CN103313817B - 一种激光加工系统 - Google Patents

Abstract

一种激光加工系统，包括测距激光发射单元（1）、测距信号接收分析单元（2）、加工能量激光发射单元（3）、光纤合束模块（4）、激光加工光学头系统（5），所述测距激光发射单元（1）、测距信号接收分析单元（2）、加工能量激光发射单元（3）通过光纤（7）连接光纤合束模块（4），所述光纤合束模块（4）通过双包层光纤（6）连接激光加工光学头系统（5）。使用这种激光加工系统，简化了激光加工光学头的复杂性和尺寸，降低了系统成。

Description

一种激光加工系统

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，更具体地说，涉及一种激光加工系统。

背景技术

1960年，美国人Maiman研制成红宝石激光器，这是世界上第一台激光器。激光新技术的诞生使光学这门古老的学科跨出了划时代的一步，也是人类历史上最重大的科学技术成果之一。短短不到50年的时间，激光器已经广泛地使用在工业加工、生物医学、军事国防、科学研究、测量及标准等人类生活的各个领域。

目前广泛应用在现代工业中的激光加工，是一种利用高能量激光光束和材料相互作用，对材料表面产生各种物理和化学作用，来实现对材料进行高精密、高准确度、无接触地进行加工的高科技技术。经过聚焦系统的激光，其光斑大小为微米量级，远远小于其他传统加工方法，比如机械式的加工手段，而且加工效率高，速度快，所以激光加工更加适应现代工业发展趋势。

为了有效对材料进行激光加工，激光束需要通过空间光学系统将激光光斑准直、扩束、然后通过光学聚焦系统将光斑聚焦成微米量级的高能量密度光斑，同时材料需要放置在激光光斑的焦点所处的焦平面处，此时光斑直径最小，这样才能够充分利用激光光束的高能量密度特性实现高效激光加工。

如图1所示高斯光斑在焦点附近的传播图。由高斯光束的传播理论，我们知道基模高斯光斑在经过瑞利距离Z_R的传输后，光斑面积将增加为焦点处的2倍（半径增加为焦点半径ω₀的倍，即）。在激光系统中，2倍瑞利距离被定义为共焦范围，或者说焦深（Depth of Focus）。对单模高斯光束，焦深为

$b=2Z_R=\frac{2\mathrm{\π}{{\mathrm{\ω}}_0}^2}{\mathrm{\λ}}$

对于常规的激光加工系统，其焦深大致在微米至毫米之间。为了实现激光加工的高效其高质量，如何保证将被加工材料放置在加工用激光系统的焦深范围内，是个急待解决的技术问题。而实际加工过程中，被加工件的表面不一定平整，即使平整的表面在被激光加工过程中也可能因为热效应产生微形变，从而导致加工表面产生离焦，这一切都说明高性能的激光加工需要动态控制并稳定加工材料的表面到出射激光的距离。目前用于实现自动聚焦的方法可分为主动式和被动式，主动式通常是利用发射信号到被加工材料表面，通过测试反射回来的信号来实现对焦距的反馈和控制；被动式是采用图像处理的方法来实现自动聚焦。对于使用较为广泛的主动式自动聚焦系统中，可采用的方案包括激光测距、超声测距、以及接触式测距等。而激光测距方案的应用最为广泛。

