CN101025539B - 纤维激光加工设备 - Google Patents

Abstract

通过纤维激光振荡器、激光器电源单元、激光束注入单元、纤维传送系统、激光束发射单元、处理台等来配置纤维激光加工设备。由纤维激光振荡器振荡和输出的纤维激光的一部分通过分束器而被用于监控的光电二极管接收。光电二极管的输出信号被发送到激光器电源单元。该电源单元接收作为反馈信号的光电二极管的输出信号，并且控制要提供给泵浦单元的激光二极管的驱动电流或激发电流，使得纤维激光的激光输出等于设置值。

Description

纤维激光加工设备

技术领域

本发明涉及一种使用纤维(fiber)激光束来执行激光束处理的激光束加工设备。

背景技术

传统上，已知具有光导纤维结构的激光器，其通过使用激励光束光学地泵浦其包括发光元素的芯来振荡并输出具有预定波长的原始激光束，因此被称为“纤维激光器”。因为纤维激光器使用很长的芯来作为其工作介质(activemedium)，因此，纤维激光器可以振荡并输出具有小光束直径和小光束发散角的激光束(纤维激光)。另外，当光线在长光路上传播时，在被注入到纤维中的激励光束通过多次通过芯而完全消耗其激发能量，因此，可以以非常高的振荡效率来产生纤维激光。另外，对于纤维激光器，纤维激光的光束模式非常稳定，这是因为纤维的芯不产生热透镜效应。

传统的纤维激光加工设备设置对应于期望的激光输出的用于激发的电流值，并且激光器电源向诸如激光二极管(LD)的激发光源提供对应于已被设置的电流值的激发电流。因为可以任意选择纤维激光器的纤维长度，因此将纤维激光器的输出端终端置于处理地点，并且通过聚光光学系统将从纤维激光器振荡和输出的纤维激光直接施加到要处理的工件上的处理点。

但是，传统的纤维激光加工设备由于激发LD的老化、波长偏移等的影响而具有其不稳定的激光输出的方面。因此，激光束处理的重复性和可靠性差。因为纤维激光器也容易受到热、振动、环境光等的影响，因此已经出现了以下问题，即：纤维激光器趋向于发生激光器振荡性能的恶化、其部件(用于振荡的光导纤维、光学谐振腔等)的损坏、老化等。

发明内容

考虑到上述传统技术问题而构想了本发明，并且本发明的目的是提供一种纤维激光加工设备，其改善了纤维激光输出的稳定性，并且作为结果，改善了激光束处理的重复性和可靠性。

本发明的另一目的是提供一种纤维激光加工设备，其被适配用来通过减小从处理地点处的干扰对纤维激光器或纤维激光振荡器施加的影响，来防止激光器振荡性能的恶化以及振荡光导纤维的损坏和老化。

为了实现上述目的，根据本发明的第一方面，提供了一种纤维激光加工设备，包括：用于振荡的光导纤维，包含含有发光元素的芯和包围所述芯的包层；泵浦单元，用来向用于振荡的光导纤维的芯提供激励光束；电源单元，其接通和驱动泵浦单元，以便使用于振荡的光导纤维振荡和输出具有预定波长的激光束；激光束发射单元，其对由用于振荡的光导纤维产生的激光束进行聚光，并且将其施加到要处理的工件上的处理点上；设置单元，其设置激光束的激光输出的期望基准值或期望基准波形；激光输出测量单元，其测量由用于振荡的光导纤维振荡和输出的激光束的激光输出；以及控制单元，其控制电源单元，使得从激光输出测量单元获得的激光输出测量值等于所述基准值或基准波形。

为了实现上述目的，根据本发明的第二方面，提供了一种纤维激光加工设备，包括：纤维激光振荡器，其具有光导纤维结构，其使用包含发光元素的芯作为工作介质，通过使用预定激励光束光学地泵浦所述芯而振荡和输出具有预定波长的激光束；激光束发射单元，其向要处理的工件上的处理点辐射由纤维激光振荡器振荡和输出的激光束；激光输出测量单元，其测量由纤维激光振荡器振荡和输出的激光束的激光输出；以及激光器电源单元，通过反馈从激光输出测量单元获得的激光输出测量值来控制由纤维激光振荡器使用的激励光束的输出。

在本发明的纤维激光加工设备中，通常根据实时功率反馈控制、对应于期望基准值或期望基准波形来精确地稳定由振荡纤维或纤维激光振荡器产生的纤维激光的激光输出(功率)。因此，即使在出现电源单元输出的变化、泵浦单元的老化、波长偏移等的任何一个时，也可以稳定地和精确地执行波形的任意控制，并且可以改善激光束处理的重复性和可靠性。

