在線監(jiān)測激光晶體應(yīng)變的焊接系統(tǒng)及其在線監(jiān)測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了在線監(jiān)測激光晶體應(yīng)變的焊接系統(tǒng)及其在線監(jiān)測方法，該焊接系統(tǒng)包括晶體焊接腔和在線監(jiān)測系統(tǒng)，所述晶體焊接腔用于焊接晶體焊接腔內(nèi)的激光晶體；所述在線監(jiān)測系統(tǒng)用于向所述激光晶體發(fā)射探測激光束，并根據(jù)接收到的通過激光晶體的探測激光束的狀態(tài)（包括波前、位置和偏振態(tài)），監(jiān)測激光晶體在焊接過程中的應(yīng)變。該激光晶體焊接在線監(jiān)測方法，包括以下步驟：1）向焊接過程中的激光晶體發(fā)射探測激光束；2）根據(jù)接收到的通過激光晶體的探測激光束的狀態(tài)，在線實時監(jiān)測激光晶體在焊接過程中的應(yīng)變。本發(fā)明可實現(xiàn)晶體焊接全過程的實時監(jiān)測，對焊接過程和改進焊接工藝提供了依據(jù)，并可提高晶體焊接成品率。
【專利說明】在線監(jiān)測激光晶體應(yīng)變的焊接系統(tǒng)及其在線監(jiān)測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及全固態(tài)激光器，特別是一種全固態(tài)激光器中用于焊接激光晶體與熱沉的具有在線監(jiān)測晶體應(yīng)變功能的激光晶體焊接系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]全固態(tài)激光器(半導(dǎo)體激光泵浦的固體激光器,簡稱DPL)具有體積小、壽命長、效率高、光束質(zhì)量高、穩(wěn)定性好、可靠性高、維護方便及電驅(qū)動無污染等優(yōu)點，是一個很重要的發(fā)展方向。激光器中的晶體采用與熱沉焊接的方法獲得較好的冷卻效果，從而實現(xiàn)高功率激光輸出。焊接效果的好壞直接影響了激光器的光束質(zhì)量。焊接過程中加熱速率、降溫速率和爐內(nèi)氣壓等因素都可能使晶體產(chǎn)生應(yīng)變，應(yīng)變帶來的微形變導(dǎo)致激光器光束質(zhì)量惡化。因此，通過焊接過程的晶體應(yīng)變變化，可以改進焊接工藝，改善晶體焊接效果，實現(xiàn)實時在線反饋控制焊接過程。
[0003]現(xiàn)今，多采用焊后檢測的方法來評價焊后晶體的應(yīng)變，如焊后使用波前分析儀檢測激光通過晶體的波前、使用偏振態(tài)分析儀檢測激光通過晶體的偏振態(tài)，使用干涉儀檢測晶體的端面等方法，通過與焊前晶體的測試結(jié)果相比較，得到晶體焊后應(yīng)變情況。這些方法雖然直接的反應(yīng)焊接效果，但無法分析焊接步驟中哪些工藝過程增大了晶體的應(yīng)變。也無法在焊接晶體時通過在線監(jiān)控實時改變參數(shù)，提高焊接晶體成品率。
[0004]為了分析晶體在焊接過程中由于外部不均勻的熱載荷、晶體卡具裝卡壓力和氣壓的作用下產(chǎn)生的應(yīng)變，需要在焊接過程中在線監(jiān)測何時晶體產(chǎn)生的應(yīng)變，從而實時反饋控制焊接過程，改進焊接工藝，提高晶體的焊接質(zhì)量和成品率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的之一在于提供一種能夠在線監(jiān)測激光晶體應(yīng)變的焊接系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用通過晶體的激光光斑的變化在線監(jiān)測焊接過程。本發(fā)明的另一目的在于提供一種上述焊接系統(tǒng)的在線監(jiān)測方法。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的在線監(jiān)測激光晶體應(yīng)變的焊接系統(tǒng)，包括晶體焊接腔和在線監(jiān)測系統(tǒng)，所述晶體焊接腔用于焊接晶體焊接腔內(nèi)的激光晶體；所述在線監(jiān)測系統(tǒng)用于向所述激光晶體發(fā)射探測激光束，并根據(jù)接收到的通過激光晶體的探測激光束的狀態(tài)，監(jiān)測激光晶體在焊接過程中的應(yīng)變。