激光测距方案可利用半导体激光器发射激光光束到材料表面，其部分反射回来的激光被一探测器接受，并转变成为电信号，通过对电信号进行信号分析和处理，就可以得到材料表面的距离信息并反馈给整个系统的控制单元，从而实现动态的自动聚焦控制。该半导体激光器发射单元和探测器接受单元需要安装在激光加工系统的光学头上面，这样将占用激光加工光学头的空间，给实际应用带了不变。一种利用两根光纤来传导激光信号和并收集反射的方法可以让半导体激光器和探测器远离激光加工光学头，从而避免增加光学头的体积，但是额外的光纤将增加成本以及系统的复杂性。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的在激光光学头增加激光器发射单元和探测器导致激光光学头结构复杂或利用两根光纤分别传送激光信号和并收集反射激光造成成本增加的缺陷，提供一种在不增加激光光学头结构及节约成本的基础上，即可实现自动聚焦的激光加工系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种激光加工系统，包括包括测距激光发射单元、测距信号接收分析单元、加工能量激光发射单元、光纤合束模块、激光加工光学头系统，所述测距激光发射单元、测距信号接收分析单元、加工能量激光发射单元通过光纤连接所述光纤合束模块，所述光纤合束模块通过双包层光纤连接激光加工光学头系统；所述测距信号接收分析单元接收从被加工材料表面反射并依次通过激光加工光学头系统及光纤合束模块传送回来的激光，并进行分析。

在本发明的激光加工系统中，所述双包层光纤包括纤芯、内包层、外包层。

在本发明的激光加工系统中，所述光纤合束模块包括第一光纤合束器，所述第一光纤合束器包括三个输入端和一个输出端；所述第一光纤合束器的三个输入端分别通过光纤与测距激光发射单元、测距信号接收分析单元、加工能量激光发射单元连接，所述第一光纤合束器的输出端连接双包层光纤。

在本发明的激光加工系统中，所述光纤合束模块包括第二光纤合束器和第三光纤合束器，所述第二光纤合束器包括两个输入端和一个输出端，所述第二光纤合束器的输入端分别通过光纤连接测距激光发射单元、测距信号接收分析单元；所述第三光纤合束器包括两个输入端和一个输出端，所述第三光纤合束器两个输入端分别与加工能量激光发射单元、所述第二光纤合束器的输出端连接，所述第三光纤合束器的输出端连接双包层光纤。

在本发明的激光加工系统中，所述测距激光发射单元发射的测距用激光是单模激光信号，所述单模激光信号在双包层光纤的纤芯中传输。

在本发明的激光加工系统中，所述测距激光发射单元发射的测距用激光是多模激光信号，所述多模激光信号在双包层光纤的内包层中传输。

在本发明的激光加工系统中，所述测距激光发射单元发射的测距用激光是可见光。

在本发明的激光加工系统中，所述激光加工光学头系统包括光纤准直头、扩束单元、反射透镜、聚焦透镜单元，所述光纤准直头与双包层光纤连接，用于将双包层光纤输出的激光信号转换成平行光输出；所述扩束单元将通过光纤准直头输出的平行光放大，放大后的平行光通过反射透镜和聚焦透镜单元后聚焦到加工材料表面。

实施本发明的激光加工系统，具有以下有益效果：1、利用光纤将测距激光发射单元和测距信号接收分析单元远离激光加工系统的激光加工光学头，简化了激光加工光学头的复杂性和尺寸；2、利用同一根双包层光纤同时对加工能量激光信号和测距激光信号传输，降低系统成本，简化系统结构；3、测距用的激光信号还可以兼具激光指示功能，为加工实际应用提供便利，不增加加工系统的复杂性。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是现有技术中高斯光斑在焦点附近的传播图；