根据本发明的一个优选方面，由振荡纤维或纤维激光振荡器产生的纤维激光被注入到传输的光导纤维中，并且被传送给处理地点处的激光束发射单元。根据这一配置，纤维激光的光束模式和激光输出都是稳定的。因此，向传输的光导纤维上的会聚可以是非常好的，并且所述注入和辐射数值孔径(NA)可以是稳定的。因此，允许高精度和高效率的纤维传送，并且可以改善远程激光束处理的质量。另外，可以远离处理地点而放置振荡光导纤维或纤维激光振荡器，因此可以保护纤维激光振荡器不受诸如热、振动、环境光等的干扰。

根据另一优选方面，提供了一对谐振腔反射镜，它们通过振荡光导纤维的芯而光学地彼此面对，并且泵浦单元具有：激光二极管，其发射激励光束；光学透镜，其将来自激光二极管的激励光束会聚到振荡的光导纤维的端面上。

根据本发明的纤维激光加工设备，根据上述配置和行为，可以改善纤维激光输出的稳定性，并且作为结果，可以改善激光束处理的重复性和可靠性，另外，通过减小从处理地点处的干扰对纤维激光器或纤维激光振荡器施加的影响，可以防止激光器振荡性能的恶化以及振荡光导纤维的损坏和老化。

附图说明

图1示出了根据本发明实施例的激光束加工设备的配置；以及

图2示出了在该实施例中的激光束加工设备的激光器电源单元中的配置的方框图。

具体实施方式

下面将参照附图来给出对本发明优选实施例的描述。

图1示出了根据本发明实施例的纤维激光加工设备的配置。该纤维激光加工设备被配置为包括纤维激光振荡器10、激光器电源单元12、激光束注入单元14、纤维传送系统16、激光束发射单元18、处理台18等。

纤维激光振荡器10包括：用于振荡的光导纤维(以下称为“振荡纤维”)22；电光泵浦单元24，其将用于光泵浦的激励光束MB施加到振荡纤维22的端面上；以及一对光学谐振腔反射镜26和28，其通过振荡纤维22而光学地彼此面对。

电光泵浦单元24包括激光二极管(LD)30和用于对光束进行聚光的光学透镜32。LD 30被来自激光器电源单元12的激发电流导通和驱动，并且振荡和输出用于激发的激光束MB。光学透镜32对来自LD 30的用于激发的激光束MB进行聚光并且将其注入到振荡纤维22的端面上。被布置在LD 30和光学透镜32之间的光学谐振腔反射镜26被适配为透射从LD 30注入的用于激发的激光束MB、以及在谐振腔的光轴上全反射从振荡纤维22注入的激励光束。

虽然省略了图解，但是振荡纤维22包括被掺杂有例如稀土元素的离子作为发光元素的芯以及同轴地围绕所述芯的包层，并且使用所述芯作为其工作介质以及使用所述包层作为激励光束的传播光路。受到包层外圆周界面上的全反射限制，如上所述被注入到振荡纤维22的端面上的激发激光束MB在振荡纤维22中沿轴向传播，并且通过在传播期间多次通过所述芯而光学地激发所述芯中的稀土元素离子。以这种方式，从芯的两个端面沿轴向发射具有预定波长的振荡光束。该振荡光束在光学谐振腔反射镜26和28之间多次往返，由此被谐振放大，并且，从由部分反射镜组成的所述一对的光学谐振腔反射镜28获得具有所述预定波长的纤维激光FB。

在光学谐振腔中，光学透镜32和34将从振荡纤维22的端面发射的振荡光束准直为平行光束，将该平行光束引导到光学谐振腔反射镜26和28，并且在振荡纤维22的端面上对由光学谐振腔反射镜26和28反射和返回的振荡光束进行聚光。已经通过振荡纤维22的用于激发的激光束MB透射过光学透镜34和光学谐振腔反射镜28，并且随后被指向该侧的激光吸收器38的返回反射镜36返回。从光学谐振腔反射镜28输出的纤维激光FB直接透射过返回反射镜36，通过分束器40，并且进入激光束注入单元14。

分束器40反射被注入到预定方向、即被注入到用于监控功率的光接收元件(例如光电二极管(PD)42)的纤维激光FB的一部分(例如百分之一)。可以在光电二极管(PD)42的前面布置用于对来自分束器40的反射光束或者监控器光束R_FB进行聚光的聚光透镜44。

光电二极管(PD)42对来自分束器40的监控器光束R_FB进行光电转换，输出指示纤维激光FB的激光输出(峰值功率)的电信号(激光输出测量信号)S_FB，并且将这个信号S_FB发送到激光器电源单元12。

