CN101007368A

CN101007368A - 激光束加工设备

Info

Publication number: CN101007368A
Application number: CNA2007100879593A
Authority: CN
Inventors: 松田恭; 岛田秀宽; 赤城正幸
Original assignee: Miyachi Technos Corp
Current assignee: Miyachi Technos Corp
Priority date: 2006-01-17
Filing date: 2007-01-17
Publication date: 2007-08-01
Anticipated expiration: 2027-01-17
Also published as: JP2007190560A; EP1808261A2; KR20070076498A; US20090071948A1; US7489711B2; EP1808261A3; US20070164005A1; US7822079B2; CN101007368B; EP1808261B1

Abstract

一种激光束加工设备，包括有光纤激光振荡器、激光束分光单元、激光束射入单元、光纤传输系统、激光束辐射单元、工作台等。以光纤激光振荡器振荡产生的光纤激光束为基础，激光束分支单元将光纤激光同时分成多束激光束。激光束射入单元分别将分支激光束射入到用于传输的光导纤维中，激光束辐射单元将来自于用于传输的光导纤维的分支激光束分别聚光并应用到加工点上。

Description

激光束加工设备

技术领域

本发明一般涉及一种通过向待加工工件辐射激光束来施行所需激光束加工的激光束加工设备，尤其是涉及一种使用多分支和光纤传输模式的激光束加工设备。

背景技术

通常，在诸如激光焊接、激光打标之类的激光加工领域，为了执行多点同步加工或多方位加工，采用下述方案：由一个激光振荡器产生的激光被同时或非同时(以时分间隔的方式)地分支成多个激光束；经过分支的激光束在光纤中分别被传输到待加工的远点；将这些激光束应用于所需的加工点上。

目前为止，YAG激光器被用作实现上述方案的激光振荡器。这种YAG激光器使用涂覆着稀土元素的YAG晶体棒，即所谓的作为激活媒质的YAG棒。通过向YAG棒的侧面或端面施加激励射线来光泵浦(optically pumped)YAG棒中的激活元素。用光学振荡器谐振-放大沿轴向从YAG棒发射出具有预定波长的振荡光束，从而获得YAG激光束。用分光镜将YAG激光器中振荡输出的YAG激光束同时分成多个分支光束，或者用多个支路中的可动光镜转换光路以实现非同时分支(时分间隔)。如上所述得到的每一支路光束由导入光学系统聚焦并导入到传输光纤的端面上，经传输光纤传播，从设置在远加工点的辐射单元中的传输光纤的另一端面中出来，并由辐射单元的辐射光学系统聚焦并施加在待加工工件的加工位置上。例如，在激光焊接中，YAG激光束的能量熔化两层金属板上的加工点，在施加了激光束后，熔化部分凝固，形成焊点熔核。

但是，对于上述传统激光束加工设备来说，由于YAG激光器振荡输出(oscillation-outputted)的YAG激光束质量不是很好，因此多分支激光束以及光纤传输的精度和效率很低，从而多点同时加工和多位置加工的质量有待提高。也就是说，YAG激光束的光束发散角非常大，所述在多分支光学系统和光纤传输系统中不能忽略该因素，此外，由于YAG棒的热透镜效应，光束发射角和束流模式(特别是横向模式)都会改变。因此，出现诸如光束聚光性差、分支激光束能量分配比的精确控制较为困难等问题。这些问题影响了可加工性。

发明内容

考虑到上述问题，构思了本发明，目的在于提供一种多分支和光纤传输模式的激光束加工设备，通过改善激光束的聚光程度、束流模式的稳定性、能量分配比以及光纤传输光学系统的数字孔径，来提高多点同时加工和多位置加工的质量。

为了达到上述目的，根据本发明的主要方面，提供了一种激光束加工设备，该设备包括：光纤激光振荡器，其具有这样的光导纤维构造，即，该光导纤维构造适于采用含有发射元件的芯部作为激活媒质，并且适于利用预定的激励束(a predetermined excitation beam)通过激发芯部来振荡并输出(oscillate and output)具有预定波长的原始激光束；激光束分光单元，它使光纤激光振荡器输出的原始激光束同时或非同时地分成多束激光束；激光束射入单元，它把由激光束分光单元得到的多束激光束射入到用于传输的光导纤维的端面；激光束辐射单元，它把经用于传输的光导纤维传输后从另一端面出来的多束激光聚光并应用。