图2是本发明的激光加工系统结构框图；

图3a是本发明的激光加工系统的双包层光纤的光线传输图；

图3b是本发明的激光加工系统的双包层光纤的截面图；

图4是本发明的激光加工系统的第一实施例；

图5是本发明的激光加工系统的第二实施例。

具体实施方式

为了使本发明的目的更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图2所示，在本发明的激光加工系统结构框图中，包括测距激光发射单元1、测距信号接收分析单元2、加工能量激光发射单元3、光纤合束模块4、激光加工光学头系统5，测距激光发射单元1、测距信号接收分析单元2、加工能量激光发射单元3通过光纤7连接光纤合束模块4，光纤合束模块4通过双包层光纤6连接激光加工光学头系统5。测距激光发射单元1和加工能量激光发射单元3分别发射激光信号并通过不同光纤7注入到光纤合束模块4，光纤合束模块4合束后的激光信号被耦合到双包层光纤6中沿着双包层光纤径向传输。双包层光纤6的结构如图3a和图3b所示，包括纤芯61、内包层62、外包层63，611表示纤芯信号输出，612表示包层信号输出，纤芯和内包层的优化设计可以维持激光信号高质量传输而不受任何影响。测距激光发射单元1发射的测距用激光是单模激光信号或者多模激光信号，如果是单模激光信号，那么发射的单模激光信号在双包层光纤6的纤芯61中传输，如果是多模激光信号，则发射的多模激光信号在双包层光纤6内包层62中传输。激光加工光学头系统5将双包层光纤6输出的激光进行准直、扩束、聚焦后将激光传送到被加工材料表面上。根据光路可逆原理，从被加工材料表面反射回来的部分激光信号经过激光加工光学头系统5的各个光学器件将沿着原路返回到双包层光纤6的内包层62中，因为双包层光纤6的内包层62数值孔径较大，所以很容易接收反射回来的激光信号并将其沿着双包层光纤的内包层62反向传输，再经过光纤合束模块4反向分束后将反射回来的激光信号输出至测距信号接收分析单元2。测距激光发射单元1发射的激光是可见光，比如红光、绿光。使用该激光加工系统：利用光纤将测距激光发射单元和测距信号接收分析单元远离激光加工系统的激光加工光学头，简化了激光加工光学头的复杂性和尺寸；利用同一根双包层光纤同时对加工能量激光信号和测距激光信号传输，降低系统成本，简化系统结构；测距用的激光信号还可以兼具激光指示功能，为加工实际应用提供便利，不增加加工系统的复杂性。

请参照图4，本发明激光加工系统的第一实施例。该激光加工系统包括测距激光发射单元1、测距信号接收分析单元2、加工能量激光发射单元3、第一光纤合束器41、激光加工光学头系统5，测距激光发射单元1、测距信号接收分析单元2、加工能量激光发射单元3通过光纤7连接第一光纤合束器41，第一光纤合束器41通过双包层光纤6连接激光加工光学头系统5。双包层光纤6的结构如图3a和图3b所示。第一光纤合束器41包括三个输入端和一个输出端，三个输入端分别通过光纤与测距激光发射单元1、测距信号接收分析单元2、加工能量激光发射单元3连接，输出端连接双包层光纤6。测距激光发射单元1和加工能量激光发射单元3分别发射激光信号并通过不同光纤注入到第一光纤合束器41，经过第一光纤合束器41合束后的激光信号被耦合到双包层光纤6中沿着双包层光纤6径向传输。双包层光纤6的结构如图3所示。双包层光纤6中纤芯和内包层的优化设计可以维持加工用的能量激光信号高质量传输而不受任何影响。测距激光发射单元1发射的测距用激光是单模激光信号或者多模激光信号，如果是单模激光信号，那么发射的单模激光信号在纤芯中传输，如果是多模激光信号，则发射的多模激光信号在内包层中62传输。激光加工光学头系统5包括光纤准直头51、扩束单元52、反射透镜53、聚焦透镜单元54，光纤准直头51由球透镜或者自聚焦透镜等光纤器件制成，该光纤准直头51连接双包层光纤6的末端，将从双包层光纤6末端输出的激光信号转换成平行光输出；扩束单元52将光纤准直头51输出的平行光进行放大，然后通过反射透镜53折光并最终经过聚焦透镜单元54聚焦到被加工材料8的表面上。根据光路可逆原理，从被加工材料8的表面反射回来的部分激光信号经过激光加工光学头系统5的各个光学器件将沿着原路返回到双包层光纤6的内包层62中，因为双包层光纤6的内包层62数值孔径较大，所以很容易接收反射回来的激光信号并将其沿着双包层光纤6的内包层62反向传输，再经过第一光纤合束器41反向分束后将反射回来的激光信号输出至测距信号接收分析单元2。测距信号接收分析单元2对检测到的激光信号经过虑模处理，去除加工用能量激光信号的影响，然后进行测距分析；测距分析后的反馈控制信号可以对激光加工光学头系统或者放置被加工材料的工作台的位置进行及时调整，从而保证一致且理想的激光加工质量。测距激光发射单元1发射的激光是可见光，比如红光、绿光。因此该测距激光发射单元1发射的激光还可以用作激光加工时的指示灯，从而为用户提供了便利，且没有增加激光加工系统的复杂度。

