阅读说明：本技术 一种用于透明或白色塑料焊接的光参量振荡器 (A kind of optical parametric oscillator welded for transparent or white plastic ) 是由 张百涛 聂鸿坤 颜秉政 刘俊亭 杨克建 何京良 于 2019-09-09 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种用于透明或白色塑料焊接的光参量振荡器,该光参量振荡器包括沿光路依次设置的半导体激光器A、准直聚焦系统A、谐振腔和滤波片；谐振腔包括激光输入镜、非线性光学晶体和激光输出镜；非线性光学晶体为周期极化的光学超晶格晶体,光学超晶格晶体的周期为20-30μm,光学超晶格晶体的温度控制在50-200℃。本发明可以实现1710nm和2300nm激光同时输出,可以大大提高透明或白色塑料材料的吸收效率；通过优化光参量振荡器谐振腔结构,实现高功率(>50W)、高效率、高光束质量(M<Sup>2</Sup><1.5)的1710nm和2300nm激光同时输出,满足透明或白色塑料激光焊接的要求。(The present invention relates to a kind of optical parametric oscillators welded for transparent or white plastic, which includes the semiconductor laser A set gradually along optical path, collimation focusing system A, resonant cavity and filter plate；Resonant cavity includes laser input mirror, nonlinear optical crystal and laser output mirror；Nonlinear optical crystal is period polarized optical superlattice crystal, and the period of optical superlattice crystal is 20-30 μm, and the temperature of optical superlattice crystal is controlled at 50-200 DEG C.The present invention may be implemented 1710nm and 2300nm laser while export, and can greatly improve transparent or white plastic material absorption efficiency；By optimizing optical parametric oscillator cavity resonator structure, high power (> 50W), high efficiency, high light beam quality (M are realized 2 < 1.5) 1710nm and 2300nm laser exports simultaneously, meets transparent or white plastic laser welding requirement.)

一种用于透明或白色塑料焊接的光参量振荡器

技术领域

本发明涉及一种用于透明或白色塑料焊接的光参量振荡器，属于固态激光技术领域。

背景技术

激光由于具有方向性好、亮度高、单色性好等优点，被广泛应用于工业加工领域。激光加工技术是激光技术在工业中的主要应用之一，它加速了对传统加工工业的改造，为现代加工技术提供了新的手段。激光加工是指利用激光束对工业用的零部件进行切割、划线、打标、焊接、和打孔等。与传统方法相比，激光加工具有加工质量好、加工速度快、精度高、加工件不受尺寸和形状限制、无污染、噪声小、无刀具磨损、效率高等优点。

进入21世纪以来，激光技术的飞速发展为塑料焊接提供了更多的技术方案，使塑料焊接的平均效率超过了传统焊接工艺的2-3倍。因此，激光塑料焊接技术成为近年来飞速发展的新型激光加工技术，并且在整个塑料焊接加工市场的份额占比不断攀升，特别是在一些需要高焊接效率和严格的外观要求的场合，特点鲜明，优势明显。塑料焊接时将两个部件夹紧在一起，上层塑料焊接件对激光具有较高透过率，下层焊接件对激光有较高的吸收率。激光束穿过上层塑料照射到下层焊接件表面，下层塑料吸收激光能量，转化为热能，继而在两塑料的接触面熔融形成焊接区，冷却后两者结合在一起，完成焊接过程。塑料的激光焊接已经在医用塑料器具、白色家电塑料零件和汽车塑料零件的焊接中被广泛采用。常用的焊接光源是半导体激光器(波长为808nm或者980nm)、Nd:YAG全固态激光器或者光纤激光器(波长为1.0微米附近)。但当两个零件都是透明材料时，传统方法难以利用这种工作原理进行激光焊接：由于透明材料通常对可见光的吸收率极低，造成了只有透过层而缺少了吸收层的情况。因此，需要在吸收层的表面制作吸收剂增加光吸收，这样也会造成塑料加工件的污染，限制了它在诸如医疗用的透明塑料焊接中的应用。

