專利名稱：一種高穩(wěn)光束質(zhì)量無(wú)熱聚焦NdYAG激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光切割技術(shù)領(lǐng)域，具體是ー種高穩(wěn)光束質(zhì)量無(wú)熱聚焦Nd: YAG激光器。
背景技術(shù)：
Nd: YAG激光器在現(xiàn)在激光加工行業(yè)有著大量應(yīng)用，其中500W功率級(jí)別的激光器近兩三年也有極大的使用群體。但在使用過(guò)程中，Nd:YAG激光器的熱聚焦現(xiàn)象和光束質(zhì)量不穩(wěn)定的問(wèn)題使Nd:YAG激光器的推廣受到很 大限制。其中，Nd:YAG激光器的熱聚焦現(xiàn)象，主要原因?yàn)榉乔蛎嬖臒嶙冃闻で筃d:YAG柱型晶體端面變形扭曲為ー個(gè)凸形聚焦鏡，由此產(chǎn)生凸透鏡效應(yīng)，將平行的光束變?yōu)榘l(fā)散的光束，焦距隨溫度升高由大逐漸變小，使光路中的反射鏡、聚焦鏡在焦點(diǎn)上時(shí)損壞幾率很大，且激光諧振在非平面端面反射使光束質(zhì)量大為下降；由于熱聚焦效應(yīng)的存在，激光器諧振輸出的光束質(zhì)量很不穩(wěn)定，加工穩(wěn)定性難以保證，例如熱聚焦效應(yīng)造成Nd = YAG激光棒的熱彎曲變形會(huì)造成對(duì)激光器光束的擾動(dòng)，特別是在高功率激光運(yùn)行狀態(tài)時(shí)會(huì)產(chǎn)生光束漂移，嚴(yán)重影響激光切割的光點(diǎn)定位，影響激光聚焦和切割精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供一種高穩(wěn)光束質(zhì)量無(wú)熱聚焦Nd:YAG激光器，無(wú)熱聚焦現(xiàn)象、光束質(zhì)量穩(wěn)定、使用方便穩(wěn)定，可使加工質(zhì)量有很好的保證，而且散熱充分、使用壽命長(zhǎng)?！N高穩(wěn)光束質(zhì)量無(wú)熱聚焦Nd:YAG激光器,包括由全反鏡和半反鏡構(gòu)成的光學(xué)諧振腔，光學(xué)諧振腔內(nèi)設(shè)有至少兩個(gè)串聯(lián)連接的橢圓柱鍍金聚光腔，每ー橢圓柱鍍金聚光腔內(nèi)的兩個(gè)焦點(diǎn)分別設(shè)置氙燈和Nd:YAG晶體組件，所述Nd:YAG晶體組件包括五只同軸、且間隔設(shè)置的Nd: YAG柱型晶體，Nd: YAG柱型晶體之間通過(guò)晶體連接件連接成Nd: YAG晶體棒，Nd: YAG柱型晶體的直徑為6. 3-9毫米，長(zhǎng)16-24毫米。如上所述的高穩(wěn)光束質(zhì)量無(wú)熱聚焦Nd: YAG激光器，所述晶體連接件(采用銀鍍金材料制成。如上所述的高穩(wěn)光束質(zhì)量無(wú)熱聚焦Nd:YAG激光器，所述晶體連接件為中空的圓柱形腔體結(jié)構(gòu)，圓柱形腔體內(nèi)充滿氮?dú)庑纬沙涞獨(dú)馇?，充氮?dú)馇粌?nèi)氮?dú)庠跍囟葹?0_60°C時(shí)壓カ為O. 7-0. 9MPA，充氮?dú)馇坏膬啥朔謩e與Nd = YAG柱型晶體粘接固定。如上所述的高穩(wěn)光束質(zhì)量無(wú)熱聚焦Nd:YAG激光器,充氮?dú)馇坏耐獗趶较蛳蛲庋由煸O(shè)有多個(gè)散熱片。本發(fā)明通過(guò)將現(xiàn)有的Nd:YAG晶體棒改進(jìn)設(shè)計(jì)為五只小段的Nd:YAG柱型晶體通過(guò)晶體連接件串聯(lián)連接，通過(guò)限定Nd: YAG柱型晶體的尺寸，從而使得每只Nd: YAG柱型晶體端面熱畸變量不會(huì)破壞形成理想諧振條件，最終本發(fā)明的激光器具有高光束質(zhì)量(m2< I. I)、無(wú)熱聚焦，功率> 500W，光電轉(zhuǎn)換效率大于4. 8%的特點(diǎn)。由于在從冷態(tài)到達(dá)到高溫平衡的整個(gè)工作過(guò)程中，每只YAG柱型晶體端面熱畸變量很小沒(méi)有破壞理想的諧振條件，光束質(zhì)量穩(wěn)定，可提高加工質(zhì)量；光路中無(wú)聚焦，可延長(zhǎng)反射鏡和聚焦鏡壽命；晶體材料的總體積減少，可節(jié)省晶體材料。


