依照本發(fā)明的另一個實(shí)施例中，提供一種產(chǎn)生具有第一光束波長的諧波波長的第二光束的方法。該方法包括通過光學(xué)地泵浦一種激活介質(zhì)來產(chǎn)生具有基波波長的第一光束；引導(dǎo)第一光束到一個非線性光學(xué)晶體，以產(chǎn)生具有諧波波長的第二光束；和引導(dǎo)第一和第二光束到一個諧波分離器反射鏡，所述反射鏡使第二光束通過并反射第一光束。


參看下面的說明、附加的權(quán)利要求及所附的附圖，本發(fā)明這些和其他的特征，方面和優(yōu)點(diǎn)將變得更加清楚，其中圖1是依照本發(fā)明一個實(shí)施例，用于用在激光焊接系統(tǒng)中折疊發(fā)生器的光諧波發(fā)生器的簡化框圖；圖2是依照本發(fā)明另一個實(shí)施例，用于用在激光焊接系統(tǒng)中折疊發(fā)生器的光諧波發(fā)生器的簡化框圖；圖3是依照本發(fā)明又一個實(shí)施例，用于用在激光焊接系統(tǒng)中折疊發(fā)生器的光諧波發(fā)生器的簡化框圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的一個實(shí)施例提供一種用于產(chǎn)生Nth諧波頻率光束(N≥2)的方法和裝置。依照一個實(shí)施例，諧波光學(xué)諧振腔包含一個電光泵浦器件(例如，激光二極管，閃光燈等)，該器件產(chǎn)生的輸出泵浦輻射光學(xué)耦合進(jìn)置于光學(xué)諧振腔內(nèi)的激活介質(zhì)里，以泵浦這種激活介質(zhì)并在基波波長處激發(fā)該光學(xué)諧振腔。在上述的實(shí)施例中，非線性電光介質(zhì)可以與光學(xué)諧振腔被激發(fā)的基本光學(xué)模相耦合來產(chǎn)生諧波光子。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在下文示出的應(yīng)用中可被最佳地理解，例如，用于一個激光焊接系統(tǒng)中。
圖1是一個簡化的示意圖，示出用于產(chǎn)生光束來焊接工件190的例舉光學(xué)諧振腔。該光束可以是脈沖也可以是連續(xù)波。所描述的例舉光學(xué)諧振腔可包括一種電光泵浦器件20，與激活介質(zhì)像NdYAG棒光學(xué)耦合，該泵浦器件20置于一個折疊腔光諧振器里以泵浦激活介質(zhì)并在基波波長處激發(fā)光學(xué)諧振腔。在一個實(shí)施例中，這種電光泵浦裝置可以是一個閃光燈。在其他的實(shí)施例中，這種激活介質(zhì)30可以通過激光二極管或者其它本領(lǐng)域技術(shù)人員所知的合適泵浦器件來激發(fā)。
根據(jù)本發(fā)明的該實(shí)施例，激活介質(zhì)的選擇主要依據(jù)所期望的激光特性，諸如激光熒光壽命以及光學(xué)和機(jī)械性質(zhì)。例如，激活介質(zhì)可能包括激光晶體，氣體介質(zhì)，或者其他為本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員所知的合適激光介質(zhì)。
在本發(fā)明的一個示例性實(shí)施例中，非線性電光介質(zhì)40象KTP(鉀鈦氧磷酸)或者LBO(三代硼酸鋰(Lithium Triborate))晶體可以與光學(xué)諧振腔的被激發(fā)的基模耦合，以產(chǎn)生與基波波長的非線性相互作用，從而產(chǎn)生諧波。這種激光諧波可被定義為具有多種基頻(即初始激光的頻率)的另一種激光。換句話說，所有諧波波長的整體和等于基波(即λf＝Nλh)。