[0007]進一步，所述在線監(jiān)測系統(tǒng)包括探測激光源、光束準直整形裝置、衰減縮束裝置和探測裝置，所述探測激光源用于發(fā)射所述探測激光束；所述光束準直整形裝置用于對探測激光束進行整形并向所述真空焊接腔輸出整形光束；所述衰減縮束裝置用于對通過激光晶體的探測激光束進行處理后輸出至所述探測裝置；探測裝置用于監(jiān)測通過激光晶體的探測激光束的波前變化、光斑位置變化或偏振態(tài)的變化。
[0008]進一步，所述探測激光源為氣體激光器或固體激光器。
[0009]進一步，所述晶體焊接腔上設(shè)置有用于所述探測激光束輸入至晶體焊接腔內(nèi)的輸入光通光窗和用于將通過激光晶體后的探測激光束向晶體焊接腔外輸出的輸出光通光窗；晶體焊接腔內(nèi)設(shè)置有用于調(diào)整光束輸出方向的反射鏡，可使探測激光束射入焊接過程中的激光晶體。
[0010]進一步,所述輸入光通光窗和輸出光通光窗的材質(zhì)為激光高透材料。
[0011]進一步，所述激光晶體可以為晶體圓棒、晶體板條或晶體盤片。
[0012]進一步，所述探測裝置為波前分析儀、光斑位置分析儀、偏振態(tài)分析儀中的任一種。
[0013]進一步，所述探測激光束的狀態(tài)包括激光束的波前、激光束的光斑位置和激光束的偏振態(tài)。
[0014]本發(fā)明的激光晶體焊接在線監(jiān)測方法，包括以下步驟:1)向焊接過程中的激光晶體發(fā)射探測激光束；2)根據(jù)接收到的通過激光晶體的探測激光束的狀態(tài)，監(jiān)測激光晶體在焊接過程中的應(yīng)變。
[0015]進一步，步驟2)之后還包括步驟3):調(diào)整激光晶體焊接的工作參數(shù)，根據(jù)監(jiān)測工作參數(shù)調(diào)整前后的探測激光束的狀態(tài)變化，控制激光晶體焊接的工作參數(shù)以減小激光晶體在焊接過程中的應(yīng)變。
[0016]進一步，激光晶體焊接的工作參數(shù)包括晶體焊接腔的加熱、降溫速率和腔內(nèi)氣壓。
[0017]本發(fā)明可以對激光晶體的焊接過程進行在線實時監(jiān)測，能夠根據(jù)監(jiān)測的結(jié)果判斷焊接過程中哪些工藝參數(shù)增大了晶體的應(yīng)變，為改進激光晶體焊接工藝提供了依據(jù)。也可在焊接晶體時通過在線監(jiān)控實時改變參數(shù)，提高焊接晶體成品率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明的焊接系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖2為本發(fā)明實例I的示意圖；
[0020]圖3為本發(fā)明實例2的示意圖；
[0021]圖4為本發(fā)明實例3的示意圖；
[0022]圖5為本發(fā)明實例4的示意圖；
[0023]
[0024]圖中主要部件的文字說明:1-激光源；2_光學(xué)準直整形裝置；3_真空焊接爐腔；4-激光晶體；5_衰減縮束裝置；6_探測裝置；8_反射鏡；91、92_真空焊接腔通光窗；81_起偏偏振片；82_檢偏偏振片。
【具體實施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不是限制本發(fā)明的范圍。
[0026]如圖1所示，本發(fā)明的激光晶體焊接系統(tǒng)，包括激光源1、光束準直整形裝置2、真空焊接腔3、衰減縮束裝置5和探測裝置6。在晶體焊接過程中激光源I輸出一束穩(wěn)定的激光光束，激光光束通過光束準直整形裝置2整形后輸出一光斑尺寸略小于晶體通光口徑的光束，光束通過真空焊接腔的通光窗91進入真空焊接腔3內(nèi)，通過腔內(nèi)反射鏡8將光束引入激光晶體4，光束通過激光晶體4，由反射鏡8和真空焊接腔的通光窗92引出真空焊接腔3，經(jīng)過衰減縮束裝置5后進入探測裝置6，探測裝置6得到探測激光源的狀態(tài)，根據(jù)探測激光源的前后狀態(tài)就可以判斷激光晶體4的應(yīng)變。在焊接過程中調(diào)整真空焊接腔的加熱、降溫速率和腔內(nèi)氣壓等參數(shù)，就可以監(jiān)測工作參數(shù)改變前后激光晶體4的應(yīng)變，進而可以判斷出哪些工藝參數(shù)的變化增大了晶體的應(yīng)變。