圖I是本發(fā)明高穩(wěn)光束質(zhì)量無(wú)熱聚焦Nd = YAG激光器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明Nd = YAG激光器中Nd = YAG柱形晶體的連接示意圖；圖3是本發(fā)明連接NchYAG柱形晶體的晶體連接件3的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4(a)是Nd = YAG柱形晶體的結(jié)構(gòu)端面 變形圖；圖4(b)是不同Nd = YAG柱形晶體的變形量與溫度的關(guān)系圖。圖中ト全反鏡，2_Nd:YAG柱型晶體，3-晶體連接件，4-充氮?dú)馇唬?-半反鏡，6-橢圓柱鍍金聚光腔，7-氙燈，41-散熱片。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合本發(fā)明中的附圖，對(duì)本發(fā)明中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。圖I所不為本發(fā)明聞穩(wěn)光束質(zhì)量無(wú)熱聚焦Nd:YAG激光器的結(jié)構(gòu)不意圖,所述聞穩(wěn)光束質(zhì)量無(wú)熱聚焦Nd: YAG激光器包括由全反鏡I和半反鏡5構(gòu)成的光學(xué)諧振腔，光學(xué)諧振腔內(nèi)設(shè)有至少兩個(gè)串聯(lián)連接的橢圓柱鍍金聚光腔6，每ー橢圓柱鍍金聚光腔6內(nèi)的兩個(gè)焦點(diǎn)分別設(shè)置氙燈7和Nd:YAG晶體組件。所述Nd:YAG晶體組件包括五只同軸、且間隔設(shè)置的Nd = YAG柱型晶體2，NdiYAG柱型晶體2之間通過(guò)晶體連接件3連接成Nd = YAG晶體棒。所述晶體連接件3采用銀鍍金材料制成，由于銀的熱傳導(dǎo)系數(shù)為429，大于銅、金、鋁，可起到很好的到熱傳導(dǎo)作用。如圖2所示，所述晶體連接件3為中空的圓柱形腔體結(jié)構(gòu)，圓柱形腔體內(nèi)充滿氮?dú)庑纬沙涞獨(dú)馇?，充氮?dú)馇?的兩端分別與Nd = YAG柱型晶體2粘接固定，例如，可使用導(dǎo)熱環(huán)氧膠進(jìn)行粘接固定。其中，充氮?dú)馇?內(nèi)氮?dú)鈮亥珵闇囟?0-60°C時(shí)O. 7-0. 9MPA，本發(fā)明實(shí)施例氮?dú)鈮亥珵闇囟?0°C時(shí)O. 8MPA，具體實(shí)現(xiàn)方法為在溫度50°C時(shí)O. 8MPA的氮?dú)鈮毫}(cāng)內(nèi)進(jìn)行晶體連接體結(jié)構(gòu)的組裝，這種エ藝形成的充氮?dú)馇豢墒筃d = YAG柱型晶體2的使用更穩(wěn)定，Nd = YAG柱型晶體2之間的散熱更充分。較佳的，充氮?dú)馇?的外壁徑向向外延伸設(shè)有多個(gè)散熱片41，這樣就增加了與冷卻介質(zhì)(例如純凈水)的接觸面積，可進(jìn)一步提聞Nd: YAG柱型晶體2的散熱效果。上述NchYAG柱型晶體2的直徑為6. 3_9毫米，長(zhǎng)16_24毫米，采用這種尺寸的YAG柱型晶體端面熱畸變量不會(huì)破壞形成理想諧振條件，使激光光束質(zhì)量達(dá)到m2 < I. I。本發(fā)明其中一個(gè)實(shí)施例的Nd = YAG柱型晶體2直徑為6毫米，長(zhǎng)16. 5毫米。m2因子被稱為激光束質(zhì)量因子或衍射極限因子，其定義為實(shí)際光束束腰寬度和遠(yuǎn)場(chǎng)束散角的乘積比上基模高斯光束的束腰寬度和遠(yuǎn)場(chǎng)束散角的乘積。對(duì)于基模(TEMOO)高斯光束，光束質(zhì)量因子為1，光束質(zhì)量最好，而實(shí)際中均大于1，表征實(shí)際光束相對(duì)于衍射極限的倍數(shù)，m2因子越小代表光束質(zhì)量越好。圖4(a)為Nd:YAG柱形晶體的結(jié)構(gòu)端面變形圖，Nd:YAG柱型晶體端面變形量AL是和溫度相關(guān)聯(lián)的，Nd:YAG柱型晶體的溫度分布是中心溫度高，邊緣溫度低，變形量為溫度正相關(guān)，中心變形量最大，邊緣變形量小。