作者：黎永堅(jiān) 孫志豪 李博文

作者單位：深圳市寶辰鑫激光科技有限公司

摘要 

由于銅基等高反材料對常規(guī)光纖激光器1um波段附近材料吸收率極低，使得高反材料激光加工成為一大難點(diǎn)。而532nm綠光由于其波段特性高反金屬材料對其吸收遠(yuǎn)高于常規(guī)光纖激光器，這成為解決高反材料精密加工的新突破口。本文基于自主設(shè)計(jì)的的光纖基頻模塊和倍頻模塊，通過光纖倍頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)高光束質(zhì)量輸出的532mn的綠光。該研究可有效解決高反材料精密加工這一痛點(diǎn)，在高反材料精密加工行業(yè)中擁有廣闊的前景。

0引言

近年來，隨著激光器及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，越來越多的光纖激光器已經(jīng)成功應(yīng)用于切割、焊接、以及3D打印等行業(yè)領(lǐng)域中。然而，常規(guī)的光纖激光器由于其波長處于1um波段的特性，高反金屬材料對其吸收率極低，無法滿足高反金屬材料精密加工的需求。為了解決高反材料精密加工的難題，德國通快激光公司曾采用碟片激光技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高功率532nm綠光的輸出，但其光束質(zhì)量不佳，在精細(xì)加工層面具有局限性。此后，隨著保偏光纖制作工藝和激光技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，通過光纖倍頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)532nm綠光激光輸出成為了可能，為高反金屬材料精密加工提供新的選擇。

本文基于寶辰鑫自主設(shè)計(jì)的光纖基頻模塊和倍頻模塊，實(shí)現(xiàn)最高500W高光束質(zhì)量的532nm綠光激光的輸出。其中，輸出光斑大小4.5±0.5mm，中心波長532±2nm，3dB帶寬≤0.3nm，輸出光束質(zhì)量M² ≤1.2，功率穩(wěn)定性≤±2％，光斑橢圓度≥90％，功率可調(diào)節(jié)范圍10％-100％，且1％可輸出功率。此外，搭配高性能芯片及其高精度電控模塊，在保證激光器穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)±1%功率偏差的功率線性度校準(zhǔn)。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1基頻和倍頻部分光學(xué)系統(tǒng)示意圖

激光器的基頻和倍頻部分光學(xué)系統(tǒng)示意圖如圖1所示。其中，紅光激光器起指示激光器作用，用于檢測光路是否損壞?；l模塊主要包含泵源、諧振腔、有源光纖等來實(shí)現(xiàn)激光受激輻射，用于產(chǎn)生1064nm的窄線寬基頻光源。其中，基頻光源輸出功率大于1000W，3dB帶寬≤0.3nm，中心波長1064±0.5nm，功率穩(wěn)定性≤2％，光束質(zhì)量M²≤1.2，光斑橢圓度≥90％，輸出光為線偏振光。倍頻模塊主要包含倍頻晶體、以及一些反射/透射鏡片等，基頻光1064nm線偏振光經(jīng)過恒溫（150℃附近）下的倍頻晶體可實(shí)現(xiàn)頻率變換，進(jìn)而轉(zhuǎn)換成532nm綠光輸出。最終，綠光輸出功率500W，3dB帶寬≤0.3nm，中心波長532±2nm，功率穩(wěn)定性≤2％，光束質(zhì)量M²≤1.2，光斑橢圓度≥90％，輸出光為線偏振光。

1.2光源控制模塊

1.3外觀設(shè)計(jì)

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1輸出功率線性度

2.2輸出光束質(zhì)量

光束質(zhì)量實(shí)測圖如圖5所示。從圖中可以看出，實(shí)測光束質(zhì)量M²為1.1，輸出光束質(zhì)量極佳。

2.3其他輸出特性

通過優(yōu)化基頻模塊和倍頻模塊各部分設(shè)計(jì)，改進(jìn)冷卻系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高功率綠光的高性能、高光束質(zhì)量輸出，具體特性如下。1.激光輸出功率包括100W/300W/500W，功率可調(diào)節(jié)范圍10%~100%，且1％可輸出激光器。2.輸出光束質(zhì)量因子M2≤1.2。3.輸出光斑大小4.5±0.5mm，輸出光斑橢圓度≥90％；4.輸出中心波長532±2nm，光譜帶寬（3dB）≤0.3nm。5.功率穩(wěn)定性≤±2。6.工作模式可以連續(xù)或者調(diào)制頻率（20kHz）進(jìn)行輸出。7.功率穩(wěn)定性≤2％。

3結(jié)束語

本文基于寶辰鑫自主研發(fā)的高反材料精密加工專用的綠光光纖激光器，簡要介紹了基頻和倍頻模塊光學(xué)原理、電路控制邏輯、外觀設(shè)計(jì)等，最終實(shí)現(xiàn)高性能、高線性度的功率輸出。本文結(jié)論如下：

（1）通過光纖倍頻技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高功率綠光光纖激光器，用于高反金屬精密加工。

（2）通過對激光器進(jìn)行線性功率校準(zhǔn)，激光器從10%至100%滿功率具有達(dá)到±1%的極佳功率線性度；

（3）激光器輸出光束質(zhì)量極佳，M²≤1.2，且光斑橢圓度≥90％。