基于由光导纤维结构的光纤激光振荡器所振荡输出的光纤激光束，在上述构造中：激光束分光单元执行将一束光纤激光束分成多束分支激光束的同时多分支或非同时(时分间隔)分支；激光束射入单元将经过分光的激光束分别射入到传输光导纤维；激光束辐射单元将来自传输光导纤维的多束激光束分别聚光并应用到加工点上。每一束激光的束径小、光束发射角小，所以光束模式和光束偏振分布就比较稳定。因此，可以按照能量分配比、光会聚性、射入和辐射的数字孔径(NAs)等获得预定的激光特性，从而提高多分支和光传输结构的加工质量。

根据本发明的优选方面，光纤激光振荡器包括光泵浦单元，所述光泵浦单元将激励束射入到用于振荡的光导纤维的一个端面或两个端面。光泵浦单元优选包括能发射激励束的激光二极管，以及能把激光二极管发射出的激励束聚光到用于振荡的光导纤维端面上的光学透镜。

根据另一优选方面，激光束分光单元设有一个或多个分光镜，每个分光镜相对于光纤激光振荡器产生的原始激光束的波长都具有理想的反射系数和传输系数，每个分光镜以预定间隔设在原始激光束的光轴上，激光束分光单元产生从每一从分光镜得到的作为分支激光束的反射光束。优选的是，在每个分光镜上都形成有涂层，其相对于原始激光束的波长，涂层中预定方向的反射系数和传输系数产生无缝变化。

根据又一优选方面，激光束辐射单元设有扫描光学系统，该扫描光学系统扫描从用于传输的光导纤维另一个端面发出的分支激光束。这样的扫描形式在激光标记等加工中很有帮助。

根据本发明的激光束加工设备，由于采用了以上的结构和操作方式，激光束的多分支激光和光纤传输结构、激光的聚光、光束模式、能量分配比、数字孔径等都能够得以提高，由此多点同时加工和多位置加工的质量也都得到了提高。

附图说明

通过参照附图对本发明进行以下详细描述，将会更直观地了解本发明的上述和其它目的、方面、特征和优点，其中：

图1描述了本发明实施方式中的激光束加工设备的构造；

图2描述了该实施方式中的激光束分光单元的操作；

图3描述了该实施方式中的激光束分光单元的操作；

图4描述了比较实施方式中的激光束分光单元的操作；

图5描述了比较实施方式中的激光束分光单元的操作；

图6描述了另一激光束加工设备的构造。

具体实施方式

参照附图对本发明的优选实施方式进行说明。

图1描述了本发明实施方式中激光束加工设备的构造。激光束加工设备由光纤激光振荡器10、激光束分光单元12、激光束射入单元14、光纤传输系统16、激光束辐射单元18、工作台20等组成。

光纤激光振荡器10具有用于振荡的光导纤维22(以下称为“振荡光纤”)，光电泵浦单元24和一对通过振荡光纤22彼此光学面对的光学谐振镜26和28，其中所述光电泵浦单元24向振荡光纤22的端面上辐射用于光泵浦的激励束(excitation beam)MB。

光电泵浦单元24包括一激光二极管(LD)30和一聚光透镜。来自于激光电源34的激励电流开启并驱动LD30，进而LD30振荡输出用于激励的激光束MB。光学透镜32将来自LD30的用于激励的激光束MB聚光并发射到振荡光纤22端面上。光学谐振镜26设置在LD30和光学透镜32中间，其适于传输从LD30发射出的用于激励的激光束MB，并将振荡光纤22发射出的激励束全反射在谐振器的光轴上。

尽管省略了图示，但振荡光纤22包含一掺有稀土元素的离子用作发光元素的芯部，以及一与芯部共轴的包覆层，该芯部用作激励束的激活介质，包覆层用作激励束的传播光路。如上所述，发射到振荡光纤22端面上的激励束MB在振荡光纤22内沿轴向传播，振荡光纤22被包覆层外圆周界面的全反射限制，并且在传播过程中，通过多次穿越芯部而光激发出芯部中的稀土元素离子。利用这种方法，从芯部的两个端面都能沿轴向发射出具有预定波长的振荡光束。振荡光束在光学谐振镜26和28之间往复数次，借此振荡光束被共振放大，从而从由部分反射镜组成的这对光学谐振镜中的光学谐振镜28处得到了具有预定波长的激光束FB。

