CN101047297A - 光纤激光振荡器以及光纤激光加工装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光纤激光振荡器和使用其的光纤激光加工装置。端盖基本上形成为圆柱体，所述圆柱体具有与振荡光纤的保持单元的外径基本相同的直径；基端面被整体熔焊或熔接到所述振荡光纤的一个端面；并且前端面相对于光轴被倾斜地切割。由光学谐振镜反射的返回振荡束会聚并入射到位于光学透镜的焦点位置的振荡光纤的芯端面上。然而，由于芯端面与端盖整体地结合并且未暴露于大气中，所以芯端面不会被振荡束的光能烧坏或劣化。

Description

光纤激光振荡器以及光纤激光加工装置
技术领域
本发明涉及一种利用光纤振荡并输出激光束的光纤激光振荡器，以及将激光束施加到工件以进行所需的激光加工的激光加工装置。
背景技术
近来，光纤激光加工装置正逐渐投入实际应用，所述光纤激光加工装置将光纤激光振荡器产生的激光束施加到工件以进行所需的激光加工。
通常，在用于光纤激光加工装置的光纤激光振荡器中，具有掺杂有稀土元素的芯的用于振荡的光纤在光学上被设置在一对光学振荡器镜之间；光纤的芯在光学上被激发；具有预定波长的振荡束从芯的端面轴向地发出并在光学振荡器镜之间往复多次以振荡并放大；并且从一个光学振荡器镜(局部反射镜或输出镜)发出相干激光束。通常，在光纤端面与光学振荡器镜之间设置光学透镜，并且通过光学振荡器镜反射的振荡束被光学透镜变窄(会聚)并返回到振荡光纤的芯端面。从振荡光纤的芯端面发出的振荡束被光学透镜校准并变成入射到光学振荡器镜上的平行光。为了在光学上激发振荡光纤的芯，将激光二极管(LD)用于激发光源，并应用LD端面激发模式以允许LD光(激发光)通过光学振荡器镜和光学透镜被会聚并入射到芯端面上。
与将块状晶体用于有源媒质的典型的固体激光振荡器相比，光纤激光振荡器的特点(缺点和优点)在于将光纤的芯用作有源媒质。关于光纤激光振荡器的缺点，问题在于振荡光纤的端面容易烧坏。也就是说，当从光学振荡器镜反射的光或返回的光入射到直径为10μm大小的芯的端面上时，功率密度极高。因此，由于芯的基体材料即石英玻璃具有低于比如YAG的晶体的损伤阈值，所以芯的端面易于由于入射光的能量而烧坏。
因此，光学振荡器中的激光振荡自身引起了芯端面的烧毁。在激光加工装置中，来自工件加工点的反射光会通过激光发射单元和激光传输系统在相反的方向上传播并入射到振荡光纤的端面上。如果振荡光纤的芯端面烧坏，则光纤激光器的振荡功率减小并且激光加工的质量下降。
发明内容
本发明鉴于常规技术的以上问题而构想，因此，本发明的一个目的是提供一种光纤激光振荡器，其防止了有源媒质的烧坏或劣化从而改善了激光功率的稳定性。
本发明的另一目的是提供一种光纤激光加工装置，其防止了有源媒质的烧坏或劣化从而实现了激光功率的稳定性并改善了激光加工的可信度。
为了实现以上目的，本发明的光纤激光振荡器包括：振荡光纤，所述振荡光纤包括含有发光元素(light-emitting element)的芯；结合到所述振荡光纤的端面的光学透明的端盖；在光学上通过所述振荡光纤和光学透镜彼此相对的一对光学振荡镜；以及激发所述振荡光纤的芯的光纤芯激发单元。
在以上结构中，振荡束在光轴上从被所述光纤芯激发单元激发的芯的端面发出，并且被所述光学谐振镜反射并返回到所述芯端面。在这种情况下，来自所述光纤振荡镜的返回振荡束从大气入射到所述端盖上，并从所述端盖和所述芯之间的边界表面入射到所述芯上。由于所述芯端面与所述端盖结合且未暴露于大气中，所以芯端面不会被返回振荡束的入射功率烧坏或劣化。
特别是，在具有位于距振荡光纤的两端的焦距处的一对光学透镜的结构中，由于来自光学谐振镜的返回振荡束通过光学透镜会聚并入射到芯的端面上，所以由于以上端盖的保护功能而不会在芯的端面上发生烧坏。由于端盖的前端面在位置上比焦点靠近光学透镜得多，所以当返回振荡束从大气中入射到端盖的前端面时，束直径或面积相当大，因此功率密度低，因而，不会在端盖上发生烧坏。
