一种复合脉冲激光器及其工作方法与流程

1.本发明属于激光器技术领域，特别涉及一种复合脉冲激光器及其工作方法。


背景技术：

2.传统的激光打孔多采用大能量长脉冲(微秒或毫秒)激光和高重复频率、高峰值功率的短脉冲(纳秒或皮秒)激光器，二者的打孔效果各具特点。其中长脉冲激光器脉冲能量大、作用时间长，通过对材料加热使之能有效地发生熔融和气化，从而实现材料去除并达到较高的打孔速率，但是打孔过程中会产生再铸层及微裂纹，导致打孔质量下降。当采用高峰值功率短脉冲激光器打孔时，材料的热影响区小，能获得较高的打孔质量，但由于平均功率较低，难以实现高打孔速率。因此为了实现高速度、高质量的打孔效果，采用单一的长脉冲或者短脉冲激光器会增加激光器的制造难度和成本，长短脉冲复合激光打孔方法应运而生，并且理论和实验研究都已经证明，复合脉冲激光能有效结合长脉冲和短脉冲打孔的优势，在提高打孔效率的同时保证较好的打孔质量，或增强激光毁伤效能。
3.目前的复合激光脉冲打孔装置大多是将一台以上的长、短脉冲激光器进行光束合成，使双光束在空间指向上完全重合，从而实现对材料的复合脉冲打孔。但这种装置不仅需要采用多台激光器，还须配备高精度时序控制模块和光束合成装置，不可避免造成系统体积庞大，结构复杂，而且研制成本高，可靠性差，因此亟需开发出一种具备多种脉冲输出功能的激光源。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种复合脉冲激光器及其工作方法，解决了现有复合激光脉冲系统体积庞大，结构复杂的技术问题，本发明降低了复合脉冲激光系统的研制成本和结构复杂度，有利于提高激光打孔效果以及激光毁伤效能。
5.为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种复合脉冲激光器，包括耦合输出镜、激光增益模块、偏振分光片、第一脉冲调制模块、第一反射镜、第二脉冲调制模块和第二反射镜；
7.耦合输出镜和第一反射镜组成第一脉冲激光谐振腔；耦合输出镜和第二反射镜组成第二脉冲激光谐振腔；
8.激光增益模块包括激光增益介质和泵浦源；泵浦源发出的泵浦光射入激光增益介质，在激光增益介质中产生两路偏振态正交的光束，记为第一路光束和第二路光束；
9.第一路光束到达偏振分光片后被反射，经过第一脉冲调制模块实现脉冲产生，后经过第一反射镜反射进入第一脉冲激光谐振腔；
10.第二路光束到达偏振分光片后被透射，经过第二脉冲调制模块实现脉冲产生，后经过第二反射镜反射进入第二脉冲激光谐振腔；
11.第一路光束和第二路光束在第一脉冲激光谐振腔和第二脉冲激光谐振腔内振荡并通过耦合输出镜输出，形成复合脉冲激光。
12.进一步的，耦合输出镜为部分反射镜，耦合输出镜的反射率为10％～95％；
13.第一反射镜和第二反射镜的反射率大于99％。
14.进一步的，经第一反射镜反射的第一路光束依次经过第一脉冲调制模块、偏振分光片、激光增益介质后到达耦合输出镜，一部分经耦合输出镜射出，另一部分依次经过激光增益介质、偏振分光片第一脉冲调制模块后返回第一反射镜，形成第一路光束的振荡；
15.经第二反射镜反射的第二路光束依次经过第二脉冲调制模块、偏振分光片、激光增益介质后到达耦合输出镜，一部分经耦合输出镜射出，另一部分依次经过激光增益介质、偏振分光片、第二脉冲调制模块后返回第一反射镜，形成第二路光束的振荡。
16.进一步的，激光增益介质为各向异性晶体材料；
17.各向异性晶体材料包括nd:yvo4、nd:ylf或nd:gdvo4。
18.进一步的，激光增益介质为圆柱体或立方体；
19.当激光增益介质为圆柱体时，圆柱体的两个圆形端面分别作为第一路光束或第二路光束的入射面和出射面；泵浦光的入射面为圆柱体的圆形端面或圆柱形侧面；
20.激光增益介质中，泵浦光的入射面、第一路光束的入射面和出射面以及第二路光束的入射面和出射面均为透过率99％以上的通光面。
21.进一步的，激光增益介质为圆柱体；