从常见塑料对红外波长激光吸收光谱(图1)可以看出，大部分塑料材料对波长1710nm和2300nm附近的光吸收率超过70％甚至80-90％，这对于各种厚度的塑料制品的激光拼焊和1.5mm以下透明塑料薄板的激光穿透焊是非常有利的，已经在医用塑料器具、白色家电塑料零件和汽车塑料零件的激光焊接中通过了很多实际验证，并开始应用于一系列激光塑料焊接设备中，进行一些塑料部件产品的正式生产，效果良好，受到塑料激光焊接业界的日渐认可。利用聚合物在1710nm和2300nm波段附件的本征吸收这一特性，能够在没有吸收层的情况下对透明材料进行焊接，不仅消除了对用于制造吸收层的添加剂的需求，而且加工质量也十分优异。

到目前为止，用于透明和白色塑料在很多焊接的激光器主要是1710nm半导体激光器和2000nm光纤激光器。而1710nm半导体激光器光束质量较差，输出功率也远低于808nm和976nm的半导体激光器；2000nm光纤激光器光束质量较好，但是成本较高，并且塑料在该波段的吸收也小于2300nm波段(如图1所述)。现有的光参量振荡器泵浦源均为波长在1微米波段的成熟的全固态激光器，非线性晶体均为体块单晶(磷酸二氢钾KTP、磷锗锌ZGP等)，根据光参量振荡三波耦合方程，在1710nm和2300nm同时输出时无法实现相位匹配。因此，采用体块单晶的折射率相位匹配技术很难实现1710nm和2300nm同时输出；并且，截至目前为止，尚未有1710nm和2300nm同时输出的报道。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种用于透明或白色塑料焊接的光参量振荡器。

本发明采用半导体激光器泵浦非线性光学晶体产生光参量振荡，实现同时输出高功率(>50W)、高效率、高光束质量(M²<1.5)的1710nm和2300nm激光，满足透明或白色塑料激光焊接的要求。

本发明的技术方案为：

一种用于透明或白色塑料焊接的光参量振荡器，包括沿光路依次设置的半导体激光器A、准直聚焦系统A、谐振腔和滤波片；所述谐振腔包括激光输入镜、非线性光学晶体和激光输出镜；

所述非线性光学晶体为周期极化的光学超晶格晶体，所述光学超晶格晶体的周期为20-30μm，所述光学超晶格晶体的温度控制在50-200℃；所述半导体激光器的A工作波长为800-1000nm；

所述半导体激光器A输出的泵浦光经过所述准直聚焦系统A的准直后，泵浦光入射到所述谐振腔中，泵浦光经过所述激光输入镜后入射到所述非线性光学晶体上，对所述非线性光学晶体进行泵浦，在所述谐振腔内形成光振荡，产生信号光和闲频光，并由所述激光输出镜耦合输出；所述滤波片滤掉其他波长的激光，输出1710nm和2300nm波长的激光。

本发明提供的光参量振荡器的工作原理：光参量振荡器将入射的频率为ω_p的泵浦光，通过非线性光学晶体的二阶非线性光学作用，转换为两个频率较低的输出光(信号光ω_s和闲频光ω_i)，两个输出光的频率之和等于入射光频率：ω_p＝ω_s+ω_i。在非线性光学晶体中，泵浦光、信号光和闲频光相互重合，三波相互作用导致信号光和闲频光在谐振腔中振荡并不断放大，当增益大于损耗时便会输出信号光和闲频光。

在准位相匹配当中，三波耦合过程产生的位相失配量由极化产生的倒格矢来补偿，即：Δk＝k_p-k_s-k_i＝2π/Λ，Λ表示光学超晶格晶体的周期，k_p为泵浦光波矢、k_s为信号光波矢，k_i为闲频光波矢，Δk为泵浦光与信号光、闲频光波矢失配量；通过设计对应泵浦光的波长及光学超晶格晶体的周期，通过电场极化补偿晶体性质产生的失配量，可实现1710nm和2300nm波长的参量光输出；

