一种端面泵浦拉丝模打孔激光器的设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及激光器技术领域，特别设及一种端面累浦拉丝模打孔激光器的设计方 法。
【背景技术】
[0002] 激光打孔是最早应用化的激光加工技术，也是激光加工的重要应用领域之一；激 光打孔主要用于金属材料、轻金属材料、普通硬质合金材料W及非金属材料的加工。
[0003] 激光打孔指激光经聚焦后作为高强度热源材料进行加热，使激光作用区域内材料 融化或气化继而蒸发，而形成孔桐的激光加工过程。激光束在空间和时间上高度集中，利用 透镜聚焦；将光斑直径缩小到105~1015W/cm2的激光功率密度。如此高的功率密度集合 可对任何材料进行激光打孔。
[0004] 精密拉丝模打孔激光器主要用于聚晶金刚石、人造金刚石、硬质合金、陶瓷材料进 行拉丝模精密打孔。相对于机械打孔方式，激光打孔机具有速度快、效率高、家经济效益好； 可获得大的深径比；可在硬、脆、软等材料上进行加工；无工具损耗。同时，适用于数量多， 高密度的群孔加工；此外加工工件不存在工件污染问题等优点。
【发明内容】
[0005] 本发明旨在克服现有技术的缺陷，提供一种端面累浦拉丝模打孔激光器的设计方 法。
[0006] 为实现上述目的，本发明采用W下技术方案：
[0007]S1、脉宽控制：设计激光器光学腔的光程距离为350mm;S2、光纤禪合模块选取：提 供激光上能级粒子数布局；S3、光纤禪合部分：采用1:0. 7成像到NchYAG晶体进行累浦； S4、激光晶体选取：采用一个单端键合的NchYAG晶体，键合面为累浦光入射面；S5、光学谐 振腔的设计；采用前、后两个腔镜为凸面镜的结构。
[0008] -些实施例中，步骤Sl中激光器光学腔的中间位置设置折转镜。
[0009] 一些实施例中，所述光纤禪合模块选取进一步包括采用相干的FAP800-40W光纤 禪合模块。
[0010] 一些实施例中，所述光纤禪合模块为SMA头；累浦光波长为808nm。
[0011]一些实施例中，所述激光晶体选取参数为长度化18 (mm)，直径O2mm，浓度0. 4%。
[0012] 一些实施例中，所述两凸面镜的曲率为R= -4000mm，其中，所述两凸面镜一个为 反射镜，另一个为T= 20%的输出镜。
[0013] 一些实施例中，所述前后两个腔镜分别放置两个O0. 8光阔。
[0014] 本发明的有益效果在于：通过设置光学设计方案，使用键合晶体，减少端面热效应 来提高光束质量。
【附图说明】
[0015] 图I为根据本发明的激光光斑半径随热焦距变化示意图。
【具体实施方式】
[0016] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，W下结合附图及具体实施 例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用W解释本发 明，而不构成对本发明的限制。
[0017] 结合图1所示，本发明提供一种端面累浦拉丝模打孔激光器的设计方法，包括：
[0018]S1、脉宽控制：本发明激光器设计要求为在最高功率5W的时候，出光脉宽为 35ns@10曲Z，采用设计光学腔的光程距离为350mm。
[0019] 由于光学腔中有声光Q晶体、Nd:YAG晶体等，实际几何距离比光程距离短，其几何 距离为316mm。
[0020] 由于整体光路过长，进一步地，激光器光学腔的中间位置设置折转镜，从而使激光 器作的更加紧凑。
[0021]S2、光纤禪合模块选取：提供激光上能级粒子数布局，从而产生跃迁的激光。
[0022] 通常使用的光纤禪合模块为Dilas的光纤禪合模块，但其通常有比较长的光纤尾 纤，当光纤尾纤短于IOm时，抖动光纤对激光功率是有较大影响的。为提高功率稳定性，减 少光纤尾纤对功率起伏产生的影响，设计选用相干的FAP800-40W模块，该光纤禪合模块光 纤为SM头；累浦光波长为808nm，不会有光纤尾纤对功率的影响。
[002引 S3、光纤禪合部分：采用1:0. 7成像到NchYAG晶体进行累浦。
[0024] 其中，相干的FAP800-40W模块的线忍直径为800um，成像到NchYAG晶体中的理想 成像为700um，由于具有像散等情况，成像光斑略大于理想光斑。此时，累浦光光斑略大于激 光光斑也是让基模进行起振，抑制高阶模的发生。
