CN102656757B - 用于监控高功率光纤激光器系统的输出的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于监控与数据处理器相关联的激光器系统中的光学保护组件的状况的方法和系统。在一个实施方案中，所述方法始于指引来自激光器的处理头的光穿过所述光学保护组件到达工件上。经由所述工件的返回光使得光信号通过所述保护组件耦合入光纤，所述光纤靠近所述保护组件延伸且此后弹性地延伸到传感器。感测到的信号允许监控所述保护组件在使用期间的状况。所述方法和系统可操作以用于与所述处理头下游的光学保护元件一起使用。

Description

用于监控高功率光纤激光器系统的输出的方法和系统

技术领域

本发明涉及一种用于监控光纤激光器系统的输出的方法和系统。更具体来说，本发明提供一种沿着保护性组件延伸且将来自所述保护性组件的光耦合到远端传感器的光纤，所述远端传感器检测耦合的返回光以监控相对于最佳轮廓的状况。

背景技术

按照惯例，激光焊接/激光切割过程与高功率激光辐射和在待用激光处理的工件表面上形成熔浴有关。随着表面熔化，液态金属滴或“飞溅物”往往会撞击经配置以沿着光路朝向所述表面引导激光束的聚焦光学器件的下游组件，且引起损坏。尤其受影响的是保护元件或玻璃，也就是沿着光路的下游端(相对于激光源)定位的“最后的”光学元件。

保护玻璃的变形不利地影响激光器系统的若干因素，包括入射于工件表面上的激光束的有效光功率。一个实例见于第6,118,527号美国专利(Jurca)中，所述专利的全部内容以引用的方式并入本文中。′527专利教示一种复杂的光检测系统，所述光检测系统包括隔开的LED的阵列，所述LED与保护玻璃的外围隔开，且经由保护玻璃将额外的光用脉冲输送到对应的传感器阵列。保护玻璃的裂缝和裂痕通过由LED发射且由传感器接收的光来检测，所述传感器可能具有短使用寿命。保护元件的劣化状况可能会降低激光输出辐射的功率，且降低所述方法的有效性。

因此，需要一种改良的方法和系统用于监控光纤激光器系统中的光学保护组件的状况。

发明内容

所揭露的方法和系统满足此需要。具体而言，通过沿着光学元件的周边提供光纤来实现经配置以保护在激光头中且进一步在激光光源上游的光学元件的光学组件的完整性。如果保护元件受损，那么光纤接收光，并将所述光递送到传感器以供读取。取决于所述读取，激光辐射源可关掉或不关掉。

附图说明

本发明的以上和其他方面、特征和优点将从结合附图进行的以下描述而显而易见，在附图中，相同元件符号表示相同元件。

图1为本发明的系统的方块图；

图2为本发明的方法的流程图；

图3为本发明的若干方面的说明性图；

图4为安装到相关联的印刷电路板的光学密封窗(OSW)且展示绕着OSW缠绕的光纤的示意图；

图5为支撑OSW和相关联的印刷电路板的支架固持装置的透视侧视图。所述OSW仅为说明目的而在未密封的脱离位置中向下倾斜；

图6为支撑如图5中的OSW的子配件的透视侧视图；以及

图7为支撑OSW的子配件沿图6中的截面7-7的截面透视图。

具体实施方式

现将详细参考附图中所说明的本发明的若干实施方案。在可能的情况下，相同或类似元件符号用于图式和描述中以指代相同或相似部件或步骤。图式呈简化形式，且并不是按精确比例绘制。

首先转看图1，示出本发明的激光器系统10的方块图。系统10包括激光处理头12，所述激光处理头12接收穿过准直仪和透镜系统朝向光学密封窗(OSW)18传播的光束14，所述光学密封窗(OSW)18用作防止激光处理头12因回射光和碎片而受损的光学组件。OSW 18包括可操作地允许光束14在向下游指引至工件38以进行切割、焊接等之前实质上无变形地通过的材料。

因此，来自激光源的直接光束被指引通过OSW 18至工件38，从而造成(任选地)熔浴或熔化区域或焊缝(均未图示)。来自工件的高能(热)金属飞溅物或碎片及时到达且损坏OSW 18，从而造成裂缝、碎片聚集等。如果光入射于劣化的OSW 18上，那么光的一部分将被散射且耦合到传感器22中，如下文所揭露。因此，到达传感器22的光又被称为返回光36，其具有两个来源：(a)从工件38回射的光40和(b)直接入射的激光束。

总而言之，OSW 18中可能存在物理降级(折射率改变)。此降级导致OSW 18上的区域损坏，所述区域散射返回光36而使其在多个方向上传播。散射光的一部分朝向OSW 18的外边缘或周边传播。另一部分从OSW 18向上游传播。