在满足相位匹配的过程中必须要满足三波的能量守恒和动量守恒，即：

1/λ_p＝1/λ_s+1/λ_i(Ⅰ)，λ_p表示泵浦光的波长，λ_s表示信号光的波长，λ_i表示闲频光的波长；

n_p/λ_p＝n_s/λ_s+n_i/λ_i(Ⅱ)，n_p分别为泵浦光的折射率，n_s信号光的折射率，n_i闲频光的折射率；

由公式(Ⅰ)和(Ⅱ)得到：λ_i＝(n_i-n_s)λ_p/(n_p-n_s)(Ⅲ)，通过改变温度改变泵浦光、信号光和闲频光的折射率。本发明中，波长调谐是通过改变晶体的极化周期和控制晶体的温度实现的，利用两种方式的结合可实现信号光和闲频光的连续调谐输出。

根据本发明优选的，所述光学超晶格晶体的周期为29μm，所述光学晶体的温度控制在134℃，所述半导体激光器的A工作波长为808nm或980nm；优选的，所述半导体激光器的A工作波长为980nm。既保证了泵浦光具有较高的功率，又保证了光参量振荡具有较高的量子效率；通过该泵浦波长、光学超晶格晶体的周期和温度的共同调控可以实现1710nm和2300nm波长连续调谐输出。

根据本发明优选的，所述光学超晶格晶体是周期极化的铌酸锂晶体(PPLN)、周期极化的磷酸氧钛钾晶体(PPKTP)、周期极化的钽酸锂晶体(PPLT)、周期极化的同成分铌酸锂晶体(PPCLN)和周期极化的同成分钽酸锂晶体(PPCLT)中的任一种。

根据本发明优选的，所述光参量振荡器还包括半导体激光器B和准直聚焦系统B，所述谐振腔还包括45°谐波镜A；所述半导体激光器B、准直聚焦系统B、45°谐波镜A、非线性光学晶体依次沿光路设置，45°谐波镜A与光路呈45°夹角，所述激光输出镜设置在所述45°谐波镜A的一侧，且所述激光输出镜与光路垂直，所述半导体激光器B的工作波长为800-1000nm；优选的，所述半导体激光器B的工作波长为808nm或980nm。

半导体激光器A输出的泵浦光经过所述准直聚焦系统A的准直后，泵浦光入射到所述谐振腔中，泵浦光经过所述激光输入镜后入射到所述非线性光学晶体上，对所述非线性光学晶体进行泵浦；同时半导体激光器B输出的泵浦光经过所述准直聚焦系统B的准直后，泵浦光入射到所述谐振腔中，泵浦光经过所述经45°谐波镜A后入射到所述非线性光学晶体上，45°谐波镜A对泵浦光高透振荡光(信号光和闲频光)高反，半导体激光器A和半导体激光器B同时对所述非线性光学晶体进行泵浦在谐振腔内形成光振荡，产生信号光和闲频光，并由激光输出镜耦合输出，滤波片滤掉其他波长的激光，输出1710nm和2300nm波长的激光。采用双端泵浦结构可以缓解非线性晶体的热效应，提高转化效率和输出功率。45°谐波镜A对泵浦光高透，对信号光和闲频光高反，通过45°谐波镜A和激光输出镜的配合，可以优化腔内振荡光斑的大小，实现泵浦光和振荡光的模式匹配，提高输出的1710nm和2300nm激光的光束质量。

根据本发明优选的，所述谐振腔中还包括45°谐波镜B，所述45°谐波镜B设置在所述准直聚焦系统A与所述非线性光学晶体之间，且所述45°谐波镜B与光路呈45°夹角；所述激光输入镜设置在所述45°谐波镜B的一侧，且所述激光输入镜与光路垂直。