22.泵浦光的入射面为圆柱体的圆形端面时，泵浦光与圆柱体的轴线平行，泵浦光的入射面为圆柱形侧面时，泵浦光与圆柱体的轴线垂直；
23.圆柱体激光增益介质的圆形端面与圆柱体的轴线呈3
°
～15
°
楔角。
24.进一步的，偏振分光片的工作角度为45
°
～56
°
。
25.进一步的，第一脉冲调制模块和第二脉冲调制模块为声光调q、电光调q、转镜调q、被动调q或锁模装置中的一种。
26.进一步的，第一路光束经第一脉冲调制模块形成的脉冲激光与第二路光束经第二脉冲调制模块形成的脉冲激光频率或脉宽不同。第一脉冲调制模块和第二脉冲调制模块可以相同也可以不同。同样的脉冲调制模块可以采用不同的调制参数来实现不同重复频率的脉冲输出；不同的调制模块除了可以获得不同频率的脉冲外，也可获得不同脉宽。
27.上述一种复合脉冲激光器的工作方法，包括：
28.泵浦源发出的泵浦光射入激光增益介质，在激光增益介质中产生两路振动方向垂直的光束，记为第一路光束和第二路光束；
29.第一路光束到达偏振分光片后被反射，经过第一脉冲调制模块实现脉冲产生，后经过第一反射镜反射进入第一脉冲激光谐振腔；
30.第二路光束到达偏振分光片后被透射，经过第二脉冲调制模块实现脉冲产生，后经过第二反射镜反射进入第二脉冲激光谐振腔；
31.第一路光束和第二路光束在第一脉冲激光谐振腔和第二脉冲激光谐振腔内振荡并通过耦合输出镜输出。
32.本发明与现有技术相比具有如下至少一种有益效果：
33.(1)本发明提出的一种复合脉冲激光器，基于单个激光增益模块实现了两路激光振荡，同时两路激光由于色散原因，在晶体内部的传输路径不同，因此不会存在模式竞争效应，两路激光都能实现稳定的功率输出。
34.(2)本发明提出的复合脉冲激光器，巧妙地将两种不同时域特性的脉冲激光集成在单个模块中，降低了复合脉冲激光系统的研制成本和结构复杂度，有利于提高激光打孔效果以及激光毁伤效能。
35.(3)本发明基于单个激光增益模块实现了两路激光振荡，通过对两路激光的谐振腔实施不同的脉冲调控，可以同时产生两种不同特性的激光脉冲，并经同一块耦合输出镜同轴输出，因此结构简单紧凑，集成度高，有利于实现大规模生产和应用。
附图说明
36.图1为本发明一种复合脉冲激光器示意图；
37.图2为本发明实施例提供的一种复合脉冲激光器的光路示意图；
38.图3是本发明实施例第一脉冲激光器的典型脉冲时域图；
39.图4是本发明实施例第二脉冲激光器的典型脉冲时域图；
40.图中，1-耦合输出镜，2-泵浦增益模块，3-偏振分光片，4-第一脉冲调制模块，5-第一反射镜，6-第二脉冲调制模块，7-第二反射镜，8-二向色镜，9-第一凹面镜，10-第二凹面镜，21-泵浦源，22-准直聚焦镜头，23-激光增益介质。
具体实施方式
41.下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
42.在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
43.本发明提出一种复合脉冲激光器，能基于单个激光增益模块实现连续/脉冲复合激光或长、短脉冲复合激光输出，在大幅提高激光加工效率或靶材毁伤效果的同时，降低激光系统的研制成本和结构复杂度，进一步推动激光加工装备的应用范围。
44.如图1，本发明复合脉冲激光器，包括耦合输出镜1、激光增益模块2、偏振分光片3、第一脉冲调制模块4、第一反射镜5、第二脉冲调制模块6、第二反射镜7；
45.第一脉冲激光激光器为包括耦合输出镜1、激光增益模块2、偏振分光片3、第一脉冲调制模块4、第一反射镜5的系统；第二脉冲激光激光器为包括耦合输出镜1、激光增益模块2、偏振分光片3、第二脉冲调制模块6、第二反射镜7的系统。
46.耦合输出镜1与第一反射镜5共同组成第一脉冲激光器的谐振腔；耦合输出镜1与第二反射镜7共同组成第二脉冲激光器的谐振腔。激光增益模块2为第一、第二激光器提供激光增益介质和泵浦源，激光增益介质为各向异性的晶体材料，晶体形状为柱面体且前后两个通光面设计有一定楔角，在泵浦光激励作用下，晶体内两个正交方向的o光和e光分别在第一脉冲激光器的谐振腔和第二脉冲激光器的谐振腔中建立激光振荡并通过耦合输出镜1输出。由此，该装置可以实现复合激光脉冲输出。