OSW 18的外边缘或周边可呈任何方便的形状。光纤16至少部分地缠绕OSW 18。光纤16接收耦合的返回光36，且沿着光纤16朝向末端20a、20b引导耦合光且接着引导至可操作以测量光功率的末端传感器(示出后者)。任选地，在终端20a、20b可操作地引导到传感器中之前，光纤16可覆盖OSW 18的边缘的任何部分。光纤16的轮廓和OSW 18的边缘轮廓皆可呈任何可操作形状或表面接触几何形状以有效地将从OSW 18返回的光36耦合到光纤16中。光引导涂层(未图示)可涂覆到OSW 18/光纤16接头上以辅助耦合。

外壳22可包围链接到多个外围设备的电子系统。外围设备取决于非限制性系统要求或数据传送能力而可为所需要的(例如，光传感器26a和26b、对准块30，或数据处理器28)，或可为任选的(例如，监控器24、通信接口32，或数据存储装置34)。

对准块控制件30可操作地将从终端20a和20b发出的光指引到传感器26a和26b。来自传感器26a和26b的数据可在本地处理或在数据处理器(未图示，但实例为电子链接的远程计算机数据处理器)处被远程处理。可通过利用报告格式编排例行程序并将此数据指引到打印机、监控器24、通信链路32或数据存储装置34而产生关于读数的电子报告。

对经由光纤16耦合到光传感器26a和26b的光读取一定持续时间以产生测量单位。数据处理器28将一个值赋给所述测量单位以产生读数；并且，将所述读数与预定且可调整的所要轮廓范围进行比较。如果所述读数在所述轮廓范围之外，那么产生警报信号。所述警报信号可以任何常规方式给出，例如听觉信号、电子信号或视觉信号。另外，警报可呈行动形式，其中如果激光器系统10确定读数在可接受的轮廓范围之外，那么采取关掉行动，从而决定要进行维护检查还是要更换OSW 18。然而，如果读数在预定轮廓范围内，那么不采取任何行动，更新数据，并等待随后读取。

读数在可接受的轮廓范围之外存在许多原因。光功率、灰尘、损坏或来自返回元件40的碎片或并非无菌的环境、OSW 18中的物理改变(即使是原子水平的改变)可极大地影响高功率光束14的完整性。最终，OSW 18的降级(也就是点蚀或化学分解)导致危险状况及对激光头12和操作环境的实质损害。

接着转看图2，示出本发明的示例性方法的流程图。所述方法流程始于步骤100，此时启动激光器系统10以用于机械加工例行程序。在初始化之后，所述流程前进到步骤102，在步骤102中，指引光束从激光器系统的处理头穿过透镜，且接着穿过光学密封窗(OSW)。

在对工件作业时，可在步骤104将返回光指引至OSW。返回光在OSW18中经由反射或溅射(splatter)或本文论述的其他方式形成耦合的返回光36。

在OSW 18中遭遇缺陷的情况下，返回光36的一部分在步骤106处行进穿过OSW的材料，且到达其边缘。从步骤106，光在步骤108处通过围绕OSW的光纤而整体或部分地得以耦合。在步骤110处，耦合的光被沿着光纤的长度指引，直到其到达光纤的一个终端为止。

一旦到达终端，所述光即被对准块元件传递到光传感器。在步骤112，传感器读取到达的光持续设置的时间段，以确定测量单位。从步骤112，所述流程前进到步骤114，在步骤114，将一个值指赋给在测量时间段内收集到的数据。所述流程接着前进到步骤116，在步骤116，系统数据处理器比较所确定的值与预定轮廓范围。在步骤118处，记录所述值。从步骤116，系统数据处理器在步骤120处询问比较值是否在可接受的轮廓范围内。如果对所述询问的回应为“是”，那么所述流程简单地在步骤122处等待下一个读取值，并重新进入步骤116之前的流程。然而，如果对步骤120处的询问的回应为“否”，那么系统在步骤126处产生警报。

在接收警报提示时，系统在步骤126询问系统是否将关掉。来自系统的回应将基于预定轮廓范围阈值来判定。如果对询问的回应为“是”，那么所述流程前进到步骤132，在步骤132，关掉系统以进行可操作的维护。然而，如果对步骤126处的询问的回应为“否”，那么所述流程前进到步骤128，在步骤128，选择警报类型。

警报类型可以从许多选项中选择，所述选项可包括：听觉警报；视觉警报；虚无警报(意味着未发生任何事)；或者，可产生报告。这些选项可取决于系统的需要而个别地选择或成组地选择。所述选择将在步骤130处判定所述方法是继续还是停止。