半导体激光器A输出的泵浦光经过所述准直聚焦系统A的准直后，泵浦光入射到所述谐振腔中，泵浦光经过所述45°谐波镜B后入射到所述非线性光学晶体上，对所述非线性光学晶体进行泵浦；同时半导体激光器B输出的泵浦光经过所述准直聚焦系统B的准直后，泵浦光入射到所述谐振腔中，泵浦光经过所述经45°谐波镜A后入射到所述非线性光学晶体上，45°谐波镜B对泵浦光高透振荡光(信号光和闲频光)高反，这样半导体激光器A和B同时对所述非线性光学晶体进行泵浦在谐振腔内形成光振荡，产生信号光和闲频光，并由激光输出镜耦合输出。45°谐波镜B对泵浦光高透，对信号光和闲频光高反，通过45°谐波镜B和激光输入镜的配合，可以优化腔内振荡光斑的大小，实现泵浦光和振荡光的模式匹配，提高输出的1710nm和2300nm激光的光束质量。

根据本发明优选的，所述激光输入镜和激光输出镜的材料为氟化钙晶体、中红外石英或ZnSe晶体。氟化钙晶体、中红外石英和ZnSe晶体对位于中红外波段的2300nm和1700nm闲频光具有透过的效果，实现谐振腔的正反馈和选模的作用。

根据本发明优选的，所述滤波片和光路的角度a满足：10°＜a＜45°。

根据本发明优选的，所述激光输入镜和激光输出镜上镀有介质膜，所述激光输入镜镀有泵浦光增透膜、1710nm和2300nm波长的高反射膜，所述激光输出镜上镀有1710nm和2300nm波长的部分透射膜。

根据本发明优选的，所述半导体激光器A、半导体激光器B的输出方式均为自由空间直接输出、光纤耦合输出、堆阵输出和线阵输出方式中的一种。

根据本发明优选的，所述准直聚焦系统A、准直聚焦系统B均包括两个透镜和波导元件，两个透镜相对平行设置，所述波导元件设置在两个透镜之间。当半导体的激光器的输出方式为堆阵或线阵输出方式时，波导元件可以使泵浦光更加均匀。

本发明的有益效果为：

1)本发明通过半导体激光泵浦光学超晶格晶体，将成熟的800-1000nm的半导体激光转换成透明或白色塑料吸收较大的1710nm和2300nm波段，并实现1710nm和2300nm同时输出的光参量振荡器，效率高，光束质量好。

2)本发明可以实现1710nm和2300nm激光同时输出，可以大大提高透明或白色塑料材料的吸收效率。

3)可以通过调节光学超晶格晶体的周期和温度可实现信号光和闲频光连续调谐输出，从而可以针对不同的塑料材料选择不同的波长输出。

4)目前实现1710nm和2300nm同时输出的光参量振荡器还未见报道，通过优化光参量振荡器谐振腔结构，实现高功率(>50W)、高效率、高光束质量(M²<1.5)的1710nm和2300nm激光同时输出，满足透明或白色塑料激光焊接的要求。

附图说明

图1常用塑料的吸收透过谱线；

图2为本发明的实施例1所提供的光参量振荡器的结构示意图；

图3为本发明的实施例3所提供的光参量振荡器的结构示意图；

图4为本发明的实施例4所提供的光参量振荡器的结构示意图；

1、半导体激光器A，2、准直聚焦系统A，3、激光输入镜，4、非线性光学晶体，5、激光输出镜，6、滤波片，7、45°谐波镜A，8、准直聚焦系统B，9、半导体激光器B，10、45°谐波镜B。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1

一种用于透明或白色塑料焊接的光参量振荡器，如图2所示，包括沿光路依次设置的半导体激光器A1、准直聚焦系统A2、谐振腔和滤波片6；谐振腔包括激光输入镜3、非线性光学晶体4和激光输出镜5；

本实施例中，光学超晶格晶体的周期为29μm，光学超晶格晶体的温度控制在134℃，半导体激光器的A工作波长为980nm。

光学超晶格晶体是周期极化的磷酸氧钛钾晶体(PPKTP)。

半导体激光器A1输出的泵浦光经过准直聚焦系统A2的准直后，泵浦光入射到谐振腔中，泵浦光经过激光输入镜3后入射到非线性光学晶体4上，对非线性光学晶体4进行泵浦，在谐振腔内形成光振荡，产生信号光和闲频光，并由激光输出镜5耦合输出；滤波片6滤掉其他波长的激光，输出1710nm和2300nm波长的激光。