在光学谐振器中，光学透镜32和35将从振荡光纤22端面发射出的振荡光束校准成一束平行光束、将该平行光束指引到光学谐振镜26和28上、并将经光学谐振镜26和28反射和返回的振荡光束聚光在振荡光纤22的端面上聚光。穿过振荡光纤22的激励束MB由光学透镜35和光学谐振镜28传播，然后，经由在侧面指向激光吸收器38的返回镜36返回。光学谐振镜28输出的光纤激光束FB直接通过返回镜36传输，并进入激光束分光单元12。

在示例性结构中示出的激光束分光单元12是同步三分支型分光单元，其线性设置三个分光镜40A、40B、40C，这三个镜子在光纤激光振荡器10的光轴延长线上间隔预定的距离，并且以预定的角度(例如45度)倾斜。分别在三个镜子的第一时段和第二时段中，分光镜40A和40B分别包括局部反射/传播光束的镜子或分束镜，在最后时段中，光镜40C包括全反射镜。当分三个支路同时传播的能量分配比选定为1∶1∶1时，第一时段的分束镜40A的分支比选为约33/67，而第二时段的分束镜40B的分支比选为约50/50。

在激光束分光单元12中，从光纤激光振荡器10中发出的光纤激光FB直接在空气中传播进入第一时段的分束镜40A中，一部分光束FB在分束镜40A中沿预定方向反射，其余的光束FB则沿直线传播。通过分束镜40A得到的反射光，也就是第一分支激光束HA，经由激光束射入单元14的第一射入单元42A，进入光纤传输系统16的第一传输光导纤维46A(以下称传输光纤)的端部。

经由第一时段的分束镜40A传输的激光束FB’进入到第二时段的分束镜40B中，一部分激光束FB’在分束镜40B中沿预定方向反射，其余的光束FB’则沿直线传播。通过分束镜40B得到的反射光束，也就是第二分支激光束HB，经由激光束射入单元14的第二射入单元42B，进入光纤传输系统16的第二传输光纤46B的端部。

经由第二时段的分束镜40B传输的激光束FB”在最后时段沿预定方向被全反射镜完全反射，其作为第三分支激光束HC，经由激光束射入单元14的第三射入单元42C，进入光纤传输系统16的第三传输光纤46C的端部。

在激光束射入单元14的射入单元42A、42B、42C中分别设置有聚光镜44A、44B和44C，这些聚光镜把分支激光束HA、HB和HC分别聚光到传输光纤46A、46B和46C的端部。例如，可以用SI(阶跃式折射率)型光纤作为传输光纤46A、46B、46C。

第二、第三传输光纤46A、46B、46C的另外一端或终端分别连接到激光束辐射单元18中的第一、第二、第三辐射单元48A、48B、48C上。在所述的实施方式中，第一、第二、第三辐射单元48A、48B、48C同时将第一、第二、第三分支激光束HA、HB、HC分别聚光并辐射到工作台20上的待加工工件54上的三个加工点W_A、W_B、W_C处，对这三个加工点W_A、W_B、W_C同时进行激光加工。

例如在对三个点同时进行焊接时，由于激光电源34发射到LD30上的激励电流是脉冲波形，因此在光纤激光振荡器10中，激励激光束MB从LD30供给到振荡光纤22，并且具有脉冲波形的光纤激光束FB从光纤激光振荡器10中振荡输出。能量分配比为1∶1∶1时，由激光束分光单元12将具有脉冲波形的光束FB分成三束，这样就从光纤激光束FB处获得了均具有脉冲波形的三束分支激光束HA、HB、HC。这三束分支脉冲激光束HA、HB、HC分别经过：激光束射入单元14的射入单元42A、42B和42C；光纤传输系统16的传输光纤46A、46B、46C；激光辐射单元18中的辐射单元48A、48B、48C，并且被分别聚光、辐射到工作台20上的待加工工件54上的三个加工点W_A、W_B、W_C处。每个加工点W_A、W_B、W_C上的待处理材料在施加激光脉冲结束后受到分支激光束HA、HB、HC的能量而熔化，凝固并形成熔核。