47.第一脉冲调制模块4为第一脉冲激光器的谐振器提供q值调制功能，使其实现脉冲输出；第二脉冲调制模块6为第二脉冲激光器的谐振器提供q值调制功能，使其实现脉冲输出。由此，该装置可以实现复合激光脉冲输出。
48.进一步地，耦合输出镜1镀有对激光器工作波长的部分反射膜，反射率在10％～95％之间，为曲面镜或平面镜，为方形或圆形。
49.进一步地，激光增益模块2包含有激光增益介质和泵浦源。其中激光增益介质为nd:yvo4或nd:ylf或nd:gdvo4或其他各向异性的晶体材料，晶体形状为圆柱体或板条形，且前后两个通光面设计有一定楔角，使o光和e光因色散作用在晶体内沿不同的光路传输。
50.进一步地，其中泵浦源为半导体激光器，泵浦方式为端面泵浦或侧面泵浦或混合泵浦。
51.进一步地，偏振分光片3为激光工作波长对应的偏振分光元件，工作角度在45
°
～56
°
之间，形状为方形或圆形。
52.进一步地，第一脉冲调制模块4和第二脉冲调制模块6为声光调q或电光调q或转镜调q或被动调q或锁模装置或其他脉冲调制器件。
53.进一步地，第一反射镜5和第二反射镜7镀有对激光器工作波长的高反膜，反射率大于99％，为曲面镜或平面镜，为方形或圆形。
54.本发明激光器基于单个激光增益模块可以实现两种不同脉冲特性的激光输出，降低了复合脉冲激光系统的研制成本和结构复杂度，有利于提高激光打孔效果以及激光毁伤效能。
55.实施例：
56.图2为本发明实施例提供的一种复合脉冲激光器光路示意图，该激光器采用nd:yvo4晶体作为激光增益介质23，泵浦源21为光纤耦合输出的880nm ld，泵浦源21发出的泵浦光通过配套的准直聚焦镜头22聚焦后射入激光增益介质23，并使晶体中心的泵浦光光斑半径约为400μm；偏振分光片3将激光器的谐振腔分为两路，其中一路采用声光调q方式为第一脉冲激光器产生纳秒激光脉冲，另一路采用基于可饱和吸收体(sesam)的被动锁模方式为第二脉冲激光器产生皮秒激光脉冲，并且二者通过同一个耦合输出镜1实现复合脉冲激光输出。两路光的波长均为1064nm。
57.二向色镜8为45
°
二向色镜，镜片表面膜系对泵浦源21射出的880nm泵浦光高透，对经激光增益介质23出射的1064nm激光高反，将1064nm激光送入耦合输出镜1。
58.耦合输出镜1，对1064nm激光透过率为30％。
59.激光增益介质23为0.5％浓度掺杂的nd:yvo4晶体，尺寸为4
×4×
15mm3，置于通水冷却的紫铜热沉中进行高精度控温，并用铟箔与热沉紧密接触，冷却水温保持在20℃，晶体前后两个端面镀有对1064nm、1319nm以及880nm的三点增透膜系，且两端面切有10
°
楔角，一方面用于抑制标准具效应，另一方面可使不同偏振态的o光和e光因色散作用在晶体内沿不同的光路传输。在泵浦光的激励下，晶体内两个偏振方向正交的o光和e光经由偏振分光元件分开的两个谐振腔内分别建立激光振荡，并在各自腔内的脉冲调制模块作用下形成不同特性的激光脉冲，最终通过共同的耦合输出镜输出腔外。晶体前后端面镀有对1319nm的增透膜，能够防止1319nm光束在晶体内自激振荡，从而消耗和浪费用于产生1064nm光束的反转粒子数。
60.偏振分光片3为一块45
°
薄膜偏振片(tfp)，从晶体出射的偏振态正交的o光和e光分别对应为垂直偏振的s光和平行偏振的p光，因此分别被tfp反射和透射，使两束光进入各自谐振腔的脉冲调制模块。
61.第一脉冲调制模块4为声光q调制模块，采用的是英国古奇公司(gooch&housego)的声光q开关及驱动模块，通过信号发生器控制驱动频率，使第一脉冲激光器实现相应重复频率的纳秒级调q脉冲振荡。
62.第一反射镜5为1064nm激光的0
°
高反镜，反射率高达99.8％.
