激光二极管泵浦的激光器的制作方法

本发明涉及一种激光二极管泵浦的激光器及其应用系统。根据激光安全的相关规定，在激光器或激光器应用系统的使用中，一旦需将激光器安全锁定，即紧急中止激光束期间，不但驱动常规的激光安全锁定装置中止激光束，也同时将泵浦激光二极管的驱动电流跃降到激光器工作所需的阈值电流之下，不仅使激光器使用更安全可靠，亦可节约能源并延长激光二极管的使用寿命。

技术背景

根据激光安全的相关规定，目前大量得到使用的激光二极管泵浦的激光器，包括如Nd:YAG、Yb:YAG、Nd:YVO等固体激光器和Yb、Nd及Ho等各种掺杂的光纤激光器，都必须配备有激光安全锁定装置。在激光器使用操作之中，遇到任何下列之一的情况下，必须依靠连锁装置，自动的启动激光安全锁定装置，中止激光束的发射：

1，有未佩戴安全防护用品的人员进出相应规定的工作区域时；

2，因更换激光加工工件，或维修检查激光应用系统中其它设备环节，把激光加工机的机罩打开时；

3，其他需要紧急中止激光的情况。

常见的激光安全锁定装置是一种插人激光器谐振腔内光路中的机械“快门”。一旦机械“快门”闭锁，激光器谐振腔内光路被阻断，使激光器中止发射激光。机械“快门”也可以插人激光器谐振腔外光路中，在激光器之外将激光束阻断于安全的范围内。

这种“安全锁定”的方法可以增加激光应用时的安全性。但是在中止激光发射或阻断激光束的同时，激光器本身仍处在原负荷的工作状态。从消耗及寿命角度而言是一种浪费。同时对于难于从激光谐振腔内部中止激光工作的器体，如一些光纤激光器，强行从激光器外部阻断激光束，尤其是强功率激光束时，安全隐患仍然存在，激光束阻断装置会发热或被强功 率激光束损坏。

因此，研究开发新型的激光器安全锁定装置，不但能保证和加强激光器或激光器应用系统工作时的安全性，也可以改进激光器工作的效率和寿命，避免强激光情况下激光器安全锁定装置的过热或破坏风险，从技术和应用角度上来讲，都是非常有意义的。

技术实现要素：

作为对上述现有常规技术的一种改进，本发明提供了一种激光二极管泵浦的激光器的新设计，特别是相关于激光器安全锁定方面的新设计。其特点是无论在什么情况下，诸如有未佩戴相关激光防护用品的人员进入划定的激光工作安全控制区时，或是对相关激光器或激光应用设备部件进行检查而打开相关防护罩时，或是诸如在激光加工设备中更换加工工件而打开相关机罩时，或其他需紧急中止激光束对，在激光器的安全锁定自动启动而中止激光器发射激光或阻断激光光束的同时，泵浦激光二极管的驱动电路将驱动电流由正常工作值自动的快速的跃降至某一个低的数值。而一旦上述情况全部解除，激光器安全锁定自动解除时，泵浦激光二极管的驱动电路同时将驱动电流由该低的数值快速的跃升回复到原来的正常工作值。

该低值电流的选定原则为：

(1)低于固体激光器或者光纤激光器发射激光所需之泵浦二极管的泵浦阈值电流。故相应的固体激光器或光纤激光器在即使安全锁定机械装置处于“开通”状态下亦无激光束能量发射。因此不但进一步加强了安全锁定的可靠性，同时也显著降低了对安全锁定装置的工作负荷，避免其发热及损坏的风险。同时又降低整个激光器的功耗水平，并延长泵浦二极管的工作寿命；

(2)明显的高于零值，即有效维持泵浦二极管和整个激光器处于所需的“热”状态。从而当安全锁定一旦介除，整个激光器可快速进入到正常工作所需的热平衡状态，保证正常工作所需的各项激光参数指标。