辐射单元48A、48B、48C各自包括：校准透镜50A、50B、50C，它们把从传输光纤46A、46B、46C端面分别输出的分支激光束HA、HB、HC校正成平行光；还包括聚光透镜52A、52B、52C，它们把已经成为平行光束的分支激光束HA、HB和HC分别聚光到加工点W_A、W_B、W_C上。

如上所述，实施例中激光束加工设备发射原始激光束是使用光纤激光振荡器10分光的基础。光纤激光振荡器10将振荡光纤22用作激活介质，该振荡光纤的细长芯部直径约为10μm，长度约为几米，因此能振荡输出小束径、小发散角的光纤激光束FB。另外，射入到振荡光纤22端面的激励束MB多次穿越芯部后完全消耗了激励能，同时光束MB在振荡纤维的22中几米长的光路上传播，因此，光纤激光振荡器10可以以很高的振荡效率产生光纤激光束FB。作为YAG激光激活介质的YAG棒，它的直径一般为4-10mm；长度一般为80-160mm；束径大；光束发散角大；发射到棒材和激活元素的激励束光耦合量小；振荡效率低。

因为振荡光纤22的芯部不产生热透效应，因此光纤激光振荡器10能够产生具有非常稳定的束流模式的光纤激光束FB。由于束流模式稳定，因此光束的偏振分布也是稳定的。这在多分支和光纤传输系统方面也是非常重要的优势。

图2和图3中的实施例给出了激光束分光单元12的操作过程。如图2所示，光纤激光振荡器10(图1)输出的光纤激光束FB的发散角非常小，因此，光束FB按阶段分别进入分光镜40A、40B、40C，其中每个阶段分别具有不同的光路长度或不同的传播距离，以及几乎相同的束径。因此，通过分光镜40A、40B、40C可以得到束径几乎相同的分支激光束HA、HB、HC。从而在激光束射入单元14中，射入单元42A、42B、42C各自的射入光学系统可以被分别设置成距分光镜40A、40B、40C相同的光路长度或距离。因此，使射入光学系统的调整更加容易，并且有利于减少足迹(foot print)。

如图3所示，每一分光镜40A和40B在形成时其表面都镀了覆膜56，该分光镜在预定方向(如图3中箭头所示方向)上的反射系数和传输系数产生无缝变化，每个分光镜的分支比可以通过改变在方向上的入射位置来调节。这种情况下，每个位置上的P-偏振和S-偏振的反射系数和传输系数不总是相同，通常情况是，在反射系数和传输系数中，P-偏振和S-偏振之间会出现不同和偏差，例如，在一预定位置上，当总反射系数为50％时，该位置上的P-偏振的反射系数为30％，而S-偏振的反射系数为60％。因此，由于射入光束的束流模式或束流偏振分布出现波动，当P-偏振和S-偏振的比率变化时，射入位置上的总反射系数也会变化，导致反射束的能量也发生变化。据此，在本实施方式中光纤激光振荡器10输出的光纤激光束FB的束流模式是稳定的，偏振分布也是稳定的，因此射入位置上设置的每一个分光镜40A和40B的总反射系数能保持不变，已经设定了能量分配比的分支激光束HA、HB、HC可以分别在各个时段中从分光镜40A、40B、40C得到。

如上所述，由于每支分支光束HA、HB、HC的发散角小、束流模式稳定，因此，对于在激光束辐射单元18和激光束射入单元14中的传输光纤46A、46B、46C，光束HA、HB、HC的射束会聚性很好，数字孔径(NAs)的射入和辐射也很好(稳定)。因此可以获得高精度、高效的光纤传输。于是，能够将分支光束HA、HB、HC聚光到加工点W_A、W_B、W_C上，其中每个加工点都具有预设的分配能量并位于相同距离；并且能够提高同时多分支激光束加工的质量。