图3到图7以透视图方式说明OSW所处的环境。图3为本发明的激光器系统200的示意图。系统200具有处理头206，所述处理头206在光束通过作为保护光学组件的光学密封窗(OSW)配件202之前向下游指引光束穿过透镜204。光束被指引到工件210，所述工件210可位于多种平面中。在对工件210执行的作业或机械加工处理期间，来自碎片的向后泼溅物或光212可在OSW配件202的方向上被发送。

图4为安装到相关联的印刷电路板218的光学密封窗(OSW)226且展示至少部分绕着OSW 226缠绕且弹性地在光传感器214和216处终止于子配件外壳212内的末端230a和230b的光纤228的示意图。或者，光纤228可由与OW 228共平面或在与OSW 226的平面不重合的平面中的任何支座支撑，这是因为如本领域技术人员所知，散射光未必是单向的。

图5为支撑OSW 226及弹性相关联的印刷电路板(未图示)和光纤228的支架配件220的示意图。弹簧夹234a和234b将OSW 226紧固于其框架232内。OSW 226向下倾斜以展示其可达性。具有框架232的OSW 226可通过使闩锁222与突片224配合而被锁固到支架固持装置220。从子配件外壳(此处未图示)发出的数据引线242被示出为处于垂直位置以与下游数据配件(未图示)配合。

图6为支撑OSW 226且为激光头的一体部件或可拆卸部件的支架配件220的透视图的示意图。OSW 226向下倾斜以示出其维护可达性，且说明在光纤228与传感器214、216之间实现的弹性接头。框架232通过使闩锁222与突片224配合而被铰接锁固到支架配件220。弹簧夹末端234a和234b紧固OSW 226。从子配件外壳212(未图示)发出的数据引线242经示出为处于垂直位置以用于与数据配件(未图示)配合。将光指引到传感器的光纤228位于OSW 226的周边。

图6中(且稍后在图7中)还示出一个或多个反射光传感器221，所述反射光传感器221沿经过激光头到OSW 226的激光的光路而定位。传感器221可呈任何常规激光传感器配置，且可相对于OSW 226定位于任何可操作位置，以获取在操作期间从密封的支架配件220内的OSW 226所返回的反射和/或散射光。多个传感器221可于不同位置中使用。如图所示，传感器221的最佳位置是在支撑凸缘上，从而将可达区域限定于OSW226。

如将理解，一个或多个传感器221产生关于反射和/或散射光的量的信号，所述信号经由数据引线(未图示)传输到系统10中的数据处理器28和相关组件，类似于图1中所示的过程。以此方式，系统10可任选地且可操作地比较从传感器221所散射的光的值与先前所述返回光的值，且比较差异与预定轮廓范围以产生记录值，并任选地产生警报，其方式类似于图1中所示的过程。以此方式，系统10可包括可选的第二传感器组件221，从而产生有用的比较测量以有效地管理系统10。

图7为沿图6中的线7-7的横截面透视图，且提供了处于向下倾斜位置的OSW 226。具有框架232的OSW 226可通过使闩锁222与突片224配合而锁固到支架固持装置220上。弹簧夹234具有末端234a和234b，且将OSW 226紧固于框架232中。OSW 226通过弹性“O”形环230而在其框架中被加衬垫，所述“O”形环230位于OSW 226的外边缘下方。

本发明可容易地适于用作激光制造系统中的远程传感器的OSW或光学保护组件，以(例如)保护靠近工件的光学温度传感器系统。

在权利要求书中，方法或步骤加功能从句旨在涵盖本文中在执行所述功能时所描述或提议的结构以及具有不同配置的功能等效结构。参考图式描述本发明的实施方案中的至少一者时，应理解，本发明不限于这些确切的实施方案，且本领域技术人员可在不脱离如在附加权利要求书中所界定的本发明的范围或精神的情况下实现各种改变和调整。

Claims (20)

1.一种用于操作光纤激光器系统的方法，包括以下步骤：

经由安装到激光处理头末端的光学保护组件来传输传播到外部工作位点的激光器产生的光和从所述外部工作位点传播的回射光，所述激光处理头的末端面向所述工作位点；

经由所述光学保护组件将包括所述回射光的一部分的返回光耦合到靠近所述光学保护组件定位的光纤中；

将耦合的所述返回光沿着所述光纤引导到传感器，所述传感器能够操作以确定所述返回光的光功率的测量值；以及

基于所述光功率的确定结果来操作所述激光器系统。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述光纤绕着所述光学保护组件的周边连续地接触所述光学保护组件的周边，并且弹性地延伸于所述传感器与所述光学保护组件之间，从而允许所述传感器和所述光学保护组件的可操作的移位。