上述泵浦激光二极管的驱动电流的跃降和跃升的时间的选定原则为：

(1)不长于激光安全快门本身的动作时间；

(2)不过分的快，以避免过高的技术难度，及对泵浦二极管的过分电流冲击，

通过实验，一般这个泵浦激光二极管的驱动电流的跃降和跃升时间选定在0.01至1毫秒的范围内。

附图说明

图1是一种激光二极管泵浦的固体激光器示意图

图2是一种激光二极管泵浦的光纤激光器示意图

图3是常规激光器工作时安全锁定，二极管泵浦驱动电流和激光束输出示意图

图4是本发明激光器工作时安全锁定，二极管泵浦驱动电流和激光束输出示意图

具体实施方式

图1为一种激光二极管泵浦的固体激光器的示意图。其中11为激光谐振腔的全反射镜，14为激光谐振腔的输出镜，12为声光Q开关，13为固体激光器激光工作介质棒，如Nd:YAG、Yb:YVO晶体等，15为单个或多个固体激光器的泵浦激光二极管或激光二极管组件，16为泵浦激光二极管发出的泵浦光，17为激光器安全锁定机械快门驱动机构，18为安全锁定机械快门挡光臂，一般情况下将17和18合称为安全锁定机械快门。图1中20为激光二极管驱动电路、声光Q开关驱动电路及安全锁定机械快门的驱动电源，19代表对单个或多个泵浦激光二极管或激光二极管组件15的驱动电流输出，24代表对安全锁定机械快门的驱动电压输出，25代表声光Q开关的驱动电压。图1中21为激光器的安全锁定回路，22及23代表安全锁定回路21中接入的安全锁定开关或传感器。驱动电源20的设计保证了只有当22及23都处于闭合状态时，即安全锁定回路21处于完全闭合状态时，由驱动电源20输出的对安全锁定机械快门的驱动电压24，会保证通过激光器安全锁定机械快门驱动机构17，令安全锁定机械快门挡光臂18移出激光谐振腔的光路，容许激光器可以安全工作，输出激光束28。安全锁定开关或传感器22及23可以分别是安装在指定激光安全工作区安全门上的和激光系统机罩门上的连锁开关，，其具体数量可由具体情况决定。当安全门和激光系统机罩门安全闭合时，相应的安全锁定开关或传感器22及23闭合。在激光器正常工作中，一旦安全门和激光系统机罩门中任何一个被打开，安全锁定回路21立即断开，驱动电源20通过其驱动电压24，控制激光器安全锁定机械快门驱动机构17令安全锁定机械快门挡光臂18立即移入激光谐振腔的光路，安全阻断激光器的工作。需要强调的是，在此情况下，激光器的其他部分仍都处于“正常”的工作状态，特别是激光器的泵浦激光二极管15仍处于正常工作电流的满 负荷状态。相关情况可以通过图3来进一步说明。

图3是常规激光器工作时安全锁定，二极管泵浦驱动电流和激光束输出示意图。

图3(A)中，Vs表示了驱动电源20输出的对安全锁定机械快门的驱动电压24，图3(B)中，I_d表示了驱动泵浦激光二极管的驱动电流19。其中I_w表示了泵浦激光二极管的正常工作电流，I_T表示了激光器在其工作阈值时对应的泵浦激光二极管的工作电流值。图3(C)中，P表示了激光器输出的激光束功率。图3(A)(B)和(C)显示了在激光器正常工作情况下，一旦在时刻t₁安全锁定装置被起动，激光束28的发射被中止，而在时刻t₂.安全锁定装置的锁定被解除，激光束28的发射恢复。安全锁定装置时刻t₃再次被起动，到时刻t₄解除，激光束28的发射相应的在时刻t₃到时刻t₄间被中止。而在此期间，泵浦激光二极管的工作电流19，即I_d，一直保持为恒定的I_w不变。

图2为一种典型的激光二极管泵浦的连续光纤激光器的示意图。其中31为激光工作光纤，其本身的两个端面直接分别作为激光谐振腔的全反射端及激光谐振腔的输出端工作。图中32及33为二极管泵浦光纤，它们的一端与泵浦激光二极管34、36对准，接收泵浦光35及37，另一端与激光工作光纤31特别烧融连接，使接收的泵浦光对激光光纤进行泵浦。图中39为处于激光器输出光束光路上的安全锁定机械快门驱动机构38的光束阻挡臂；48为激光器在安全锁定快门后发射输出的激光束。从工作控制方面来讲，该激光器与图1所示激光器相比，除了没有了声光Q开关及其驱动电路外，是相同的，故图中从略未再示出相关驱动电源及安全锁定回路等。而且，图2激光器的安全锁定回路及激光器的工作情况和图1所示激光器情况也类似，在此也不再重复。要强调的一点是，对于图2所示激光器，由于其结构特点，安全锁定机构的光束阻挡臂38不能插入到激光谐振腔中，而只能安置于激光谐振腔外部的激光光路上。因此对于常规的激光安全锁定技术而言，在激光器正常工作时，一旦安全锁定38，39被启动，安全锁定机构的光束阻挡臂39被立即驱动插入到激光谐振腔外部的激光光路上。此时它只是将激光束阻断于局限的区域，而非将激光束本身的发射中止。如果激光束的功率比较高，可以引起安全锁定机构的光束阻挡臂39过热或破坏等问题。