作为比较实施例，图4和图5描述了从YAG激光得到的YAG激光束YB如何进入激光束分光单元12的情形。如图4所示，由于YAG激光束YB的发散角较大，因此当光路变长时，光束YB在每个时段以大束径进入每个光镜40A、40B、40C，从而在各个时段分别从40A、40B、40C得到彼此具有不同束径的分支光束HA、HB、HC。因此，在激光束射入单元14中，必须通过在光路长度或从分光镜40A、40B、40C分别到射入单元42A、42B、42C的射入光学系统的间隔距离中产生较大的差值来校正束径，因此，射入光学系统的调整比较复杂、足迹变大。如图5所示，在不同时段的分光镜40A和40B中，射入激光YB和YB’的束径很大，因此，反射点上的反射系数偏差大到大束径的程度。结果，分支激光束HA和HB的质量降低。通过分光装置40A和40B的分支激光束HC的质量也降低了。由于上述透镜效应引起的束流模式或YAG激光束YB的偏振分布的波动，激光束质量的降低变得更为显著。

尽管来自于加工点W的反射光束可以通过激光束辐射单元18、光纤传输单元16、激光束射入单元14和激光束分光单元12返回到光纤激光谐振器10上，然而可以通过使振荡光纤22的数字孔径(NA)大于传输光纤46的数字孔径(NA)，把返回光束限制在振荡光纤22内，因此，(不用设很大的NA值)可以防止由返回光束引起的振荡光纤22的破损。

尽管已经给出了本发明的上述优选实施例的说明，但本发明不限于上述实施例。在不偏离技术实质和技术范围的情况下，本领域技术人员能够以特定的操作模式对本发明进行各种改进和改变。例如，尽管上述实施例式给出的是同时分三路的形式之一，但可以通过改变每个激光束分光单元12、激光束射入单元14、光纤传输单元16和激光束辐射单元18中的每一个的光学组件或单元的数量，来实施2个或4个甚至更多数量的同时分支的形式。本发明可以应用在非同步(时分间隔)多分支形式的激光束加工设备上。

图6描述了实施例中非同步(时间分隔)多分支形式的激光束加工设备的构造。图6中与上述同步多分支激光束加工设备(图1)相同部分的大部分组件和功能具有相同的参考标记。

例如，图6中的激光束加工设备用来处理激光打标，其在光纤激光振荡器10中具有一个Q开关58。在这种情况下，激光电源34连续开通、驱动LD30，LD30连续泵浦振荡光纤22的芯部(激活媒质)。通过这种方式，在振荡光纤22的芯部产生的具有预定波长的振荡光线在光学谐振器26和28之间被限定并放大。例如，Q开关58可以是一种声-光Q开关。图未示出的控制单元在预定的周期内利用间歇关闭的高频电信号通过Q开关驱动器60来驱动Q开关58。每次高频电信号关闭的时候，光纤激光振荡器10振荡输出具有很高峰值功率的Q开关脉冲或巨脉冲光纤激光束FB。

激光束分光单元12被构造成包括分别处于第一时段和第二时段的分光镜40A和40B中的一个，该分光镜作为一个可移动的全反射镜，它能在激光光轴的第一位置和非激光光轴的第二位置之间的两个方向上移动。在最后时段或终端的镜子40C也是一个全反射镜。

在图示的实施例中，第一时段的全反射镜40A撤退到第二位置，第二时段的全反射镜40B转换到第一位置。此时：第二位置的全反射镜40B将来自光纤激光振荡器10的光纤激光束FB完全反射；这束反射光作为第二分支激光束GB通过第二射入单元42B聚光并射入到第二传输光纤46B的端面上；然后通过传输光纤46B传输到激光束辐射单元18的第二辐射单元48B上。

在此实施例中，第二辐射单元48B提供了一个电扫描器(galvanoscanner)。该扫描仪的一对可动光镜能分别旋转到互相垂直的位置上，在控制单元的控制下，通过与Q开关同步控制两个可动光镜到预定的角度上，从第二传输光纤46B中接收到的Q开关脉冲光纤激光束FB被聚光、辐射到工作台20B上的待加工工件54B的所需打标位置上。