63.第一凹面镜9和第二凹面镜10均为反射镜，其曲率半径分别为1000mm和500mm，用于第二脉冲激光器谐振腔内光束折转及光束整形，通光面(反射面)镀有对1064nm的3
°
～10
°
入射的高反膜及880nm高透膜，通过880nm高透膜滤掉少量未被晶体吸收的880nm泵浦光。
64.第二脉冲调制模块6采用锁模器件sesam，使第二脉冲激光器实现皮秒级锁模脉冲振荡，该sesam被焊接在铜热沉上，热沉通过去离子水进行冷却，水温设为20℃，本实施例中的锁模器件sesam同时具备用于实现脉冲调制的模块和反射镜，该反射镜用于实现第二反射镜7的功能。
65.激光器搭建调试完成后，在持续提高ld泵浦功率的过程中，会发现耦合输出镜1有激光脉冲输出，通过光电探测器及相关检测设备可检测到不同脉宽特性的激光脉冲。
66.图3为第一脉冲激光器q驱动频率为2khz时某功率条件下的激光脉冲时域图样，可知此时脉冲宽度约为30ns；图4为第二脉冲激光器输出激光脉冲的典型时域图样，可知此时脉冲宽度约为22ps。
67.以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
68.本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

技术特征：
1.一种复合脉冲激光器，其特征在于，包括耦合输出镜(1)、激光增益模块(2)、偏振分光片(3)、第一脉冲调制模块(4)、第一反射镜(5)、第二脉冲调制模块(6)和第二反射镜(7)；耦合输出镜(1)和第一反射镜(5)组成第一脉冲激光谐振腔；耦合输出镜(1)和第二反射镜(7)组成第二脉冲激光谐振腔；激光增益模块(2)包括激光增益介质和泵浦源；泵浦源发出的泵浦光射入激光增益介质，在激光增益介质中产生两路偏振态正交的光束，记为第一路光束和第二路光束；第一路光束到达偏振分光片(3)后被反射，经过第一脉冲调制模块(4)实现脉冲产生，后经过第一反射镜(5)反射进入第一脉冲激光谐振腔；第二路光束到达偏振分光片(3)后被透射，经过第二脉冲调制模块(6)实现脉冲产生，后经过第二反射镜(7)反射进入第二脉冲激光谐振腔；第一路光束和第二路光束在第一脉冲激光谐振腔和第二脉冲激光谐振腔内振荡并通过耦合输出镜(1)输出，形成复合脉冲激光。2.根据权利要求1所述的一种复合脉冲激光器，其特征在于，耦合输出镜(1)为部分反射镜，耦合输出镜(1)的反射率为10％～95％；第一反射镜(5)和第二反射镜(7)的反射率大于99％。3.根据权利要求2所述的一种复合脉冲激光器，其特征在于，经第一反射镜(5)反射的第一路光束依次经过第一脉冲调制模块(4)、偏振分光片(3)、激光增益介质后到达耦合输出镜(1)，一部分经耦合输出镜(1)射出，另一部分依次经过激光增益介质、偏振分光片(3)、第一脉冲调制模块(4)后返回第一反射镜(5)，形成第一路光束的振荡；经第二反射镜(7)反射的第二路光束依次经过第二脉冲调制模块(6)、偏振分光片(3)、激光增益介质后到达耦合输出镜(1)，一部分经耦合输出镜(1)射出，另一部分依次经过激光增益介质、偏振分光片(3)、第二脉冲调制模块(6)后返回第一反射镜(5)，形成第二路光束的振荡。