根据本发明的优选方面，由于所述端盖的材料是合成石英，所以能够改善与振荡光纤的结合性，并能够提高端盖自身的耐激光性。
根据本发明的优选方面，所述端盖被熔焊到所述振荡光纤的端面。通过以熔焊形式结合将所述端盖与所述芯整体化，并减小了在边界表面处的反射。优选地，所述端盖的形状是圆柱形。在这种情况下，从熔焊工艺或最大入射角度的观点，优选地使端盖的直径基本等于或大于振荡光纤的外径。
根据优选方面，所述端盖的前端面相对于光轴被倾斜地切割。在这样的结构中，由端盖的前端面与大气之间的边界表面产生反射光，并且反射光从光轴倾斜的偏离，不会发生产生不希望的激光束的不利的振荡和放大。
根据本发明的优选方面，所述振荡光纤包括包围所述芯的覆层，包围所述覆层的空气层，以及包围并保持所述空气层的保持单元。在这样的光纤结构中，在端面激发模式中能够显著增大对于激发光的数值孔径，能够通过高效耦合将激发光提供到所述振荡光纤，从而容易地且简单地实现更高功率的光纤激光束。
本发明的光纤激光加工装置包括本发明的光纤激光振荡器以及激光发射单元，所述激光发射单元将从光纤激光振荡器输出的激光束会聚并施加到工件的加工点上。在一个优选的方面，使用传输光纤以将从光纤激光振荡器输出的激光束传输到激光发射单元。
本发明的光纤激光振荡器能够以以上的结构和效果来防止有源媒质的烧坏或劣化从而改善激光功率的稳定性。本发明的光纤激光加工装置能够以以上的结构和效果来防止有源媒质的烧坏或劣化从而实现激光功率的稳定性并改善激光加工的可信度。
附图说明
从结合附图的以下详细描述中，本发明的以上和其他目的、方面、特征及优点将变得更加明显，其中：
图1描绘了根据本发明一个实施例的光纤激光加工装置的结构；
图2是包含在所述实施例的光纤激光振荡器中的振荡光纤的结构的截面图；
图3是所述实施例中的振荡光纤的一端周围的结构的侧视图；
图4是所述实施例中的振荡光纤的另一端周围的结构的侧视图；
图5是根据所述实施例的一种变型的端盖的结构的侧视图；以及
图6是根据另一变型的端盖的结构的侧视图。
具体实施方式
以下将参考附图描述本发明的优选实施例。
图1描绘了根据本发明一个实施例的光纤激光加工装置的结构。该光纤激光加工装置由光纤激光振荡器10、激光器电源12、激光入射单元14、光纤传输系统16、激光发射单元18、加工台20等构造而成。
光纤激光振荡器10包括用于振荡的光纤(以下简称“振荡光纤”)22，结合到振荡光纤22的两端面的一对端盖24和26，位于振荡光纤22的两端的焦距的光学透镜28和30，将泵浦激发光MB施加到振荡光纤22的一个端面的电光激发单元32，以及一对光学相对的光学谐振镜34和36。
电光激发单元32包括激光二极管(LD)38和光学透镜28。LD 38由来自激光器电源12的激发电流驱动，从而发出光并且振荡并输出激发激光束MB。来自LD 38的激发激光束MB被光学透镜28会聚并通过端盖24入射到振荡光纤22的一个端面上。光学谐振镜34设置在LD 38与光学透镜28之间并涂敷了膜，所述膜对于来自LD 38的激发激光束MB的波长是可透过的。
振荡光纤22含有掺杂了预定的发光元素的芯以及同轴地包围所述芯的覆层；所述芯用作有源媒质；并且，所述覆层用作激发光的传播光路。激发光MB如以上入射到振荡光纤22的一个端面上，通过振荡光纤22轴向传播同时由覆层外围表面上的全反射限制，并在传播期间穿过芯多次以在光学上激发芯中的发光元素。以这样的方式，从芯的两端轴向地发出具有预定波长的振荡束；该振荡束在光学振荡器镜26和28之间往复多次从而振荡并放大；从包括局部反射镜的一个光学谐振器36发出具有预定波长的光纤激光束FB。
光学透镜28和30将从振荡光纤22的端面发出的振荡束校直为平行光，通过光学谐振镜34和36传输光，并将从光学谐振镜34和36反射及返回的振荡束会聚到振荡光纤22的端面上。