当第一时段中的全反射镜40A转换到第一位置上时：第一位置上的全反射镜40A将来自光纤激光振荡器10的光纤激光束FB完全反射，这束反射光束作为第一分支激光束GA通过第一射入单元42A聚光并射入到第一传输光纤46A的端面上；然后通过传输光纤46A传输到激光束辐射单元18的第一辐射单元48A上。第二辐射单元48B也有一个如上所述的电扫描器，该电扫描器扫描从第一传输光纤46A中接收到的Q开关脉冲光纤激光束FB，并将该光束聚光、辐射到工作台20A上的待加工工件54A的所需打标位置上。

当第一时段中的全反射镜40A和第二时段中的全反射镜40B都退到第二位置时：终端的全反射镜40C将来自光纤激光振荡器10的光纤激光束FB完全反射；这束反射光束作为第三分支激光束GC通过第三射入单元42C聚光并射入到第三传输光纤46C的端面上；然后通过传输光纤46C传输到第三辐射单元48C上。第三辐射单元48C也有一个如上所述的电扫描器，该电扫描器扫描从第三传输光纤46C中接收到的Q开关脉冲光纤激光束FB，并将该光束聚光、辐射到工作台20C上的待加工工件54C的所需打标位置上。

尽管图示的示例性结构是分三个分支的形式之一，但可以通过改变每个激光束分光单元12、激光束射入单元14、光纤传输单元16和激光束辐射单元18的光学组件或单元的数量，实现2个或4个甚至更多数量的分支。

在本实施例中，光线激光谐振器10所产生的Q开关脉冲光纤激光束FB具有小束径、小发散角、稳定的束流模式或稳定的偏振分布的特点，并且在非同步或时间分隔中，可以从光纤激光束FB中得到支路激光束。因此，射入单元42A、42B、42C各自的射入光学系统可以分别设置在距各自的激光束分光单元12的分光镜40A、40B、40C距离相同的位置上，于是，整个光学系统的部件的调整和足迹的减少以及多点加工过程的提高都变得更加容易。

除了上述实施方式外，可以对部件的配置和结构进行各种修改。例如，配置有电扫描器的辐射单元48可以用于激光打标以外的加工(例如激光焊接)。在光纤激光振荡器10中，光电泵浦单元24、光学谐振器26和28、光学透镜32和35等都可以被修改或去掉一部分，也可以采用能实现相同功能或操作的其它部件。例如，尽管上述实施例中应用了一种单面激励的方案，根据这种激励方案，激励激光束EM被施加到振荡光纤22一侧的一个端面上，但是也可以采用一种双面激励的方案，根据这种激励方案，激励激光束能被施加到振荡光纤22两侧的端面上。

Claims

1、一种激光束加工设备，包括：

光纤激光振荡器，其具有这样的光导纤维构造，即，该光导纤维构造采用含有发射元件的芯部作为激活媒质，并且适于利用预定的激励束通过激发芯部来振荡并输出具有预定波长的原始激光束；

激光束分光单元，它使光纤激光振荡器产生的原始激光束同时或非同时分成多束激光束；

激光束射入单元，它把由激光束分光单元得到的分支激光束射入到用于传输的光导纤维的端面；

激光束辐射单元，它把经用于传输的光导纤维传播后从另一端面出来的分支激光束聚光并应用。

2、如权利要求1所述的激光束加工设备，其中，

所述光纤激光振荡器包括激励单元，该激励单元将激励束射入光导纤维的一个端面或两个端面以便激励。

3、如权利要求2所述的激光束加工设备，其中，

所述激励单元包括激光二极管和光学透镜，该激光二极管能发射所述激励束，该光学透镜能将激光二极管发出的激励束聚光到用于振荡的光导纤维的一个端面。

4、如权利要求1至3之一所述的激光束加工设备，其中，

所述激光束分光单元设有一个或多个分光镜，每个分光镜相对于光纤激光振荡器产生的原始激光束的波长都具有理想的反射系数和传输系数，每个分光镜以预定间隔设在原始激光束的光轴上，并且所述激光束分光单元产生从每个分光镜得到的作为分支激光束的各反射光束。

5、如权利要求4所述的激光束加工设备，其中，

每个所述分光镜上都有涂层，相对于原始激光束的波长，所述涂层中预定方向的反射系数和传输系数产生无缝变化。

6、如权利要求1至5之一所述的激光束加工设备，其中，

所述激光束辐射单元具有扫描光学系统，该系统扫描从用于传输的光导纤维另一端面出来的分支激光束。