[0027]—般激光晶體4的形狀為長方形、平行四邊形或圓棒形。在對晶體焊接過程進行監(jiān)測時，根據(jù)晶體的形狀不同，需要調(diào)整反射鏡的位置和角度使光束可以按順序依次通過上述設(shè)備。輸入光通光窗和輸出光通光窗的材質(zhì)為激光高透材料。激光晶體可選擇地為晶體圓棒、晶體板條或晶體盤片。探測激光源I可選擇地為氣體激光器、固體激光器或半導(dǎo)體激光器。探測裝置6可選擇地為波前分析儀、光斑位置分析儀或偏振態(tài)分析儀。
[0028]實施例1
[0029]如圖2所示，Nd:YAG平行四邊形晶體板條與熱沉單面焊接時的在線監(jiān)測。激光晶體為晶體板條41，晶體板條41通光面20 X 2mm。激光源采用氦氖激光源11，輸出波長為632.8nm單模激光光束，光束通過光束準直整形裝置2輸出光斑形狀尺寸為18 X 1.8_，光束通過焊接腔的通光窗91進入焊接腔3內(nèi)，光束通過腔內(nèi)的晶體板條41后從通光窗92射出腔外，經(jīng)過衰減縮束裝置5后進入波前分析儀61，波前分析儀61實時監(jiān)測光束的波前變化。通光窗91、92的材料為石英玻璃，石英玻璃表面需要達到:石英表面鍍632.8nm高透膜，透過率≤99% ;直徑≤50_，平行度≤30"，粗糙度≤Inm ;平面度≤λ /20632.8nm ;光潔度< 60/40。根據(jù)波前分析儀61實時監(jiān)測的波前變化，再根據(jù)波前變化與晶體應(yīng)變關(guān)系調(diào)整焊接爐的加熱、降溫速率，爐內(nèi)氣壓等參數(shù)。
[0030]實施例2
[0031 ] 如圖3所示，Nd : YAG晶體圓棒與熱沉焊接時的在線監(jiān)測。激光晶體為晶體圓棒42，晶體圓棒42通光面Φ6πιπι。激光源采用氦氖激光源11，輸出波長為632.8nm單模激光光束，光束通過光束準直整形裝置2輸出光斑形狀尺寸為Φ5_，光束通過焊接腔的通光窗91進入焊接腔3內(nèi)，光束通過腔內(nèi)的晶體圓棒42后從通光窗92射出腔外，經(jīng)過衰減縮束裝置5后進入光斑位置分析儀62，光斑位置分析儀62實時監(jiān)測光束的光斑位置變化。通光窗91、92的材料為PC樹脂材料，PC樹脂材料表面需要達到:PC樹脂材料表面鍍632.8nm高透膜，透過率≤99% ;直徑≤50mm，平行度≤30"，粗糙度≤Inm ;平面度≤λ /20632.8nm ;光潔度(60/40。根據(jù)光斑位置分析儀62實時監(jiān)測的光斑位置變化，再根據(jù)光斑位置變化與晶體應(yīng)變關(guān)系調(diào)整焊接爐的加熱、降溫速率，爐內(nèi)氣壓等參數(shù)。
[0032]實施例3
[0033]如圖4所示，Yb: YAG矩形晶體板條與熱沉雙面焊接時的在線監(jiān)測。Yb: YAG晶體板條與熱沉單面焊接時的在線監(jiān)測。激光晶體為晶體板條43，晶體板條43通光面1X 1mm，通光面平行。激光源采用LD激光光源13，輸出波長為637nm單模激光光束，平行光束通過光束準直整形裝置2輸出光斑形狀尺寸為9X0.8mm,光束通過一個起偏偏振片81后由焊接腔的通光窗91進入焊接腔3內(nèi)，光束通過腔內(nèi)的晶體板條43后從通光窗92射出腔外，經(jīng)過檢偏偏振片82和衰減縮束裝置5后進入偏振態(tài)分析儀63，偏振態(tài)分析儀63實時監(jiān)測光束的偏振態(tài)的變化。通光窗91、92的材料為PC樹脂材料，PC樹脂材料表面需要達到:PC樹脂材料表面鍍637nm高透膜，透過率≤99% ;直徑≤50mm，平行度≤30"，粗糙度≤Inm ；平面度< λ /20632.8nm ;光潔度< 60/40。根據(jù)偏振態(tài)分析儀63實時監(jiān)測的光束偏振態(tài)的變化，根據(jù)光斑位置變化與晶體應(yīng)變關(guān)系調(diào)整焊接爐的加熱、降溫速率，爐內(nèi)氣壓等參數(shù)。
[0034]實施例4