从光纤激光振荡器10输出的光纤激光束FB如以上进入到激光入射单元14中。在激光入射单元14中，在光路通过弯曲镜40弯曲到预定方向之后，光纤激光束FB进入到入射单元42中，并通过该单元中的会聚透镜44会聚并入射到光纤传输系统16的传输光纤(以下的“传输光纤”)46的一个端面上。传输光纤46例如是SI(阶跃折射率)光纤，并将入射到入射单元42中的光纤激光束FB传输到激光发射单元18的发射单元48。
发射单元48包括将从传输光纤46发出的光纤激光束FB校直为平行光的校直透镜50，以及包括会聚透镜52，所述会聚透镜52将平行的光纤激光束FB会聚在预定的聚焦位置，使光纤激光束FB会聚并入射到位于加工台20上的工件54的加工点W上。
在激光焊接的情况下，当激光电源12将具有脉冲波形的激发电流施加到LD 30时，具有脉冲波形的激发光MB从LD 30被提供到光纤激光振荡器10中的振荡光纤22，并且光纤激光振荡器10振荡并输出具有脉冲波形的光纤激光束FM。具有脉冲波形的光纤激光束FM通过激光入射单元14、光纤传输系统16和激光发射单元18会聚并入射到工件54的加工点W上。在加工点W，加工材料通过光纤激光束FM的能量熔化并且固化以在施加脉冲之后形成熔核(nugget)。
在这种光纤激光加工装置中，由于有源媒质是直径为10μm大小且长度为几米大小的振荡光纤22中的延长芯，所以光纤激光振荡器10能够以小的束直径和小的束扩展角振荡并输出光纤激光束MB。由于入射到振荡光纤22的一个端面上的激发光MB在传播期间通过几米的长光路穿过芯多次以耗尽了激发能量，所以光纤激光束FB能够具有高的振荡效率。由于振荡光纤22的芯不引起热透镜效应，所以光纤激光振荡器10中的束模式非常稳定。
由于该光纤激光加工装置应用了LD端面激发模式，所以激发机制简单且小，能够容易地保持并修复每个单元(特别是LD 38周围的)。由于如以下所述在LD 38和振荡光纤22之间大大改善了光学耦合效率，所以能够容易地得到适于需要高能量的激光焊接工艺的高功率光纤激光束FB。
图2是本实施例的振荡光纤22的结构的截面图。如图所示，振荡光纤22包括通过中心轴延伸的芯60，同轴地包围芯60的覆层62，包围覆层62的空气层64，包围并保持空气层64的保持单元66，以及包围保持单元66的涂层68。
芯60由掺杂有比如Nd3+的稀土元素离子的石英玻璃制成；覆层62由石英玻璃制成；保持单元66例如由多组分玻璃或树脂制成；涂层68由树脂制成。通过紧密地且沿圆周地设置由比如石英玻璃的、折射率与覆层60的折射率相同或相似的材料制成的空纤维70来构造空气层64，并且所述空纤维(石英玻璃)70被熔焊到覆层(石英玻璃)62。空纤维70的两端封闭以将内部空气从外部空气屏蔽。密封在空纤维70中的气体可以是N2气等。
图3和4分别描绘了端盖24和26的结构，尤其是振荡光纤22的两端部周围的结构。
如图3所示，一个端盖24基本上形成为圆柱体，所述圆柱体具有与振荡光纤22的保持单元66的外径基本相同的直径；基端面24a整体熔焊或熔接到振荡光纤22的一个端面22a；并且前端面24b相对于光轴被倾斜地切割。端盖24的材料优选是透明的，具有高的耐激光性，并具有与振荡光纤22的基体材料(石英玻璃)的良好的熔焊性，例如可以适当地使用合成石英。如果端盖24具有与振荡光纤22基本相同的宽度，则当两者对准时，在结合表面处基本不产生台阶，因此能够通过均匀地加热圆周以良好的均匀性和结合性来进行熔焊。
来自LD 38的激发激光束MB通过光学谐振镜34直线传输，被光学透镜28会聚，以散焦状态入射到振荡光纤22上，被覆层62和空气层64的边界表面完全且重复反射，并通过覆层62轴向地传播。振荡光纤22对于激发光MB的数值孔径NA由覆层62的折射率和空气层64的折射率决定，并且由于空气层64的折射率本身就是最小值，所以数值孔径NA约为0.55，这比常规的普通双覆层光纤(DCF)的数值孔径(约0.45)高出约20％。因而，在LD端面激发模式中大大改善了光耦合效率，并且能够在光纤激光束FB中实现更高的功率。
