本发明涉及一种实现全固态激光器高功率输出 的并联合束方法，属于固体激 光技术领域。

背景技术

全固态激光器是指半导体激光泵浦的固体激光 器， 具有效率高、寿命长、光 束质量好、结构紧凑等优点，基于该类激光器 的加工装备广泛应用于汽车、铁路、 船舶、 冶金、 石化、 国防以及航空航天等领域。

目前用于工业加工的高功率全固态激光器一般 由几个激光单元模块串联构 成， 通过谐振或者谐振放大的方式实现高功率输出 ， 具有结构简单， 容易实现等 优点。激光模块是构成全固态激光器的主要部 件， 是由几十个至上百个半导体激 光器排成环状从晶体棒的侧面进行泵浦，通过 合理排列泵浦的半导体激光源，在 晶体棒的横截面上形成由内到外呈抛物线状的 增益分布。作为泵源的半导体激光 器随使用时间延长存在波长会红移或者功率衰 减的情况，几十个半导体激光器一 般不会随时间同步变化，个别半导体激光器甚 至会出现随机失效，这种泵浦光源 变化的随机性会导致晶体棒泵浦均匀性发生变 化，增益中心发生微小偏移。这种 微小的偏移在串联结构中会导致激光器的光轴 发生微小角度的偏移，从而影响整 个激光系统的稳定性和可靠性。在工业应用中 ， 作为激光加工装备光源的高功率 全固态激光器中最重要的一项指标即是系统的 稳定性和可靠性。

发明内容

为了克服现有高功率全固态激光器采用串联功 率扩展结构会导致激光器整 机系统稳定性和可靠性随使用时间下降的缺陷 ，本发明的目的在于提供了一种全 新的功率扩展方法——并联合束，利用该方法 可以实现多个独立全固态激光器输 出激光束的完全合束， 使不同激光器发出的激光以相同的光轴、相同 的束腰位置 和大小、相同的发散角叠加输出， 且合束输出的激光光束质量不低于单个激光器 输出激光的光束质量。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是通过 以下方式实现的： 一种实现全 固态激光器高功率输出的并联合束方法，包括 以下步骤： 1 )设计等效谐振腔； 2) 设计两个独立全固态激光器的并联合束； 3 ) N个独立全固态激光器的并联合束； 其特征在于：

1 )、 设计等效谐振腔： 设计第一个全固态激光器与平平谐振腔的等效 结构， 由三个高反镜 I、 II、 III、 一个耦合输出镜、 一个透镜和一个激光头构成， 耦合 输出镜将激光沿与激光模块中心轴线夹角为 90 ° ± 5 ° 的方向反射输出， 改变平 平谐振腔输出激光只能沿激光模块轴线通过耦 合腔镜输出的局限， 实现 N个全 固态激光器同轴输出激光， 利用透镜 n5、 _n 6进行光束整形， 使同轴传输的 N束 激光的束腰、束腰位置和发散角相重合，合并 成一束与单个全固态激光器光束质 量近似的激光束；

所述的高反镜 I、 Π、 III表面镀射对垂直入射的激光反射率大于 95%的高反 膜， 所述的透镜由 1片或多片、有效焦距¾介于 50~200mm、表面镀射对 0°入射 的激光反射率小于 1%的增透膜； 激光头为半导体激光泵源与参钕或参镱的激光 晶体构成的集成模块； 高反镜 I与高反镜 Π平行放置且镀膜面朝向激光头，两者 之间的距离与所等效的平平谐振腔的物理腔长 相等， 为 200~800cm，两者距离激 光头内晶体棒两个端面的长度相同；耦合输出 镜表面镀射有对激光器输出的激光 具有 10~50%反射率的反射膜， 耦合输出镜上的光斑中心与高反镜 II的距离 L _u 介于 20~380mm， 透镜与耦合输出镜上光斑中心的距离 L ₁₂ 和高反镜 III与透镜之 间的距离 L ₁₃ 由以下数学关系确定：

