[发明专利]用于激光加工的高功率全固态轴对称偏振激光器

说明书

技术领域

本发明一般涉及半导体激光器领域，特别涉及一种用于激光加工的高功率全固态轴对称偏振激光器。

背景技术

激光加工包括利用大功率激光器实现金属毛化，切割，钻孔，弯曲、焊接等操作。相对于传统加工方法而言，激光加工具有应用范围广泛，加工精度高，快速高效等优点，其原理是高强度高能量的激光束和物质材料相互作用，利用产生的热效应实现材料的分离和形态的改变，因此，提高激光加工的精度和效率的关键在于如何控制材料对于激光光束作用的面积和吸收效率。

对于激光而言轴对称偏振光是一种特殊偏振态分布的矢量光束，其特点是偏振态在垂直于波矢方向的横截面上分布满足轴对称特性。轴对称偏振光有两种基本偏振态分布，径向偏振分布和角向偏振分布，方向上分别对应以光束中心为坐标原点的极坐标系中相应的径向矢量方向和角向矢量方向。由于光场中心处的偏振态要满足轴对称分布，只有中心点处的光强为零时才能使光束具有真实物理意义。因此，轴对称偏振光在横截面上的强度分布为中心暗斑的环形结构，即轴对称偏振是一种特殊的非均匀偏振结构。与传统偏振光相比，轴对称偏振光束最大的优势在于，它可以提供偏振态的分布和操控，由此能够为聚焦场提供更加灵活的调制，实现三维光场分布和聚焦场偏振态控制。例如，利用轴对称角向光束和径向光束混合态，可以实现聚焦场的平顶分布，同时在轴向产生较大的作用长度，有利于提高激光加工产生的深度[R.Weber，A.michalowski，M.Abdou-Ahmed，Effects of Radial and Tangential Polarization in Laser Material Processing(激光材料加工中的径向和切向偏振效应).Physics Procedia，12，21-30(2011)]。实验表明，由于径向偏振激光在垂直进入切割面时的菲涅耳吸收系数最高，与线偏振光相比，轴对称偏振光加工效率可以提高1.5到4倍[M.Meier，V.Romano，T.Feurer，Material processing with pulsed radially and azimuthally polarized laser radiation(脉冲径向和角向偏振激光的材料加工)，Appl.Phys.A，86，329-334(2007)]。另外，在金属加工中，激光加工的切口平滑度、加工产生的孔洞形状等均会受到光场偏振态的影响。

目前，激光加工虽然利用气体作增益介质可获得几十千瓦的高功率轴对称激光输出，但其光斑模式较差、精度低、在稳定性方面无法与固体激光器相比。而固体激光器因为具有相位奇点的轴对称矢量光束在光强上存在奇点，普通激光器无法产生轴对称的偏振模式。而且用于激光加工的固体激光器以前大多采用氙灯泵浦方式，这也从本质上决定了激光器不可能具有长寿命和高效率。

上述的现有技术中，对于现有的激光光源不论是采用氙灯激光器还是采用固体激光器，但其所产生的激光光束都存在缺陷，因而无法产生轴对称的偏振模式，从而无法有效控制材料对于激光光束作用的面积和吸收效率，因此，无法获得高精度的加工效果。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提出了一种用于激光加工的高功率全固态轴对称偏振激光器，用于提高激光加工的精度和效率。

为达到上述目的，本发明提出了一种用于激光加工的高功率全固态轴对称偏振激光器，包括全固态激光产生装置，所述全固态激光产生装置包括用于产生激光光束的主振荡器以及用于对主振荡器的输出功率进行放大的功率放大器，所述主振荡器包括以同光轴依次排列的全反射镜和全固态单晶泵浦模块，所述全反射镜与全固态单晶泵浦模块之间产生偏振光聚焦面，在所述全反射镜与全固态单晶泵浦模块之间光轴与所述偏振光聚焦面的相交处设置有起偏元件，以用于获得单一的偏振态激光束。

根据本发明所述，所述起偏元件包括小孔光阑或圆锥形分布的介质薄膜。

根据本发明所述，所述偏振光聚焦面包括径向或角向偏振光的聚焦面。

根据本发明所述，该激光器还包括双向机械调节架，所述双向机械调节架一端与所述起偏元件联接，另一端与主振荡器联接，用于沿所述同光轴双向移动，使所述起偏元件位于所述径向或角向偏振光的聚焦面处。

根据本发明所述，主振荡器还具体包括声光Q开关、光电门及激光输出镜，其以同光轴依次排列在所述全固态单晶泵浦模块下游。

根据本发明所述，全固态单晶泵浦模块包括激光二极管阵列及激光增益介质，所述激光二极管阵列采用多方向、对称设置，用于侧面对称泵浦所述激光增益介质。