通過(guò)9個(gè)不同長(zhǎng)度的Nd = YAG柱型晶體(L1、L2、L3. . . L9)的不同變形對(duì)比測(cè)量，Nd: YAG柱型晶體長(zhǎng)度在16 24毫米時(shí)，每個(gè)Nd: YAG柱型晶體的端面熱畸變量不會(huì)破壞形成理想諧振的條件.。在上述方案中，Nd:YAG柱型晶體2的化學(xué)式為Nd:Y3AL5012，晶體結(jié)構(gòu)Cubic，莫斯硬度 8. 5，熔點(diǎn) 19700C，密度 4. 55g/cm3，折射系數(shù) I. 8197，熱導(dǎo)性 O. 14Wcm-lK_l，1064nm,原子密度I. 38xl020atoms/cm3,突光壽命230 μ s,泵浦波長(zhǎng)807. 5nm。較佳的，本發(fā)明設(shè)置兩個(gè)橢圓柱鍍金聚光腔，即五只YAG柱型晶體2串聯(lián)后再二次串聯(lián)，單規(guī)格為Φ8Χ16. 5毫米的Nd = YAG柱型晶體只能達(dá)到30W的激光輸出功率，五只串聯(lián)可輸出200W激光功率，10只串聯(lián)可輸出500W激光功率。以上所述，僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何屬于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng) 涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種高穩(wěn)光束質(zhì)量無(wú)熱聚焦Nd:YAG激光器，包括由全反鏡(I)和半反鏡(5)構(gòu)成的光學(xué)諧振腔，其特征在干光學(xué)諧振腔內(nèi)設(shè)有至少兩個(gè)串聯(lián)連接的橢圓柱鍍金聚光腔(6)，每ー橢圓柱鍍金聚光腔(6)內(nèi)的兩個(gè)焦點(diǎn)分別設(shè)置氙燈(7)和Nd:YAG晶體組件，所述Nd = YAG晶體組件包括五只同軸、且間隔設(shè)置的Nd = YAG柱型晶體(2)，Nd = YAG柱型晶體(2)之間通過(guò)晶體連接件(3)連接成Nd = YAG晶體棒，NdiYAG柱型晶體(2)的直徑為6. 3-9毫米，長(zhǎng)16-24暈米。
2.如權(quán)利要求I所述的高穩(wěn)光束質(zhì)量無(wú)熱聚焦Nd:YAG激光器，其特征在于所述晶體連接件(3)采用銀鍍金材料制成。
3.如權(quán)利要求I或2所述的高穩(wěn)光束質(zhì)量無(wú)熱聚焦Nd:YAG激光器，其特征在于所述晶體連接件(3)為中空的圓柱形腔體結(jié)構(gòu)，圓柱形腔體內(nèi)充滿氮?dú)庑纬沙涞獨(dú)馇?4)，充氮?dú)馇?4)內(nèi)氮?dú)庠跍囟葹?0-60°C時(shí)壓カ為0.7-0.9MPA，充氮?dú)馇?4)的兩端分別與Nd = YAG柱型晶體(2)粘接固定。
4.如權(quán)利要求3所述的高穩(wěn)光束質(zhì)量無(wú)熱聚焦Nd:YAG激光器，其特征在于充氮?dú)馇?4)的外壁徑向向外延伸設(shè)有多個(gè)散熱片(41)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種高穩(wěn)光束質(zhì)量無(wú)熱聚焦NdYAG激光器，包括由全反鏡和半反鏡構(gòu)成的光學(xué)諧振腔，光學(xué)諧振腔內(nèi)設(shè)有至少兩個(gè)串聯(lián)連接的橢圓柱鍍金聚光腔，每一橢圓柱鍍金聚光腔內(nèi)的兩個(gè)焦點(diǎn)分別設(shè)置氙燈和NdYAG晶體組件，所述NdYAG晶體組件包括五只同軸、且間隔設(shè)置的NdYAG柱型晶體，NdYAG柱型晶體之間通過(guò)晶體連接件連接成NdYAG晶體棒，NdYAG柱型晶體的直徑為6.3-9毫米，長(zhǎng)16-24毫米。
文檔編號(hào)H01S3/16GK102694339SQ20121018409
公開(kāi)日2012年9月26日 申請(qǐng)日期2012年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月6日
發(fā)明者付俊, 田承新 申請(qǐng)人:武漢華俄激光工程有限公司