Li2=fi-Ln禾口 Ι^ ₃ ⁼ ί。

2 )、设计两个独立全固态激光器的并联合束： 在全固态激光器 I、 II之间放 置透镜 25、 27， 透镜 25、 27是由一片或者多片透镜构成， 有效焦距皆是 f ₂ ， f ₂ 的焦距介于 50~200mm， 且表面镀射对 0°入射的激光反射率小于 1%的增透膜， 全固态激光器 1、 2之间的距离 透镜 27与透镜 25之间的距离 L ₂₆ 由以下数 学关系确定：

Li=4f ₂ 禾口 L ₂₆ =2f ₂

3 )、 实现 N个独立全固态激光器的并联合束： 在全固态激光器 （n-l )、 n之 间放置透镜 n5、 n7, 透镜 n5、 n7是由 1片或者多片透镜构成， 有效焦距皆是 f _n ， f _n 的焦距介于 30~300mm， 且二者置于全固态激光器 （n-l )、 n之间。 全固态激 光器（n-l )、 n之间的距离 耦合输出镜 n4上光斑中心与高反镜 n2的距离 L 透镜 L _nl 、 _n 7与透镜 _n 5之间的距离 L _n6 的放置位置由以下数学关系确定：

L _n 6=2f _n 。

本发明， 不仅可以将 N个独立的全固态激光器发出的激光以相同的� �射光 轴、 相同的束腰位置和相同的发散角叠加输出， 实现功率 N倍的放大， 而且由 于 45°耦合输出镜对激光的反射和透射，将在 N个全固态激光器之间建立能量耦 合。此种情况的发生将在合束输出的激光束中 形成部分干涉效应， 使合束后的激 光光束质量等于或者优于单个全固态激光器的 光束质量。利用该方法实现的高功 率全固态激光器可以实现模块化结构，能有效 降低单个激光模块的泵浦均匀性变 化对整机的影响， 有利于提高整机的稳定性和可靠性。可实现工 业级的、模块化 的、 高功率、 高可靠性、 易于维护的全固态激光器。

附图说明

图 1是本发明的等效谐振腔示意图。

图 2是本发明的等效谐振腔中的耦合输出镜的反� �率与平平谐振腔耦合输 出镜反射率的对应关系图。

图 3是本发明的两个独立全固态激光器并联合束� �示意图。

图 4是本发明的 N个独立全固态激光器并联合束的示意图。

图中： n.全固态激光器； nl . 高反镜； _n 2. 高反镜； . 高反镜； n4.耦合输 出镜； n5. 透镜； n6. 激光头； n7. 透镜； （以上 n可取 1、 2、 3 、 ... ... 、 N)。 具体实施方式

一种实现全固态激光器高功率输出的并联合束 方法， 包括以下步骤：

1、 设计等效谐振腔： 设计第一个全固态激光器与平平谐振腔的等效 结构， 一个耦合输出镜 14、 一个透镜 15和一个激光头 16构成， 耦合输出镜 14将激光 沿与激光模块中心轴线夹角为 90° ± 5 ° 的方向反射输出， 改变平平谐振腔输出 激光只能沿激光模块轴线通过耦合腔镜输出的 局限， 实现 N个全固态激光器同 轴输出激光， 利用透镜 n5、 _n 6进行光束整形， 使同轴传输的 N束激光的束腰、 束腰位置和发散角相重合，合并成一束与单个 全固态激光器光束质量近似的激光 束；