已经进入激光束注入单元14的纤维激光FB被弯镜(bent mirror)46偏转到预定方向，被注入单元48中的聚光透镜50聚光，并且被注入到纤维传送系统16的用于传送的光导纤维(以下称为“传输的纤维”)52的端面上。传输的纤维52包括例如SI(阶跃指数)型纤维，并且向激光束发射单元18的辐射单元54传送被注入在注入单元48中的纤维激光FB。

辐射单元54包括：准直透镜56，其将已经从传输的纤维52的端面离开的纤维激光FD准直为平行光束；以及聚光透镜58，其将作为平行光束的纤维激光FB聚光在预定的聚焦位置上，并且对纤维激光FB进行聚光并将其施加到要加工的工件60上的处理点W上。

例如，在激光束焊接的情况下，从激光器电源单元12向LD 30提供具有脉冲波形的激发电流，由此，从LD 30向纤维激光振荡器10中的振荡纤维22提供具有脉冲波形的激发激光束MB，由此，具有脉冲波形的纤维激光FM被振荡并从纤维激光振荡器10输出。具有脉冲波形的纤维激光FM通过激光束注入单元14、纤维传送系统16和激光束发射单元18，并且被聚光和施加到要处理的工件60上的处理点W上。在处理点W处，要加工的材料被具有脉冲波形的纤维激光FB的能量熔化，并且在施加脉冲之后凝固和形成熔核(nugget)。

在所述实施例的纤维激光加工设备中，纤维激光振荡器10使用振荡纤维22作为工作介质，所述振荡纤维22包括具有大约10μm直径和大约几米长度的伸长的芯，因此，纤维激光振荡器10可以振荡并且输出具有小光束直径和小光束发散角的纤维激光FB。另外，当被注入振荡纤维22的端面中的激发激光束MB在振荡纤维22中的几米长的长光路上传播时，该光束MB通过多次通过所述芯而完全消耗其激发能量，因此，振荡器10可以以很高的振荡效率来产生纤维激光FB。纤维激光振荡器10的光束模式很稳定，因为振荡纤维22的芯不产生热透镜效应。如下所述，通常根据实时功率反馈控制、精确地对应于期望基准值或期望基准波形来稳定纤维激光FB的激光输出。

如上所述，因为光束模式和激光功率都是稳定的，因此在激光束注入单元14和激光束发射单元18中，纤维激光FB向传输的纤维52上的会聚非常好，并且注入和辐射数值孔径(NA)是稳定的。因此，允许高精度和高效率的纤维传送，并且可以改善激光束处理的质量。

通过使传输的纤维52介于纤维激光振荡器10和处理地点处的激光束发射单元18之间，可以防止纤维激光振荡器10受到在处理地点存在或产生的干扰，例如振动、热、环境光等。虽然来自处理点W的反射光束可以通过激光束发射单元18、纤维传送系统16和激光束注入单元14返回纤维激光振荡器10，但是，可以通过使振荡纤维22的数值孔径(NA)大于传输的纤维46的数值孔径(NA)来将返回光束限制在振荡纤维22中，因此，(在没有将NA设置得过大的情况下)可以防止由于返回光束导致的振荡纤维22的破损。

在纤维激光加工设备中，纤维激光振荡器10(具体是LD 30和振荡纤维22)、激光器电源单元12、PD 42和控制板62配置功率控制机构，以便实时地对纤维激光FB的激光输出进行反馈控制。

图2示出了在激光器电源单元12内部的配置。如所示出的那样，激光器电源单元12被提供有：DC电源64，其向LD 30提供激发电流I_LD；和控制单元66，用来控制激发电流I_LD。DC电源64包括例如变压器、整流电路、变换电路等，并且被配置为被输入商用AC，并且输出DC LD驱动电流或者DC激发电流I_LD。

控制单元66包括：开关元件68，其越过DC电源64而串联连接到LD 30；开关控制单元70，其以例如脉冲宽度调制(PWM)的方式来控制开关元件68的切换；向开关控制单元70提供各种设置值和反馈控制信号的电路，等等。

激光输出设置单元72保留或者输出已经作为功率反馈控制的基准值或者基准波形Ref而从控制板62输入的、用户期望的激光输出设置值或设置波形。激光输出测量电路74基于从用于监控功率的PD 42发送的电信号(激光输出测量信号)S_FB获得实时指示纤维激光FB的激光输出的激光输出测量值M_FB。比较电路76将由激光输出测量电路74获得的激光输出测量值M_FB与来自激光输出设置单元72的基准值或基准波形Ref相比较，产生表示它们之间的差的比较误差δ，并且通过切换电路78来向开关控制单元70提供该比较误差δ。

开关控制单元70以PWM的方式来控制开关元件(例如晶体管)的切换，使得由比较电路76产生的比较误差δ接近0，即，激光输出测量值M_FB等于所述基准值或基准波形Ref。