振荡束fb从振荡光纤22的芯60的一个端面60a在光轴上以恒定的扩展角发出，被光学透镜28校直，并被后续的光学谐振镜34反射并返回到相反的轴向方向。被光学谐振镜34反射的返回振荡束fb’入射到光学透镜28的背侧或后侧，被光学透镜28会聚，通过端盖24传输，且会聚并入射到芯60的端面60a上。尽管未示出，但进入芯60的振荡束fb’被芯60和覆层62的边界表面完全并重复反射，并且通过芯60轴向地传播。
以这样的方式，被光学谐振镜34反射的返回振荡束fb’被会聚并入射到位于光学透镜28的聚焦位置的振荡光纤22的芯端面60a上。然而，由于芯端面60a与端盖24整体地结合并且未暴露于大气中，所以芯端面60a不会被振荡束fb’的光能烧坏或劣化。另一方面，由于端盖24的前端面24b在位置上比焦点更靠近光学透镜28得多，所以当返回振荡束fb’从大气中入射到端盖24的前端面24b时，束直径或面积相当大，因此功率密度低。将具有高耐激光性的合成石英用于端盖24的材料。因此，端盖24的前端面24b也不会被返回振荡束fb’的光能烧坏。
由于端盖24的前端面24b相对于光轴被倾斜的切割，所以在端盖前端面24b和大气之间的边界表面处产生的反射光(特别是，返回到光纤端面22a的反射光)从光轴倾斜的偏离，不会发生不希望的振荡和放大。
相反的端盖26具有与以上端盖24相同的结构并实现了相同的效果。也就是说，端盖26基本上形成为圆柱体，所述圆柱体具有与振荡光纤22的保持单元66的外径基本相同的直径；基端面26a整体熔焊或熔接到振荡光纤22的另一个端面22b；并且前端面26b相对于光轴被倾斜地切割。也可以将合成石英适当地用于端盖26的材料。
振荡束fb从振荡光纤22的芯60的端面60b在光轴上以恒定的扩展角发出，被光学透镜30校直，并被后续的光学谐振镜36反射并返回到相反的轴向方向。振荡束fb的一部分从光学谐振镜36出来以作为光纤激光束FB。被光学谐振镜36反射的返回振荡束fb’入射到光学透镜30的背侧或后侧，被光学透镜30会聚，通过端盖26传输，且会聚并入射到芯60的端面60b上。尽管未示出，但进入芯60的振荡束fb’被芯60和覆层62的边界表面完全并重复反射，并且通过芯60轴向地传播。
在光纤的另一端，被光学谐振镜36反射的返回振荡束fb’也被会聚并入射到位于光学透镜30的聚焦位置的振荡光纤22的芯端面60b上。然而，由于芯端面60b与端盖26整体地结合并且未暴露于大气中，所以芯端面60b不会被振荡束fb’的光能烧坏。另一方面，由于端盖26的前端面26b在位置上比焦点更靠近光学透镜30得多，所以当返回振荡束fb’从大气中入射到端盖26的前端面26b时，束直径或面积相当大，因此功率密度低。将具有高耐激光性的合成石英用于端盖26的材料。因此，端盖26的前端面26b也不会由于返回振荡束fb’的入射而烧坏或劣化。
由于端盖26的前端面26b相对于光轴被倾斜的切割，所以在芯端面60b和大气之间的边界表面处产生的反射光(特别是，返回到光纤端面22b的反射光)从光轴倾斜的偏离，不会发生不希望的振荡和放大。
尽管未示出，但激发光MB如以上入射到振荡光纤22的一个端面22a上，消耗了振荡光纤22中几乎所有的光能，并以显著衰减的光密度从相反的光纤端面22b发出。为了在穿过振荡光纤22之后横向地偏移所使用的激发光MB，例如可以在光学谐振镜(输出镜)36的后段倾斜的设置折回镜。
在该光纤激光加工装置中，来自工件54的加工点W的反射光RB可以通过激光发射单元18、光纤传输系统16、激光入射单元14、光学谐振镜(输出镜)36和光学透镜30传播，并入射到振荡光纤22的端面22b上。在这种情况下，如果反射光RB被会聚并入射到芯端面60b上，则由于端盖26的保护功能以与以上相同的效果运作，芯端面60b没有被烧坏/劣化的危险，且端盖26不会被烧坏/劣化。
尽管已经描述了本发明的优选实施例，但以上实施例并非限制本发明。本领域技术人员可以在不偏离本发明的技术理念和技术范围的前提下在具体实施例中进行各种修改和变化。