[0035]如圖5所示，Nd:YAG矩形晶體盤片與熱沉單面焊接時的在線監(jiān)測。激光晶體為晶體盤片44,晶體盤片通光面Φ30ι?πι。激光源采用1064nm激光光源14,輸出波長為1064nm單模激光光束，平行光束通過光束準直整形裝置2輸出光斑形狀尺寸為Φ10_，光束通過焊接腔的通光窗91進入焊接腔3內(nèi)，光束被腔內(nèi)的晶體盤片44反射后從通光窗92射出腔外，經(jīng)過衰減縮束裝置5后進入波前分析儀61，波前分析儀61實時監(jiān)測光束的波前變化。通光窗9的材料為石英玻璃材料，石英玻璃材料表面需要達到:石英表面鍍1064nm高透膜，透過率≥99% ;直徑≥50mm，平行度≤30"，粗糙度≤Inm ;平面度≤λ /20632.8nm ;光潔度≤60/40。根據(jù)波前分析儀61實時監(jiān)測的波前變化，再根據(jù)波前變化與晶體應(yīng)變關(guān)系數(shù)據(jù)調(diào)整焊接爐的加熱、降溫速率，爐內(nèi)氣壓等參數(shù)。
【權(quán)利要求】
1.在線監(jiān)測激光晶體應(yīng)變的焊接系統(tǒng)，其特征在于，包括晶體焊接腔和在線監(jiān)測系統(tǒng)，所述晶體焊接腔用于焊接晶體焊接腔內(nèi)的激光晶體；所述在線監(jiān)測系統(tǒng)用于向所述激光晶體發(fā)射探測激光束，并根據(jù)接收到的通過激光晶體的探測激光束狀態(tài)，在線實時監(jiān)測激光晶體在焊接過程中的應(yīng)變。
2.如權(quán)利要求1所述的焊接系統(tǒng)，其特征在于，所述在線監(jiān)測系統(tǒng)包括探測激光源、光束準直整形裝置、衰減縮束裝置和探測裝置，所述探測激光源用于發(fā)射所述探測激光束；所述光束準直整形裝置用于對探測激光束進行整形并向所述真空焊接腔輸出整形光束；所述衰減縮束裝置用于對通過激光晶體的探測激光束進行處理后輸出至所述探測裝置；探測裝置用于監(jiān)測通過激光晶體的探測激光束的波前變化、光斑位置變化或偏振態(tài)的變化。
3.如權(quán)利要求2所述的焊接系統(tǒng)，其特征在于，所述探測激光源為氣體激光器或固體激光器。
4.如權(quán)利要求1所述的焊接系統(tǒng)，其特征在于，所述晶體焊接腔上設(shè)置有用于所述探測激光束輸入至晶體焊接腔內(nèi)的輸入光通光窗和用于將通過激光晶體后的探測激光束向晶體焊接腔外輸出的輸出光通光窗；晶體焊接腔內(nèi)設(shè)置有用于調(diào)整光束輸出方向的反射鏡，可使探測激光束射入焊接過程中的激光晶體。
5.如權(quán)利要求4所述的焊接系統(tǒng),其特征在于，所述輸入光通光窗和輸出光通光窗的材質(zhì)為激光高透材料。
6.如權(quán)利要求1所述的焊接系統(tǒng)，其特征在于，所述探測裝置為波前分析儀、光斑位置分析儀、偏振態(tài)分析儀中的任一種。
7.如權(quán)利要求1所述的焊接系統(tǒng)，其特征在于，所述激光晶體為晶體圓棒、晶體板條或晶體盤片。
8.一種采用如權(quán)利要求1-7任一項所述的焊接系統(tǒng)對激光晶體焊接進行在線監(jiān)測的方法，包括以下步驟:1)向焊接過程中的激光晶體發(fā)射探測激光束；2)根據(jù)接收到通過激光晶體的探測激光束的狀態(tài)，在線實時監(jiān)測激光晶體在焊接過程中的應(yīng)變。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，步驟2)之后還包括步驟3):調(diào)整激光晶體焊接的工作參數(shù)，根據(jù)監(jiān)測工作參數(shù)調(diào)整前后的探測激光束的狀態(tài)變化，控制激光晶體焊接的工作參數(shù)以減小激光晶體在焊接過程中的應(yīng)變。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，激光晶體焊接的工作參數(shù)包括晶體焊接腔的加熱、降溫速率、晶體卡具裝夾壓力和腔內(nèi)氣壓。
【文檔編號】B23K26/21GK104028891SQ201310069877
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2013年3月6日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月6日
【發(fā)明者】高宏偉, 林延勇, 彭欽軍, 郭亞丁, 宗楠, 徐一汀, 許家林, 薄勇, 許祖彥 申請人:中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所