4.根据权利要求1所述的一种复合脉冲激光器，其特征在于，激光增益介质为各向异性晶体材料；各向异性晶体材料包括nd:yvo4、nd:ylf或nd:gdvo4。5.根据权利要求1所述的一种复合脉冲激光器，其特征在于，激光增益介质为圆柱体或立方体；当激光增益介质为圆柱体时，圆柱体的两个圆形端面分别作为第一路光束或第二路光束的入射面和出射面；泵浦光的入射面为圆柱体的圆形端面或圆柱形侧面；激光增益介质中，泵浦光的入射面、第一路光束的入射面和出射面以及第二路光束的入射面和出射面均为透过率99％以上的通光面。6.根据权利要求5所述的一种复合脉冲激光器，其特征在于，激光增益介质为圆柱体；泵浦光的入射面为圆柱体的圆形端面时，泵浦光与圆柱体的轴线平行，泵浦光的入射面为圆柱形侧面时，泵浦光与圆柱体的轴线垂直；圆柱体激光增益介质的圆形端面与圆柱体的轴线呈3
°
～15
°
楔角。7.根据权利要求1所述的一种复合脉冲激光器，其特征在于，偏振分光片(3)的工作角度为45
°
～56
°
。8.根据权利要求1所述的一种复合脉冲激光器，其特征在于，第一脉冲调制模块(4)和
第二脉冲调制模块(6)为声光调q、电光调q、转镜调q、被动调q或锁模装置中的一种。9.根据权利要求1所述的一种复合脉冲激光器，其特征在于，第一路光束经第一脉冲调制模块(4)形成的脉冲激光与第二路光束经第二脉冲调制模块(6)形成的脉冲激光频率或脉宽不同。10.根据权利要求1-9任一项所述的一种复合脉冲激光器的工作方法，其特征在于，包括：泵浦源发出的泵浦光射入激光增益介质，在激光增益介质中产生两路振动方向垂直的光束，记为第一路光束和第二路光束；第一路光束到达偏振分光片(3)后被反射，经过第一脉冲调制模块(4)实现脉冲产生，后经过第一反射镜(5)反射进入第一脉冲激光谐振腔；第二路光束到达偏振分光片(3)后被透射，经过第二脉冲调制模块(6)实现脉冲产生，后经过第二反射镜(7)反射进入第二脉冲激光谐振腔；第一路光束和第二路光束在第一脉冲激光谐振腔和第二脉冲激光谐振腔内振荡并通过耦合输出镜(1)输出。

技术总结
本发明公开了一种复合脉冲激光器，包括耦合输出镜、激光增益模块、偏振分光片、第一、二脉冲调制模块、第一、二反射镜；耦合输出镜和第一反射镜组成第一脉冲激光谐振腔；耦合输出镜和第二反射镜组成第二脉冲激光谐振腔。本发明还公开了复合脉冲激光器的工作方法，泵浦光被激光增益介质吸收后产生两路激光光束；第一路到达偏振分光片后被反射，经过第一脉冲调制模块实现脉冲产生，后进入第一脉冲激光谐振腔；第二路到达偏振分光片后被透射，经过第二脉冲调制模块实现脉冲产生，后进入第二脉冲激光谐振腔；第一、二路光束通过耦合输出镜耦合输出。本发明降低了复合脉冲激光系统的研制成本和结构复杂度，有利于提高激光打孔效果以及激光毁伤效能。毁伤效能。毁伤效能。


技术研发人员：何苗 郑也 邹岩 王军龙 马梓洋 刘小溪
受保护的技术使用者：北京航天控制仪器研究所
技术研发日：2023.04.17
技术公布日：2023/8/5