本发明提供的光参量振荡器的工作原理：光参量振荡器将入射的频率为ω_p的泵浦光，通过非线性光学晶体4的二阶非线性光学作用，转换为两个频率较低的输出光(信号光ω_s和闲频光ω_i)，两个输出光的频率之和等于入射光频率：ω_p＝ω_s+ω_i。在非线性光学晶体4中，泵浦光、信号光和闲频光相互重合，三波相互作用导致信号光和闲频光在谐振腔中振荡并不断放大，当增益大于损耗时便会输出信号光和闲频光。

在准位相匹配当中，三波耦合过程产生的位相失配量由极化产生的倒格矢来补偿，即：Δk＝k_p-k_s-k_i＝2π/Λ，Λ表示光学超晶格晶体的周期，k_p为泵浦光波矢、k_s为信号光波矢，k_i为闲频光波矢，Δk为泵浦光与信号光、闲频光波矢失配量；通过设计对应泵浦光的波长及光学超晶格晶体的周期，通过电场极化补偿晶体性质产生的失配量，可实现1710nm和2300nm波长的参量光输出；

在满足相位匹配的过程中必须要满足三波的能量守恒和动量守恒，即：

1/λ_p＝1/λ_s+1/λ_i(Ⅰ)，λ_p表示泵浦光的波长，λ_s表示信号光的波长，λ_i表示闲频光的波长；

n_p/λ_p＝n_s/λ_s+n_i/λ_i(Ⅱ)，n_p分别为泵浦光的折射率，n_s信号光的折射率，n_i闲频光的折射率；

由公式(Ⅰ)和(Ⅱ)得到：λ_i＝(n_i-n_s)λ_p/(n_p-n_s)(Ⅲ)，通过改变温度改变泵浦光、信号光和闲频光的折射率。本发明中，波长调谐是通过改变晶体的极化周期和控制晶体的温度实现的，利用两种方式的结合可实现信号光和闲频光的连续调谐输出。

光学超晶格晶体放置在温控炉中，温控炉是本发明中用来控制/调节非线性光学晶体4温度的装置，通过控制温控炉的电流控制晶体的温度；同时也作为非线性光学晶体4的夹具，温控炉在图中并未表示出。

通过温度改变光波折射率来实现波长调谐的方式被广泛应用于各种位相匹配中，光学超晶格晶体的薄片结构使温度调谐更简单易得。本发明中，波长调谐是通过改变晶体的极化周期和控制晶体的温度实现的，利用两种方式的结合可实现信号光和闲频光波长连续调谐输出。

激光输入镜3和激光输出镜5的材料为氟化钙晶体。氟化钙晶体对位于中红外波段的2300nm和1700nm闲频光具有透过的效果，实现谐振腔的正反馈和选模的作用。

滤波片6和光路的角度a为15°。

激光输入镜3和激光输出镜5上镀有介质膜，激光输入镜3镀有泵浦光增透膜、1710nm和2300nm波长的高反射膜，激光输出镜5上镀有1710nm和2300nm波长的部分透射膜。

半导体激光器A1的输出方式为自由空间直接输出。

实施例2

根据实施例1所提供的一种用于透明或白色塑料焊接的光参量振荡器，区别之处在于：

在本实例中，半导体激光器A1的工作波长为808nm，半导体激光器A1的输出方式为光纤耦合输出，滤波片6和光路的角度a满足30°。

激光输入镜3和激光输出镜5的材料为中红外石英。中红外石英对位于中红外波段的2300nm和1700nm闲频光具有透过的效果，实现谐振腔的正反馈和选模的作用。

本实施例中，非线性光学晶体4为周期极化的铌酸锂晶体(PPLN)，非线性光学晶体4的周期为20μm，非线性光学晶体4的温度控制在200℃。

本实例可以通过调节PPLN晶体的温度，可以实现单谐振，只有闲频光2300nm波段在腔内振荡，输出2300nm波长。

实施例3

根据实施例1所提供的一种用于透明或白色塑料焊接的光参量振荡器，区别之处在于：

如图3所示，光参量振荡器还包括半导体激光器B9和准直聚焦系统B8，谐振腔还包括45°谐波镜A7；半导体激光器B9、准直聚焦系统B8、45°谐波镜A7、非线性光学晶体4依次沿光路设置，45°谐波镜A7与光路呈45°夹角，激光输出镜5设置在45°谐波镜A7的一侧，且激光输出镜5与光路垂直，半导体激光器B9的工作波长为808nm。

