一种高平均功率固体激光系统
专利汇可以提供一种高平均功率固体激光系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种高 平均功率 固体激光系统，其特点是它由N台 激光器 ，光耦合系统和 电子 控制系统组成，所说的N台激光器按某种排列固定安装。所说的电子控制系统控制N台激光器的N组 闪光灯 依次点燃 泵 浦各自对应的激光介质产生激光，同时控制所说的光耦合系统同步运动，将不同时刻不同激光器发出的激光耦合至一小区域输出，从而获得几百瓦或几千瓦的高平均功率激光。，下面是一种高平均功率固体激光系统专利的具体信息内容。
1、一种高平均功率固体激光系统，具有固体激光介质1、垂直于激光束方向的谐振腔片6、8，平行于激光束方向的聚光腔5，平行于激光束方向的闪光灯3处于聚光腔的焦线上，冷却套4及冷却剂2，其特征在于由N(N＞3)组闪光灯3，N只聚光腔5和激光介质1形成按某种排列固定安装的N台激光器，还有同步运动的光耦合系统和电子控制系统，该电子控制系统控制所说的N台激光器的N组闪光灯依次点燃泵浦各自对应的激光介质产生激光，同时控制所说的光耦合系统同步运动，将不同时刻不同激光器发出的激光耦合至恍∏蚴涑觥?
2、按照权利要求1的固体激光系统，其特征在于所说的固体激光介质为一大片钕玻璃板条，所说的N组闪光灯共2N支闪光灯分别在钕玻璃板条的上下两个大面内一一对应地均匀地沿该板条的横向分开且平行于激光束方向固定排列，N只聚光腔在钕玻璃板条上下排列，使所有2N支闪光灯分别处于聚光腔的2N条焦线上，所说的光耦合系统为一沿垂直于激光束方向作往复平动的棱镜7。
3、按照权利要求2的固体激光系统，其特征在于所说的光耦合系统为一沿垂直于激光束方向往复平动的平面反射镜组。
4、按照权利要求1的固体激光系统，其特征在于所说的激光介质为N块钕玻璃或YAG板条，或N根钕玻璃或YAG棒，和N组闪光灯构成的N台分立的激光器按其激光束向心传播的方式均匀排布在圆周上，所说的光耦合系统为处于圆心处的转镜9，其转轴通过该圆心並与N台激光器构成的平面垂直。
5、按照权利要求4的固体激光系统，其特征在于所说的光耦合系统为平面反射镜组。
6、按照权利要求1的固体激光系统，其特征在于所说的N台激光器为分立的激光器，按激光束平行于一圆筒的轴线並朝同一方向传播的方式均匀排布在该圆筒上，所说的光耦合系统为一长条棱镜10，它的一端的中心通过该圆筒的轴线，另一端的中心在长条棱镜绕圆筒的轴线旋转时，正好扫过每台激光器。
7、按照权利要求6的固体激光系统，其特征在于所说的光耦合系统为一平面反射镜组。
8、按照权利要求1的固体激光系统，其特征在于所说的N台激光器为分立的激光器，有一台为振荡器，其余N-1台为激光放大器並按共心排列，所说的光耦合系统由带有若干组扫描镜面A和复原镜面B的飞轮F和一对复原凹面高反射率镜M1、M2组成，飞轮F位于M1和M2的两倍焦距，即球心处，M1M2的距离为四倍焦距。
9、按照权利要求1的固体激光系统，其特征在于所说的N台激光器为共心排列的振荡器，所说的光耦合系统由带若干组复原镜面B的飞轮F和一个镀有高反膜的复原凹面镜M组成。
10、按照权利要求1至9的固体激光器，其特征在于所说的电子控制系统由光电转盘棱镜架14、光源15、光电二极管16、马达17、单稳态整形器18、电平变换器19、计算机20、激光电源21和马达驱动源22组成。