在操作中，傳播穿過非線性晶體40的電磁輻射與晶體中的偶極子相互作用，從而使他們發(fā)生振蕩。在實(shí)踐中，振幅和最終產(chǎn)生的諧波隨著輻射能量密度的增大而增大。因此，例如用在Q開關(guān)應(yīng)用中的傳統(tǒng)諧波系統(tǒng)一般采用高峰值(如，20-100千瓦)能，低發(fā)散，和短脈沖寬度(如＜1μsec，通常在納秒范圍內(nèi))的光束，這些光束可以被有效地從基波波長變換到諧波。由于該較短的脈沖寬度，因此并不能產(chǎn)生對于絕大多數(shù)焊接情形所必要的熱輸入。
然而，本申請所采用的諧波發(fā)生器，例如用在采用長脈沖寬度(如，大于200μsec)或連續(xù)波、相對低峰值(1-10千瓦)能、相對高發(fā)散的輸出光束的激光焊接系統(tǒng)，其可提供相對低的轉(zhuǎn)換效率。因此，本發(fā)明的一個實(shí)施例還進(jìn)一步包含一個位于諧振腔內(nèi)的聚焦透鏡50，它能在基波波長處增加入射在非線性晶體40上的光束的能量密度，從而提高從基波波長到諧波波長的轉(zhuǎn)換效率。該聚焦透鏡50補(bǔ)償了高發(fā)散并且提高了轉(zhuǎn)換效率。例如，在沒有聚焦透鏡50的情況下，轉(zhuǎn)換效率低于0.01％，而在有聚焦透鏡50的情況下轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到40％。這樣，不用對脈沖寬度施加任何限制就可以實(shí)現(xiàn)具有提高的能量密度的諧波，從而不必使用激光腔內(nèi)處于激光光路上的Q開關(guān)。換句話說，盡管可以使用Q-開關(guān)來產(chǎn)生具有諧波波長的光信號，但是其一般僅產(chǎn)生具有不到1μm寬度的脈沖，而這一寬度并不適合進(jìn)行精確地鉆孔或做標(biāo)記，從而通常不始于激光焊接。在本發(fā)明的實(shí)施例中，用一個或多個非線性晶體而不用Q開關(guān)來產(chǎn)生諧波，從而具有能產(chǎn)生長脈沖寬度(例如大于200μsec和一般為大約3msec)諧波或者產(chǎn)生連續(xù)波輸出的能力。這種增加了的脈沖寬度允許與工件長期相互作用，同時能且維持足夠的激光能量來熔融材料，從而更有助于激光焊接。
在所描述的實(shí)施例中，激活介質(zhì)30和非線性晶體40被放置在由三個反射器(或反射鏡)60，70和80確定的三角形振蕩腔的光束光路上。在所述的實(shí)施例中，端鏡60可具有一個凹反射面90，耦合在棒狀激活介質(zhì)30(例如激光晶體)的第一輸出面100上。在一個實(shí)施例中，端鏡60的凹反射面90可涂上一層在基波波長(例如1.064微米)處具有高反射率的涂層。
例如，在所描述的實(shí)施例中，凹反射面90可涂上多層在基波波長處具有高于約99％反射率的介質(zhì)涂層。另外，端鏡60的凹反射面90還可以在電光泵浦器件20的波長處是自反射的。此外，激活介質(zhì)30的輸出面100和110可以大體是平面，并涂上一層在基波波長(例如1.064微米)處具有自反射的涂層。
在所描述的實(shí)施例中，激活介質(zhì)30的輸出面110可光學(xué)地耦合在諧波分離器輸出鏡70上。在所描述的實(shí)施例中，該諧波分離器反射鏡70可以以與激活介質(zhì)30的光軸層120的角度被定向，該角度可以處在約20-160的角度內(nèi)。此外，該諧波分離器輸出反射鏡70可包含光質(zhì)玻璃，象拋光的高純度熔化硅(二氧化硅)或其它本領(lǐng)域所知的材料，例如象成模的光學(xué)類塑制品，CaAs(砷化鎵)，CaF2(氟化鈣)或其他類似物。在一個實(shí)施例中，該諧波分離器輸出反射面130的表面在基波波長(如1.064微米)處是高度反射性的，并在諧波波長(如532納米)處是高透射性的。