光学超晶格晶体是周期极化的钽酸锂晶体(PPLT)。

半导体激光器A1输出的泵浦光经过准直聚焦系统A2的准直后，泵浦光入射到谐振腔中，泵浦光经过激光输入镜3后入射到非线性光学晶体4上，对非线性光学晶体4进行泵浦；同时半导体激光器B9输出的泵浦光经过准直聚焦系统B8的准直后，泵浦光入射到谐振腔中，泵浦光经过经45°谐波镜A7后入射到非线性光学晶体4上，45°谐波镜A7对泵浦光高透振荡光(信号光和闲频光)高反，半导体激光器A1和半导体激光器B9同时对非线性光学晶体4进行泵浦在谐振腔内形成光振荡，产生信号光和闲频光，并由激光输出镜5耦合输出，滤波片6滤掉其他波长的激光，输出1710nm和2300nm波长的激光。采用双端泵浦结构可以缓解非线性晶体的热效应，提高转化效率和输出功率。45°谐波镜A7对泵浦光高透，对信号光和闲频光高反，通过45°谐波镜A7和激光输出镜5的配合，可以优化腔内振荡光斑的大小，实现泵浦光和振荡光的模式匹配，提高输出的1710nm和2300nm激光的光束质量。

滤波片6和光路的角度a满足45°。

激光输入镜3和激光输出镜5的材料为ZnSe晶体。ZnSe晶体对位于中红外波段的2300nm和1700nm闲频光具有透过的效果，实现谐振腔的正反馈和选模的作用。

半导体的激光器B9的输出方式为堆阵输出方式。

准直聚焦系统A2、准直聚焦系统B8均包括两个透镜和波导元件，两个透镜相对平行设置，波导元件设置在两个透镜之间，波导元件可以使泵浦光更加均匀。

实施例4

根据实施例3所提供的一种用于透明或白色塑料焊接的光参量振荡器，区别之处在于：

如图4所示，光学超晶格晶体是周期极化的同成分铌酸锂晶体(PPCLN)，光学超晶格晶体的周期为20μm，光学超晶格晶体的温度控制在50℃。

半导体激光器B9的工作波长为980nm，半导体的激光器B的输出方式为线阵输出方式。

谐振腔中还包括45°谐波镜B10，45°谐波镜B10设置在准直聚焦系统A2与非线性光学晶体4之间，且45°谐波镜B10与光路呈45°夹角；激光输入镜3设置在45°谐波镜B10的一侧，且激光输入镜3与光路垂直。

半导体激光器A1输出的泵浦光经过准直聚焦系统A2的准直后，泵浦光入射到谐振腔中，泵浦光经过45°谐波镜B10后入射到非线性光学晶体4上，对非线性光学晶体4进行泵浦；同时半导体激光器B9输出的泵浦光经过准直聚焦系统B8的准直后，泵浦光入射到谐振腔中，泵浦光经过经45°谐波镜A7后入射到非线性光学晶体4上，45°谐波镜B10对泵浦光高透振荡光(信号光和闲频光)高反，这样半导体激光器A1和半导体激光器B9同时对非线性光学晶体4进行泵浦在谐振腔内形成光振荡，产生信号光和闲频光，并由激光输出镜5耦合输出。45°谐波镜B10对泵浦光高透，对信号光和闲频光高反，通过45°谐波镜B10和激光输入镜3的配合，可以优化腔内振荡光斑的大小，实现泵浦光和振荡光的模式匹配，提高输出的1710nm和2300nm激光的光束质量。

实施例5

根据实施例1所提供的一种用于透明或白色塑料焊接的光参量振荡器，区别之处在于：光学超晶格晶体是周期极化的同成分钽酸锂晶体(PPCLT)。