本发明涉及输出平均功率为几百瓦至几千瓦的固体激光器。本发明在激光加工中，特别是在切割、焊接和打孔等金属加工中有广阔的应用前景。
在激光加工中，目前千瓦级平均功率激光器只有CO2激光器。由于它输出波长太长，对绝大部分金属加工对象，表面反射率极高，不易吸收CO2激光。同时CO2激光器还有供电电压高、体积较大等缺点。所以，人们考虑用固体激光器产生高平均功率输出，它具有波长短、体积小，供电电压低、稳定可靠等优点。
但是，固体激光器平均功率的提高受到一些限制。单棒或单片的激光器，其输出平均功率受材料的热应力破坏极限（热炸）的限制。为了获得高平均功率输出，只能增加材料的尺寸。而对YAG激光器，由于晶体生长工艺限制，目前只能获得长约150毫米、宽约几十毫米的晶体片，而且价格昂贵，光学质量也欠佳。对钕玻璃材料，容易获得高光学质量大尺寸的激光材料，目前最大的钕玻璃片面积可达1平方米，面形加工精度可达0.1波长，而且价格较低。但由于玻璃导热性能差，泵浦产生的热不易被冷却剂带走，因而其热负载能力较低。同时由于钕玻璃受激辐射截面小，只有在高泵浦功率下才有较高的激光功率，因此只能在高光泵低重复率下运转。
高峰值功率玻璃激光系统所用的圆盘式片状放大器，其口径可做得很大，原则上可承受较大的热负载，但在重复率运转时，如采用水 冷，其通光面一定要浸没于水中，影响光传播。如用气冷，则需庞大的喷流系统。这种放大器的另一问题是增益长度远小于截面尺寸、存在着难于克服的自发辐射损耗，影响输出功率。
七十年代发展起来的板条激光器，由于采用薄板状的激光介质，采用面泵浦面冷却方式，光束在板条内全反射之字形传播，从而提高了热负载能力和光束质量。但它的输出平均功率仍受灯和材料热负载能力的限制。
1982年美国专利U.S.P4，555，786提出了运动板条玻璃激光器，由双闪光灯、钕玻璃板条、光学谐振腔、聚光腔、冷却套和冷却液等组成，其特点是激光介质运动，使闪光灯在某一瞬间泵浦玻璃板条的局部区域产生激光，另一瞬间则泵浦板条的另一区域。局部泵浦可达到较高的功率密度而保持高的激光效率，而冷却和应力分布在整个大板条上，因而可实现较高平均功率的激光输出。但该激光器仍存在以下缺点：
1、器件输出功率受闪光灯板条负载限制，难于提高，目前只达到百瓦水平;
2、激光介质运动带来了冷却和机械结构的困难。
3、对大尺寸激光板条作快速运动，驱动系统也存在问题。
本发明的目的是为了克服上述困难，提供一种具有几百瓦至几千瓦的固体激光系统。
本发明的激光系统由N（N＞3）台激光器、电子控制系统和光耦合系统组成。N台激光器是由2N支闪光灯，N只聚光腔、连续大尺寸板条或N块分立小尺寸板条或圆棒激光介质、谐振腔片、冷却套等按某种排列固定安装的。2N支闪光灯在电子控制系统控制下按N组 依次放电，泵浦各自对应的激光介质而产生激光，电子控制系统控制光耦合系统运动，将不同时刻不同激光器发出的光耦合至同一小区域输出。
本发明的实施方案，根据光耦合系统的运动状态，可以分为平动、转动和转镜三类。
本发明的优点在于用小巧轻便的光耦合器运动代替了笨重的激光介质运动，避免了机械结构和驱动器的困难;同时由于采用多灯照明，克服了闪光灯负载对激光输出功率的限制。本发明的固体激光系统，其输出平均功率原则上只受光耦合系统的激光损伤极限和高反射介质膜的损伤极限的限制。根据单台激光器的输出水平和实际要求的功率水平，适当选择N值和相应的光耦合器，实现几千瓦甚至万瓦激光输出並没有原则上的困难。
