[发明专利]一种高平均功率固体激光系统

说明书

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。