[00巧]S4、激光晶体选取：
[0026] 其中，激光晶体为产生激光的载体，晶体吸收累浦光将基态粒子累浦到激发态，通 过受激福射跃迁产生激光。激光晶体在吸收累浦光产生激光的过程中由于量子缺陷效应， 使一部分累浦能量转化为热量。当激光正常工作的时候，激光晶体存在一定的溫度梯度，由 于溫度梯度的存在从而产生了热透镜效应。本发明激光器的设计通过腔型的设计来使激光 器稳定工作在不同累浦光下。对于激光晶体累浦方式的不同，激光器可W分为侧累和端累， 通常端累激光器的光斑质量会更优异一些。
[0027] 端累激光器在激光晶体的一侧或两侧注入非常高的能量，由于晶体的吸收，在激 光晶体内部的径向和切向方向溫度分布都不同，对于端面累浦NchYAG晶体在不同的溫度 场下主要会产生=种效应，分别为热透镜效应，热致双折射效应和应力端面效用。
[0028] 该热致双折射效应会使棒在径向和切向方向产生不同的位相延迟，主要表现为径 向和切向的热透镜焦距不同，从而在远场的光斑发散角不同，在测量远场光斑的时候表现 为近远场圆度不同。应力端面效应相当于将原平面面型变为抛物面，从而对光斑产生巨大 的像散。
[0029] 为解决端面效应，在晶体前端面键合一个未渗杂激活离子的基底材料。同时为设 计高光束质量的激光器，选择激光晶体为一个单端键合的NchYAG晶体，键合面为累浦光入 射面。
[0030] 采用键合晶体，解决累浦端面的散热问题，降低端面效应和应力效应；降低整体的 热焦距，提高激光器整体出光功率。
[00引]其中，该激光晶体参数为YAG+Nd:YAG，长度化18 (mm)，直径巫2mm，浓度0. 4 %。该 激光晶体的直径为?2mm，一方面，使晶体孔径产生自孔径限模，能够部分滤掉高阶膜；另 一方面，小的直径更有利于激光晶体的散热。
[0032]S5、光学谐振腔的设计：采用前、后两个腔镜为凸面镜的结构。
[0033] 由于整体的腔长比较长，为增加相应的菲涅尔散射作用，提高最高功率，将激光晶 体放置于激光腔体的中间位置，能够使激光晶体累浦入更多的功率，达到较小的热焦距，从 而使激光达到高功率运转的目的。
[0034] 由于本发明激光器为高光束质量激光器，根据菲涅尔衍射理论，只有当腔镜为凸 面镜的时候，对TEMOO模W外的高阶模产生的衍射效应最大的，采用前、后两个腔镜为凸面 镜的结构。
[0035] 其中，两个凸面镜的曲率为R= -4000mm，其中一个为反射镜，另一个为T= 20% 的输出镜。
[0036] 当后腔镜和禪合输出镜都为凸面镜时，激光器的工作区间不是线性的。本发明激 光器的另一个要求为线性工作，故激光器使用一种增加激光器阔值的方法，使激光器即能 在非稳腔内线性工作，又能有非常好的模式选择功能。
[0037] 具体为，激光横模在光学腔内满足两个分布方程，分别为厄米高斯和拉盖尔高斯。 产生上述两种高斯形式不同的原因为衍射镜片形状的不同，描述激光横模分布的方程只是 表达方式不同，在计算激光高阶模光斑直径的时候可近似认为两种形式是一致的。
[0038] 高光束质量激光器为要激光器出射的光斑为基横模TEMOO模，当理想TEMOO模时 候，光束质量为M2= 1，当高功率工作的时候，会有一些高阶模存在，运些高阶模在运个激光 功率中会占有一定的分量，当分量值过高的时候，光斑质量严重恶化。
[0039] 通常情况下，当M2<1. 5时为基模激光器，制作一台M2<1. 05的激光器比M2= 1. 5的 激光器苛刻的多。此时，提供光束质量要限制除TEMOOW外的所W模式进行振荡，当W厄米 高斯进行计算时，比TEMOO模大一阶的高阶模式为TEMOl(或TEM10)，而TEMOl的光斑半径 为TEMOO光斑半径的倍。
[0042]其中，公式1为多模光强分布公式，公式2为增加光阔后的透射率公式。高光束质 量激光器可W在激光腔内放置光阔，使基模激光W较小的能量损耗通过，而让高阶模激光 W较大的能量损耗损失掉，即较小的数值孔径能够增加激光的光束质量。在设计光阔大小 时需要应用上面两个公式进行计算。
[0043] 对于基模激光器，通常只考虑TEMOl模对基模的影响，只要增加TEMOl模的损耗， 高阶模就不能够起振。此处选择孔位大小为基模光束的1.3倍，运样能够尽量增加基模的 透过率，而减少高阶模的透过率。
[0044]当光阔为基模1. 3倍时，基模的单程透过率根据公式2为98%，则