3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤：

将所述光功率的测量值传输到数据处理器；以及

比较所述测量值与参考值，从而在测量的所述光功率超过所述参考值时关掉所述激光器系统。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述比较步骤是连续的，直到测量的所述光功率超过所述参考值。

5.根据权利要求2所述的方法，其中所述传感器远离所述光学保护组件的周边且处于所述光纤的末端。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述返回光进一步包括向前传播的激光器产生的光的一部分。

7.根据权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤：

在至少第二传感器中接收所述返回光的一部分，所述第二传感器紧固于所述激光处理头中的所述光学保护组件的上游；以及

将所述返回光的所述一部分沿数据路径操作性地引导到数据处理器。

8.一种用于监控光纤激光器系统的输出的系统，包括：

激光处理头，其沿路径引导直接激光束；

光学保护组件，其安装于所述激光处理头的下游末端以便接收并传输所述激光束到远程工作位点，并且接收并传输来自所述工作位点的回射光；

光纤，其靠近所述光学保护组件的周边定位以便接收并引导返回光，所述返回光是选自由直接光、回射光和所述直接光和回射光的组合组成的光部分；以及

传感器，其耦合到所述光纤并接收接收到的所述返回光的所述部分以便确定接收到的所述返回光的所述部分的光功率的测量值。

9.根据权利要求8所述的系统，其中所述光纤绕着所述光学保护组件的周边连续地接触所述光学保护组件的周边，并且弹性地延伸于所述传感器与所述光学保护组件之间。

10.根据权利要求8所述的系统，进一步包括：

数据处理器，所述数据处理器与所述传感器操作性地通信以在所述系统的使用期间接收所述光功率的测量值；

数据存储装置，其与所述数据处理器操作性地通信；

在所述数据处理器中的数据处理装置，所述数据处理装置用于将值赋给所述测量值以便产生读数，且用于比较所述读数与存储于所述数据存储装置中的参考值；以及

所述数据处理单元，其能够操作以使得在所述读数超出所述参考值的情况下关掉所述系统并更换所述光学保护组件。

11.根据权利要求9所述的系统，其中所述传感器远离所述光学保护组件的周边，从而允许所述光学保护组件和所述传感器的相对移位。

12.根据权利要求9所述的系统，进一步包括：

涂层，所述涂层能够操作以绕着所述光学保护组件的周边和所述光纤连续地接触所述光学保护组件的周边和所述光纤，所述涂层有效地辅助来自所述周边的所述返回光耦合到所述光纤中。

13.根据权利要求8所述的系统，其中所述返回光包括在所述光学保护组件受损的情况下使向前光和回射光传播穿过所述光学保护组件时所产生的散射光。

14.根据权利要求8所述的系统，进一步包括紧固于所述激光处理头中的所述光学保护组件上游的至少第二传感器，所述第二传感器经配置以接收所述返回光的另一部分且能够操作以确定光功率的测量值。

15.一种能够操作以将激光器产生的光束引导到工作位点的激光处理头，所述激光处理头包括：

光学保护组件，其沿光路枢转地安装到所述激光处理头的外壳的下游末端；

靠近所述光学保护组件的周边的光纤，所述光纤经配置以接收返回光，所述返回光包括沿着所述光路从所述工作位点回射的光的至少一部分；以及

传感器，其光学地耦合到所述光纤，且能够操作以确定所述返回光的光功率的测量值，其中所述光学保护组件枢转地移位到其打开位置，以便在所述返回光的测量的光功率超过参考值的情况下进一步更换。

16.根据权利要求15所述的激光处理头，进一步包括支架，所述支架经配置以支撑所述光学保护组件并且耦合到所述外壳的所述下游末端，以便与所述光学保护组件一起在关闭位置与所述打开位置之间枢转。

17.根据权利要求15所述的激光处理头，进一步包括至少第二传感器，所述第二传感器紧固于所述激光处理头中的所述光学保护组件的上游，所述第二传感器能够操作以确定所述光功率的测量值。

18.根据权利要求16所述的激光处理头，进一步包括锁定机构，所述锁定机构能够操作以在将所述支架枢转到所述关闭位置时将所述支架锁定到所述外壳，所述锁定机构配置有安装于所述支架和外壳中的一个的闩锁以及安装于所述外壳和支架中的另一个上的突片，所述突片与闩锁经配置以在所述支架的关闭位置中相互接合。

19.根据权利要求18所述的激光处理头，进一步包括弹性环，所述弹性环位于所述支架之间，并经配置以在框架处于关闭位置中时在所述支架之间加衬垫。

20.根据权利要求15所述的激光处理头，其中所述返回光包括在所述激光器产生的光或从所述工作位点回射的光或两者在所述光学保护组件受损的情况下传播穿过所述光学保护组件时产生的散射光。

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