所述的等效结构由 3个高反镜 I 11、 11 12、 III13组成、 高反镜 I 11、 11 12、

III13表面镀射对垂直入射的激光反射率大于 95%的高反膜， 所述的透镜 15由 1 片或多片、 有效焦距¾介于 50~200mm、 表面镀射对 0°入射的激光反射率小于 1%的增透膜；激光头 16为半导体激光泵源与参钕或参镱的激光晶体� ��成的集成 模块； 高反镜 1 11与高反镜 Π 12平行放置且镀膜面朝向激光头 16， 两者之间的 距离与所等效的平平谐振腔的物理腔长相等， 一般为 200~800cm，两者距离激光 头 16内晶体棒两个端面的长度相同；耦合输出镜 14表面镀射有对激光器输出的 激光具有 10~50%反射率的反射膜， 耦合输出镜 14上的光斑中心与高反镜 II 12 的距离 L _u 介于 20~380mm， 透镜 15与耦合输出镜 14上光斑中心的距离 L ₁₂ 和 高反镜 III 13与透镜 15之间的距离 L ₁₃ 由以下数学关系确定：

Li2=fi-Ln禾口 Ι^ ₃ ⁼ ί。

2、 设计两个独立全固态激光器的并联合束： 在全固态激光器 I I、 Π 2之间 放置透镜 25、 27， 透镜 25、 27是由 1片或者多片透镜构成， 有效焦距皆是 f ₂ ， f ₂ 的焦距介于 50~200mm，且表面镀射对 0°入射的激光反射率小于 1%的增透膜。 全固态激光器 1、 2之间的距离 透镜 27与透镜 25之间的距离 L ₂₆ 由以下数 学关系确定：

Li=4f ₂ 禾口 L ₂₆ =2f ₂

3 )、 实现 N个独立全固态激光器的并联合束： 在全固态激光器 （n- l )、 n之 间放置透镜 n5、 n7 , 透镜 n5、 n7是由 1片或者多片透镜构成， 有效焦距皆是 f _n ， f _n 的焦距介于 30~300mm， 且二者置于全固态激光器 （n- l )、 n之间。 全固态激 光器（n- l )、 n之间的距离 耦合输出镜 n4上光斑中心与高反镜 n2的距离 L 透镜 L _nl 、 _n 7与透镜 _n 5之间的距离 L _n6 的放置位置由以下数学关系确定：

L _n 6=2f _n 。

实施例 1 :

本实施例参见图 1〜图 4， 采用本公司生产的 DPLM40-80激光头 n6、 商用 的对 1064nm激光 0°入射反射率大于 99.8%的高反镜 nl、 n2、 n3、 对 1064nm激 光 45 ° 入射反射率为 18%的耦合输出镜 _n 4和表面增透的焦距为 80mm的透镜 n5、 n7搭建六个全固态激光器来实现并联合束。

1、 等效谐振腔的实现 1 )、确定等效谐振腔的物理腔长。等效谐振腔� �等效的平平谐振腔的物理腔 长为 600mm， 因此选择等效谐振腔的物理腔长为 600mm。

2)、 确定耦合输出镜 14和透镜 15的参数。 耦合输出镜表面法线与激光头 16内的晶体棒的中心轴线的夹角为 45 ° ， 其对激光的反射率的选取参考图 2， 由于本例中所等效的平平谐振腔的耦合输出镜 的反射率为 30%，因此选取耦合输 出镜 14的反射率为 18%; 本例中的透镜 15选择焦距为 ¾=80ιηιη的单透镜。

3 )、 确定光学镜片位置参数。 根据步骤 1所述数学关系， 选择 L _u =40mm、 Li2=40mm禾 P L ₁₃ =80mm。

2、 2个独立全固态激光器并联合束的实现

1 )确定透镜 25、 27的参数。考虑到并联合束时参与合束的全固� ��激光器之 间的距离不宜太大， 因此选择透镜 25、 27为焦距为 f ₂ =80mm的单透镜。

2) 确定两个全固态激光器 1、 2和透镜 25、 27的位置参数。 由步骤 2知 L ₂ =320mm L ₂₆ = 160mm, 本例选择 L ₂₅ =120mm。

3、 6个独立全固态激光器并联合束的实现

由步骤 3知， 透镜 n5、 n7之间的距离 L _n6 为 160mm， 全固态激光器 (n-l)、 n 之间的距离 为 320mm， 本例选择 L _n5 =120mm。。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已， 并不用以限制本发明的应用。