由上述介绍可见，常规的激光器“安全锁定”的方法和技术可以提供激光应用时的安全性。但是在中止激光发射或阻断激光束的同时，激光器本身仍处在原负荷的工作状态。从消耗及寿命角度而言是一种浪费。同时对于难于从激光谐振腔内部中止激光束发射的器体，如一些光纤激光器，强行从激光器外部阻断激光束，尤其是强功率激光束时，仍然存在激光束 阻断装置会发热或被强功率激光束损坏的安全隐患。

作为对上述现有常规技术的一种改进，本发明提供了一种激光二极管泵浦的激光器的新设计，特别是相关于激光器安全锁定方面的新设计。其特点是无论在什么情况下，诸如有未佩戴相关激光防护用品的人员进入划定的激光工作安全控制区时，或是对相关激光器或激光应用设备部件进行检查而打开相关防护罩时，或是诸如在激光加工设备中更换加工工件而打开相关机罩时，或其他需紧急中止激光束的情况下，激光器的安全锁定自动启动而中止激光器发射激光或阻断激光光束，泵浦激光二极管的驱动电路将立即同时将驱动电流由正常工作值自动的快速的跃降至某一个低的数值。而一旦上述情况全部解除，激光器安全锁定自动解除时，泵浦激光二极管的驱动电路同时将驱动电流由该低的数值快速的跃升回复到原来的正常工作值。图4是本发明激光器工作时安全锁定，二极管泵浦驱动电流和激光束输出示意图。图4(A)中，Vs表示了相应于图1中驱动电源20输出的对安全锁定机械快门的驱动电压24，图4(B)中，I_d表示了驱动泵浦激光二极管的驱动电流19。其中I_w表示了泵浦激光二极管的正常工作电流，I_T表示了激光器在其工作阈值时对应的泵浦激光二极管的工作电流值。与常规激光器安全锁定技术不同的是，在本发明中，一旦在时刻t₁安全锁定装置被启动，泵浦激光二极管的驱动电流不再是原来恒定的I_w，而是在同时被控制在一个时间间隔Δt_f内，从I_w跃降为一个预定的低于激光器工作阈值泵浦电流I_T的电流值I_L，激光束28的发射被中止。而当在时刻t_2.安全锁定装置的锁定被解除时，泵浦激光二极管的驱动电流同时从I_L被控制在一个时间间隔Δt_r内，跃升恢复至原来的正常工作值I_w，激光束28的发射恢复。安全锁定装置在时刻t₃再次被启动，到时刻t₄解除，泵浦激光二极管的驱动电流重复上述的从I_w跃降至I_L，再从I_L跃升恢复至I_w的过程，激光束28的发射相应的在时刻t₃到时刻t₄间被中止。图4(C)中，P表示了激光器输出的激光束功率。在安全锁定期间，即时刻t₁到时刻t₂期间，和时刻t₃到时刻t₄期间，激光器输出的激光束被中止或阻断。

上述预定的低于激光器工作阈值泵浦电流I_T的电流值I_L的选定原则为：

(1)低于固体激光器或者光纤激光器发射激光所需之泵浦二极管的泵浦阈值电流I_T。故相应的固体激光器或光纤激光器在即使安全锁定机械装置处于“开通”状态下亦无激光束能 量发射。因此不但进一步加强了激光安全锁定的可靠性，同时也显著降低了对安全锁定装置的工作负荷，避免其发热及损坏的风险。同时又降低整个激光器的功耗水平，并延长泵浦二极管的工作寿命；

(2)明显的高于零值，即有效维持泵浦二极管和整个激光器处于所需的“热”状态。从而当安全锁定一旦介除，整个激光器可快速恢复到正常工作所需的热平衡状态，保证正常工作所需的各项激光参数指标。

具体选定时，应根据具体激光器的起动热恢复时间快慢及激光器应用对激光参数指标要求来平衡衡量。如具体激光器的起动热恢复时间慢及激光器应用对激光参数指标要求高，那么I_L应低于但比较接近固体激光器或者光纤激光器发射激光所需之泵浦二极管的泵浦阈值电流I_T。反之，I_L可以选定为更低的值。

上述泵浦激光二极管的驱动电流的跃降和跃升的时间Δt_f和Δt_人的选定原则为：

(1)不长于激光安全锁定快门本身的动作时间。对于机械结构的安全锁定快门而言，其动作时间一般在微秒到毫秒的量级；

(2)不过分的快，以避免技术上实现的难度过高，及对泵浦二极管的过分电流冲击。

通过实验及分析，一般这个泵浦激光二极管的驱动电流的跃降和跃升时间选定在0.01至1毫秒的范围内。