由于例舉的該光諧振腔10在532納米處產(chǎn)生輸出，又因?yàn)?32納米波長對應(yīng)于綠光，因此它被稱作綠光激光器。因?yàn)樵搶?shí)施例中的非線性晶體40是雙重晶體(N＝2)，它使得激光頻率加倍，所以就產(chǎn)生532納米(基波波長的一半)的諧波波長。在其它的實(shí)例中，三晶體(N＝3)，四晶體(N＝4)或者其他類似的也可被用作非線性晶體，以分別使激光頻率變成原來的三倍或四倍，從而分別產(chǎn)生355納米和266納米的波長。另外，在其他的實(shí)例中，為了達(dá)到四倍頻的目的，可以連續(xù)使用兩個雙重晶體(N＝2)。
例如，在本實(shí)例中，表面130可涂上一層在基波波長處具有高反射性和在諧波波長處具有自反射性的涂層。另外，諧波分離器輸出反射鏡70的表面140也可涂上一層在諧波波長處具有自反射性的涂層，以進(jìn)一步提高在諧波波長處穿過諧波分離器反射鏡70的透射性能。
在上面所描述的實(shí)例中，聚焦透鏡50可光學(xué)地耦合在諧波分離器輸出反射鏡70的表面130上，以將基波波長處的光束聚焦進(jìn)非線性電光晶體40中。聚焦透鏡50可以包含例如由光質(zhì)玻璃形成的平凸透鏡，例如拋光的高純度熔化硅(二氧化硅)或者本領(lǐng)域內(nèi)所知的其他材料，如成膜的塑料制品，CaAs，CaF2，或者其他類似物。在一個實(shí)例中，該聚焦透鏡50的表面145和150可以在基波波長和諧波波長處都是高透射性的。例如，在所述的實(shí)例中，表面145和150可涂上在基波波長和諧波波長處都具有自反射性的介質(zhì)涂層。
在所述的實(shí)例中，聚焦透鏡50的焦距大約在50-500毫米的范圍內(nèi)，尤其在約100毫米到150毫米的范圍內(nèi)。另外，在所述實(shí)例中，聚焦透鏡50和非線性晶體40可以分開約等于聚焦透鏡50焦距的距離，以增大入射到非線性光電晶體40其大體平面的光束的能量密度。
在一個示例性的實(shí)施例中，非線性電光晶體40與基波波長相互作用，通常產(chǎn)生由激活介質(zhì)30發(fā)射的電磁輻射頻率的Nth諧波。在一個實(shí)例中，KTP或者LBO晶體可與基模耦合來產(chǎn)生第二諧波。例如，在所述實(shí)例中，激活介質(zhì)30可包含一個NdYAG激光器(其具有大約1064納米的基波波長)和非線性晶體，其產(chǎn)生約為532納米的輸出諧波。
在所述的實(shí)例中，第二端鏡80可具有一個凹反射面170，耦合在非線性光電晶體40的第二大體平面180上。在一個實(shí)例中，該第二端鏡80的反射面170可涂上一層在1064納米的基波波長處具有高反射性和在諧波波長(例如在本例中，532納米)處具有高反射性的涂層。因此，在基波波長和諧波波長處從非線性晶體40出射的光束被第二端鏡80反射回非線性晶體40，在那里，它們穿過聚焦透鏡50到達(dá)諧波分離器反射鏡70。
在上面的實(shí)例中，在諧波分離器反射鏡70表面130上、在1064納米處具有高反射率的涂層將處于基波波長的光束反射穿過激活介質(zhì)30回至端鏡60，在光學(xué)諧振腔內(nèi)獲得處于基波波長的光束。然而，由于諧波分離器反射鏡70對于處于基波波長的光束是透射性的，因此，該光束穿出光學(xué)諧振腔。然后輸出光束入射到工件190上進(jìn)行所需的焊接操作。
本發(fā)明并不限于所披露的三角形諧振腔構(gòu)型，相反，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會理解，可以使用各種諧振腔構(gòu)型來在激活介質(zhì)和非線性電光晶體之間提供合適的光路。
例如，在如圖2所示的實(shí)例中，光諧波發(fā)生器11的諧波分離器輸出反射鏡71可包括一個凹反射面131，以將處于基波波長的光束聚焦進(jìn)非線性光電晶體40而不用聚焦透鏡。在本例中，諧波分離器反射鏡71具有的彎曲半徑能產(chǎn)生約50-500納米焦距而不需要聚焦透鏡。此外，在所述的實(shí)施例中，凹諧波分離器反射鏡71和非線性晶體40可以分開大約等于凹分離器反射鏡71焦距的距離。