下面结合附图对发明作进一步说明。
图1-本发明的方案之一，大片钕玻璃板条激光系统主体结构示意图。
图2-图1激光系统的光路图。
图3-本发明的方案之二，N台分立激光器按向心均排在圆周上的激光系统示意图。
图4-图3中单台激光器光路图。
图5-本发明的方案之三，N台分立激光器均布于圆筒上，光束沿同方向传播的激光系统示意图。
图6-图5系统中单台激光器光路图。
图7-本发明方案之四，光束扫描激光系统示意图。
图8-图7中飞轮F的正视图。
图9-飞轮F的几何关系。
图10-本发明方案之五，由激光振荡器和扫描飞轮组成的激光系统。
图11-采用方案之二的激光系统实施例示图。
根据光耦合系统的运动状态，本发明实施方案可分为三类。
一、平动结构：
图1、2为大片钕玻璃板条激光器。1为钕玻璃板条，2为冷却剂，3为闪光灯，4为平板玻璃冷却套，5为聚光腔，6为谐振腔全反射镜，8为输出腔片，7为平动的棱镜或平面反射镜组作为光耦合系统。2N支闪光灯分别沿玻璃板条上下两大面一一对应均匀排列，N只聚光腔上下排列，並使2N支闪光灯置于聚光腔焦线上，通过电子控制系统控制闪光灯点燃时间和棱镜的位置，使棱镜通光面法线与产生激光局部区域中心线重合时即产生激光，激光在板条内沿之字形传播，棱镜在垂直于光束方向往复平动，使各泵浦区域产生的激光耦合至同一方向输出。这一结构与板条运动结构（U.S.P4，555，786）相比，闪光灯的负载减小到1/N;棱镜或平面反射镜的平动较玻璃板条平动要容易得多，机械结构要简单得多，驱动马达功率要小得多。因此，本发明方案较运动板条优越。
二、转动结构：
图3和图4是N台分立激光器向心均布于圆周上的激光系统。图中1为各玻璃或YAG板条，3为闪光灯（只画出一组，其它的未画），6为光学谐振腔全反射镜，8为输出腔片，9为绕棱镜中心转动的棱镜或平面反射镜，其转轴通过N台激光器组成的圆的中心並与光束垂直。当棱镜或平面反射镜在电子控制系统控制下转至某一台激光器输 出方向时，该激光器在电子控制系统控制下立即产生激光，所以光耦合系统将不同激光器输出的光束耦合到一垂直于纸面的小区域内输出。
图5和图6是转动结构的另一种安装方式，N台分立的激光器，按激光束平行于一圆筒的轴线並朝同一方向传播的方式均匀排布在该圆筒上，图中10为长条棱镜或平面反射镜组构成的光耦合系统，它的一端的中心通过该圆筒的轴线，另一端的中心在该长条棱镜或平面反射镜组绕圆筒的轴线旋转时，正好扫过每台激光器。
转动结构中N台分立激光器可以是板条激光器，也可以是棒状激光器，可以是钕玻璃激光器，也可以是重复率YAG激光器。这一结构是非常现实的激光系统。
三、光束扫描结构：
图7是多台放大器的光扫描及复原系统。图中F为带扫描镜的飞轮，它由若干组扫镜组成。根据预定的扫描行数确定每组扫镜的镜片数目，若干组镜片组成一盘（如图8所示）。F中A面为扫描镜面，B面为复原镜面，均镀高反射膜，並且A平行于B。M1、M2为复原凹面高反射率镜，其焦距f1＝f2＝f，飞轮F位于M1、M2两倍焦距处，M1、M2间距为4f。由1、6、8组成的激光振荡器输出光束以会聚方式入射于A面，经A反射会聚用于M1的焦点f1处，当F转动时，入射光会聚点在M1焦面上扫动，如图7中f1′、f1、f1″，因而在镜M1和M2之间，每个子午光束为平行光，而且随着F的转动而扫动。