在激光器电源单元12中，向其提供了检测激发电流M_FB的电流传感器80和反馈激发电流M_FB的测量电流值的电流测量电路82来作为电流反馈控制电路，以便在启动所述装置时稳定LD 30的输出。切换电路78在开始启动纤维激光振荡器10之后立即选择电流反馈控制，并且在纤维激光FB的激光输出被稳定之后切换到功率反馈控制。

基准电流设置单元84设置用于电流反馈控制的基准电流值。待机电流电路86用于设置当振荡器10待机时要流向LD 30的偏置电流。选择电路88在振荡器10待机时向开关控制单元70提供偏置电流设置值，并且在正在启动振荡器10时向开关控制单元70提供基准电流值。

控制箱62构成人机接口，包括诸如键盘等的输入单元和诸如LCD显示器等的显示单元，并且还包括计算电路等，以进行条件设置。例如，当用户设置和输入期望的激光能量值时，控制箱62将所述激光能量设置值转换为激光输出设置值。

在所述实施例中，即使在出现DC电源64的输出的变化、LD 30的老化、波长的偏移等的任何一个时，也因为上述实时功率反馈控制起作用，所以从纤维激光振荡器10振荡和输出的纤维激光FB的激光输出被保持在已经被设置的值上，并且根据所述设置来精确地执行任意波形控制。当并行操作多个纤维激光加工设备时，不存在所述装置之间的激光功率的差别，并且可以将所有加工设备设置为具有相同的激光功率(或相同的激光能量)。因此，可以显著改善激光束处理的重复性和可靠性。

虽然如上所述已经给出了对优选实施例的描述，但是上述实施例并不限制本发明。在不背离本发明的技术精神和技术范围的情况下，本领域技术人员可以在其特定操作模式上对本发明进行各种修改和改变。

例如，在上述实施例中，纤维激光振荡器10和激光束发射单元18通过纤维传送系统16(传输的纤维52)而被光学地连接，并且如上所述保护纤维激光振荡器10以防止处理地点处的干扰。但是，可以使用这样的方式或配置，根据所述方式或配置，将从纤维激光振荡器10振荡和输出的纤维激光FB直接地或者通过弯镜等发送到激光束发射单元18，而不使用纤维传送系统16。

在纤维激光振荡器10中，对于电光泵浦单元24、光学谐振腔26和28、光学透镜32和35等，修改或部分省略是有可能的，并且可以使用施加相同功能和操作的其他部件。例如，虽然上述实施例使用一侧激发方案，其中根据所述方案，激发激光束EM被施加到振荡纤维22的一侧上，但是，可以使用双侧激发方案，根据该双侧激发方案，激发激光束被施加到在振荡纤维22两侧的端面上。另外，可以通过在纤维激光振荡器10中提供Q开关来产生Q开关脉冲的纤维激光，在功率反馈控制环中，通过在激光器电源单元12中提供PD 42，来自分束器40的监控光束RFB可以通过用于传送的光导纤维而被传送到激光器电源单元12中的PD 42。

本发明的纤维激光加工设备不限于用于激光焊接，而是可以被应用于诸如激光打标、钻孔和切割的激光束处理。

Claims (3)

1.一种光纤激光束处理装置，用于焊接工件，所述光纤激光束处理装置包括：

用于振荡的光纤，包含

芯，包含发光元素，和

包层，围绕所述芯；

泵浦单元，用来向用于振荡的光纤的芯提供激发光束，所述泵浦单元包括：

激光二极管，其发射激发光束来光学泵浦用于振荡的光纤的芯；和

光学透镜，其将来自所述激光二极管的激发光束聚光到用于振荡的光纤的端面上；

电源单元，其接通和驱动所述泵浦单元，以便使用于振荡的光纤振荡和输出具有预定波长的激光束，所述电源单元包括：

DC电源，其提供LD驱动电流来驱动所述激光二极管；和

开关元件，连接在所述DC电源和所述激光二极管之间，来控制所述LD驱动电流；

激光束辐射单元，其对由用于振荡的光纤产生的激光束进行聚光并且将其施加到要焊接的工件上的处理点；

设置单元，其设置用于激光束的激光功率的期望基准波形；

激光功率测量单元，其测量由用于振荡的光纤振荡和输出的激光束的激光功率；以及

控制单元，其以脉冲宽度调制方法控制所述电源单元的所述开关元件的切换，使得从激光功率测量单元获得的激光功率测量值实时地等于所述基准波形。

2.如权利要求1所述的激光束处理装置，还包括：

用于传送的光纤，用来向激光束辐射单元传送由用于振荡的光纤产生的激光束。

3.如权利要求2所述的激光束处理装置，还包括：

一对谐振腔反射镜，其通过用于振荡的光纤的芯而光学地彼此面对。

Images