表面131可以涂上一層在基波波長處具有高反射性和在諧波波長處具有自反射性的涂層。諧波分離器輸出反射鏡71的表面141也可涂上一層在諧波波長處具有自反射性的涂層，以進(jìn)一步提高在諧波波長處對諧波分離器反射鏡71的穿透性。
對于另一個實(shí)例，參考圖3，激活介質(zhì)30和非線性電光晶體40可以設(shè)置在共線的光學(xué)諧振腔200內(nèi)，其中諧波分離器反射鏡70可再次用作將光束分成基本分量和諧波分量。正如從圖3中可以看到的，基頻波長和諧波波長處的光束成直角地(即以90度角或垂直地)入射到諧波分離器反射鏡70上。
盡管已經(jīng)描述了本發(fā)明例舉的實(shí)施例，但這并不限制所附權(quán)利要求的范圍。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會理解，可以對上述實(shí)施例作出各種修改，而且很多其它的構(gòu)造也能獲得上述相同的結(jié)果。同時，對于各個領(lǐng)域的技術(shù)人員，本發(fā)明在此提出了解決其它任務(wù)的解決方案和對于其它應(yīng)用的適應(yīng)性。本申請意在由權(quán)利要求來涵蓋本發(fā)明所有的這些使用和對本發(fā)明實(shí)施例做出的、實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的而又不脫離本發(fā)明精神和范圍的那些改變和修改。
例如，雖然在此主要參考激光焊接描述了本發(fā)明的例舉性實(shí)施例，但是本發(fā)明也可用在其它的應(yīng)用中，像激光彎曲、激光熱處理等類似地，以及其它物理過程。由激光產(chǎn)生熱，而且由于激光的較長脈沖或連續(xù)波從而其相互作用時間比用Q-開關(guān)的系統(tǒng)要長，因此本發(fā)明尤其適合各種需要應(yīng)用熱的不同激光應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.一種諧波激光器系統(tǒng)，包括具有第一端鏡和諧波分離器反射鏡的諧振腔；置于所述諧振腔內(nèi)的激活介質(zhì)；電光泵浦器件，用于光學(xué)地泵浦所述激活介質(zhì)以產(chǎn)生處于基波波長的第一光束；置于所述振蕩腔內(nèi)的非線性光質(zhì)晶體，用于產(chǎn)生處于所述第一光束的一個諧波波長處的第二光束，其中所述諧波分離器反射鏡輸出所述第二光束并反射所述第一光束。
2.權(quán)利要求1中的諧波激光系統(tǒng)，其中所述的第二光束將一個第一工件焊接到一個第二工件上。
3.權(quán)利要求1中的諧波激光器系統(tǒng)，其中所述的第二光束在一個工件中產(chǎn)生熱，以改變工件的材料性質(zhì)，再成形所述工件，或者從所述工件去除材料。
4.權(quán)利要求1中的諧波激光器系統(tǒng)，還包含聚焦透鏡，用于將所述第一光束聚焦進(jìn)所述非線性光學(xué)晶體上，由此將所述第一光束會聚到所述非線性光質(zhì)晶體的一個表面上。
5.權(quán)利要求4中的諧波激光器系統(tǒng)，其中所述聚焦透鏡的焦距界于約100毫米和150毫米之間。
6.權(quán)利要求1中的諧波激光器系統(tǒng)，其中所述諧波分離器鏡具有一個凹反射面，用來將所述第一光束聚焦到非線性晶體上，由此將第一光束會聚到非線性晶體的一個表面上。
7.權(quán)利要求1中的諧波激光器系統(tǒng)，其中所述第一和第二光束包含脈沖激光。