若飞轮镜片组设计成三行，并扫成正方形或矩形，则M1和M2间光束扫描范围近似一棱锥。扫描光束经M2反射后到F的镜面B反射输出，这时A面光斑在B面重现，並且在同一方向输出，使光束复原，但输出光束为会聚点在M2焦点上的球面波。若在M1和M2 之间扫描光路上放入放大器11，可使它们得到间隙放大。按上面讲的设计成三行，则放大器可排列三层，每层排三台放大器，则整个系统可用九组十八台放大器。各放大器必须共心C排列。扫描镜与各放大器之间匹配与转动方式相同。
下面简述一些参数的选择原则。
图9是飞轮F的一个镜片13即F′，φ为扫描角，α为反射镜法线和飞轮转轴之间的夹角，θ为反射镜对飞轮中心的张角，γ为飞轮半径，由三角关系可得：
sinα＝sin（φ/2）/sin（θ/2）
扫角φ由所需的扫描范围及反射镜M1、M2的焦距决定。α由多行扫描时所要求的行距决定。当选取三行时，则取α+△α，α，α-△α三个值，扫镜应取此不同α值的三片为一组。
飞轮转速与放大器的工作方式、间隙比，重复频率等相关。
上述结构中的放大器也可用振荡器代替，图10是个例子。当飞轮转动位置与每台振荡器的闪光灯点燃同步时，所有振荡器的输出经M和F耦合到同一方向输出。
应该指出，上面系统中使用了凹面镜，系统存在象散，但並不难校正。
下面以图3和图4所示的激光系统为例说明电子学控制系统和光耦合系统之间的同步问题，而其他系统也基本相同。
图11是采用图3和图4方案实施例的示意图。图中只画出了均分于圆周上的8台分立激光器中的一台。图中1为玻璃或YAG板条，也可以是圆棒。玻璃板条尺寸为0.5×4×25厘米，6和8为光学谐振腔腔片，3为重复率10HZ、功率负载为10千瓦的氙灯，灯管 外径为φ14毫米，灯管放电通道长度与玻璃板条长度之比为1∶1.3为宜。9为作为光耦合的棱镜，通光面上镀增透膜，棱镜中心置于光耦合系统转轴上。14为带光电转盘的棱镜架盘上有等分圆的8个通光孔，15为光源，16为光电二极管，17为马达，18为单稳态整形器，19为电平变换器，20为计算机，21为激光电源，22为马达驱动源。
激光系统运转过程如下：当马达带动转盘旋转时，旋转一周产生8个光电脉冲，调节单稳态延时，使得该脉冲经计算机处理后控制激光电源发射激光的时刻，棱镜通光面法线正好与激光器光轴相重合，从而实现了光耦合器与激光器之间的同步。光电脉冲也可以直接控制激光电源而不通过计算机。
在光电盘上置一磁头和8块磁钢产生8个磁电信号，同样可实现上述控制。采用步进电机控制更为优越。如步进电机步距为4.5°，则电机驱动频率为ω/4.5HZ，其中ω为电机角速度，单位为度/秒，並按360°/（8×4.5）°分频取脉冲，经适当延迟控制激光发射时间，以保证光耦合器与激光发射之间的匹配。采用这一控制方式，最好用计算机作为控制中心，计算机可以根据系统重复频率，自动确定步进电机驱动电源频率及激光电源发射激光的时刻、准确实现同步。
采用单台钕玻璃板条激光器，实现平均功率为150瓦输出（10HZ，每脉冲能重15焦耳）是没有任何技术障碍的。用本实施例，8台分立激光器经光耦合可获得80HZ频率，单脉冲能量15焦耳，平均功率为1200瓦的激光输出。
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