例如，如图5所示，端盖24的外径可以大于LD端面激发侧上的振荡光纤22的外径，这种结构对于振荡光纤22从LD 38(图1和3)以最大的光接收角度接收激发光MB是有利的。
如图6所示，在光纤激光器输出侧，端盖26可以轴向地延伸从而在被光学振荡镜36反射的返回振荡束fb’入射到端盖26上时充分加大入射束斑直径。在这种情况下，如图所示，当所述直径等于端盖26的外径时，实现了最大的入射束斑直径。如图6的实例中所示，可以垂直于光轴切割端盖26(24)的前端面26b(24b)。
在以上实施例中，光纤激光振荡器10和激光发射单元18通过光纤传输系统16(传输光纤46)在光学上连接。然而，从光纤激光振荡器10振荡并输出的光纤激光束FB可以在不使用光纤传输系统16的模式或结构下直接或通过弯曲镜等被送到激光发射单元18。
可以在光纤激光振荡器10中修改或部分地省略振荡光纤22、电光激发单元32、光学振荡镜34和36、光学透镜28和30等，并且可以使用实现相同功能或效果的其他结构。例如，可以将双覆层光纤(DCF)用于振荡光纤22。尽管在以上实施例中将激发光施加到振荡光纤22的一个端面22a(更靠近全反射镜34)，但也可以使用将激发光施加到振荡光纤22的相反端面22b(更靠近输出镜36)的模式，或者也可以使用双侧激发模式从而将激发光同时施加到两端面22a和22b。可以在光纤激光振荡器10中设置Q开关，以产生Q开关脉冲光纤激光束。
本发明的光纤激光加工装置不限于激光焊接，可适用于比如激光打标、打孔、切割等的激光工艺。
尽管此处详细描述了本发明的示例性的目前是优选的实施例，但应理解的是，可以以各种方式实施并使用发明理念，权利要求应被解释为包括除了现有技术限制的范围以外的这些变化。

Claims (12)

1.一种光纤激光振荡器，包括：
振荡光纤，所述振荡光纤包括含有发光元素的芯；
结合到所述振荡光纤的端面的光学透明的端盖；
在光学上通过所述振荡光纤和所述光学透镜彼此相对的一对光学振荡镜；以及
激发所述振荡光纤的芯的光纤芯激发单元。
2.根据权利要求1所述的光纤激光振荡器，其中所述端盖被熔焊到所述振荡光纤的端面。
3.根据权利要求1或2所述的光纤激光振荡器，其中所述端盖形成为圆柱状。
4.根据权利要求3所述的光纤激光振荡器，其中所述端盖具有与所述振荡光纤的外径基本相等的直径。
5.根据权利要求3所述的光纤激光振荡器，其中所述端盖具有比所述振荡光纤的外径更大的直径。
6.根据权利要求1至5中任何一项所述的光纤激光振荡器，其中所述端盖的前端面相对于光轴被倾斜切割。
7.根据权利要求1至6中任何一项所述的光纤激光振荡器，其中所述端盖由合成石英制成。
8.根据权利要求1至7中任何一项所述的光纤激光振荡器，其中所述振荡光纤包括包围所述芯的覆层，包围所述覆层的空气层，以及包围并保持所述空气层的保持单元。
9.根据权利要求1至7中任何一项所述的光纤激光振荡器，包括位于距所述振荡光纤的两端的焦距处的一对光学透镜。
10.根据权利要求1至9中任何一项所述的光纤激光振荡器，其中所述光纤芯激发单元包括产生用于激发所述振荡光纤的芯的激发光的激发光源，其中由所述激发光源产生的激发光通过所述光学透镜会聚并入射到所述振荡光纤的端面上。
11.一种光纤激光加工装置，包括：
光纤激光振荡器，所述光纤激光振荡器包括振荡光纤，所述振荡光纤包括含有发光元素的芯，结合到所述振荡光纤的端面的光学透明的端盖，在光学上通过所述振荡光纤和光学透镜彼此相对的一对光学振荡镜，以及激发所述振荡光纤的芯的光纤芯激发单元；以及
激光发射单元，所述激光发射单元将从光纤激光振荡器输出的激光束会聚并施加到工件的加工点上。
12.根据权利要求11所述的光纤激光加工装置，包括传输光纤，所述传输光纤用于将从所述光纤激光振荡器输出的激光束传输到所述激光发射单元。
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