8.權(quán)利要求7中的諧波激光器系統(tǒng)，其中不用Q-開關(guān)器件來產(chǎn)生所述脈沖激光的脈沖能量。
9.權(quán)利要求7中的諧波激光器系統(tǒng)，其中所述脈沖激光的脈沖長度比100微秒大。
10.權(quán)利要求1中的諧波激光器系統(tǒng)，其中所述第一和第二光束包含連續(xù)波激光。
11.權(quán)利要求1中的諧波激光器系統(tǒng)，其中所述非線性光學(xué)晶體選自包括雙倍，三倍和四倍非線性晶體組成的組。
12.權(quán)利要求1中的諧波激光器系統(tǒng)，其中所述非線性晶體包含若干連續(xù)排列的非線性晶體，以通過產(chǎn)生高階(N大于3)諧波來提高第二光束的轉(zhuǎn)換效率。
13.權(quán)利要求1中的諧波激光器系統(tǒng)，其中所述激活介質(zhì)選自由氣體介質(zhì)和激光晶體組成的組。
14.權(quán)利要求1中的諧波激光器系統(tǒng)，其中所述電光泵浦器件選自由激光二極管和閃光燈組成的組。
15.權(quán)利要求1中的諧波激光器系統(tǒng)，其中所述激活介質(zhì)和非線性光學(xué)晶體是彼此共線的。
16.權(quán)利要求1中的諧波激光器系統(tǒng)，其中所述振蕩腔包含一個折疊振蕩腔，其中所述第一光束和第二光束相互保持一個角度，所述振蕩腔還包含與非線性晶體共線的第二端鏡，以將第一和第二光束都朝非線性光學(xué)晶體反射。
17.權(quán)利要求1中的諧波激光器系統(tǒng)，其中所述基波波長是1064納米而所述諧波波長是532納米。
18.一種產(chǎn)生具有第一光束波長的諧波波長的第二光束的方法，包括通過光學(xué)地泵浦一種激活介質(zhì)來產(chǎn)生具有基波波長的第一光束；引導(dǎo)第一光束到一個非線性光學(xué)晶體，以產(chǎn)生具有諧波波長的第二光束；和引導(dǎo)第一和第二光束到一個諧波分離器反射鏡，所述反射鏡使第二光束通過并反射第一光束。
19.權(quán)利要求18中的方法，還包括使用一個聚焦透鏡把第一光束聚焦到非線性光學(xué)晶體上。
20.權(quán)利要求18中的方法，其中諧波分離器反射鏡具有一個凹反射面，所述方法還包括使用所述諧波分離器反射鏡的凹反射面將第一光束聚焦到非線性光學(xué)晶體上。
21.權(quán)利要求18中的方法，其中所述第一和第二光束垂直地入射到諧波分離器反射鏡上。
22.權(quán)利要求18中的方法，其中所述第一和第二光束以一個非直角的角度和一個互成的角度入射到諧波分離器上。
23.權(quán)利要求18中的方法，還包括使用第二光束將第一工件焊接到第二工件上。
24.權(quán)利要求18中的方法，還包括在一個工件內(nèi)使用第二光束產(chǎn)生熱來改變工件的材料性能，再成形工件，或者從工件去除材料。
全文摘要
本發(fā)明披露一種供金屬和合金像鈦，鋼，銅，金，鋁等使用的諧波系統(tǒng)。該諧波激光系統(tǒng)包含諧振腔，具有第一端鏡和諧波分離器反射鏡；激活介質(zhì)，置于所述諧振腔內(nèi)；電光泵浦器件，用于光學(xué)地泵浦所述激活介質(zhì)以產(chǎn)生處于基波波長的第一光束；和非線性光質(zhì)晶體，置于所述振蕩腔內(nèi)，用來產(chǎn)生處于所述第一光束其諧波波長處的第二光束，其特征在于所述諧波分離器反射鏡輸出所述第二光束并反射所述第一光束。
文檔編號B23K26/00GK1518178SQ200410001329
公開日2004年8月4日 申請日期2004年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月6日
發(fā)明者中山伸一, 格瑞士·凱爾卡, 格萊格瑞·貝茨, 凱爾卡, 瑞 貝茨 申請人:尤尼泰克 米亞奇公司, 米亞奇科技株式會社