请参照图5，本发明激光加工系统的第二实施例。该激光加工系统包括测距激光发射单元1、测距信号接收分析单元2、加工能量激光发射单元3、第二光纤合束器42、第三光纤合束器43、激光加工光学头系统5，测距激光发射单元1、测距信号接收分析单元2分别通过光纤7连接第二光纤合束器42的两个输入端，加工能量激光发射单元3、第二光纤合束器42的输出端分别通过光纤7连接第三光纤合束器43的输入端，第三光纤合束器43的输出端连接双包层光纤6。测距激光发射单元1发射测距用的激光信号通过第二光纤合束器42后再和加工能量激光发射单元3发射的激光一起通过第三光纤合束器43耦合到双包层光纤6中传输。双包层光纤6的结构如图3a和图3b所示。双包层光纤6中纤芯和内包层的优化设计可以维持加工用的能量激光信号高质量传输而不受任何影响。测距激光发射单元1发射的测距用激光是单模激光信号或者多模激光信号，如果是单模激光信号，那么发射的单模激光信号在纤芯中传输，如果是多模激光信号，则发射的多模激光信号在内包层62中传输。激光加工光学头系统5包括光纤准直头51、扩束单元52、反射透镜53、聚焦透镜单元54，光纤准直头51由球透镜或者自聚焦透镜等光纤器件制成，该光纤准直头51连接双包层光纤6的末端，将从双包层光纤6末端输出的激光信号转换成平行光输出；扩束单元52将光纤准直头输出的平行光进行放大，然后通过反射透镜53折光并最终经过聚焦透镜单元54聚焦到被加工材料8的表面上。根据光路可逆原理，从被加工材料表面反射回来的部分激光信号经过激光加工光学头系统的各个光学器件将沿着原路返回到双包层光纤6的内包层62中，因为双包层光纤6的内包层62数值孔径较大，所以很容易接收反射回来的激光信号并将其沿着双包层光纤6的内包层62反向传输，经过第三光纤合束器43反向分束后再经过第二光纤合束器42后将反射回来的激光信号输出至测距信号接收分析单元2。测距信号接收分析单元2对检测到的激光信号经过虑模处理，去除加工用能量激光信号的影响，然后进行测距分析；测距分析后的反馈控制信号可以对激光加工光学头系统或者放置被加工材料的工作台的位置进行及时调整，从而保证一致且理想的激光加工质量。测距激光发射单元1发射的激光是可见光，比如红光、绿光。因此该测距激光发射单元1发射的激光还可以用作激光加工时的指示灯，从而为用户提供了便利，且没有增加激光加工系统的复杂度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种激光加工系统，其特征在于，包括用于发射测距用激光及用于激光加工时的指示灯的测距激光发射单元(1)、用于对所检测到的激光信号进行滤膜处理的测距信号接收分析单元(2)、用于发射加工用激光的加工能量激光发射单元(3)、光纤合束模块(4)、激光加工光学头系统(5)，所述测距激光发射单元(1)、测距信号接收分析单元(2)、加工能量激光发射单元(3)通过光纤连接所述光纤合束模块(4)，所述光纤合束模块(4)通过双包层光纤(6)连接激光加工光学头系统(5)；所述测距信号接收分析单元(2)接收从被加工材料表面反射并依次通过激光加工光学头系统(5)及光纤合束模块(4)传送回来的激光，并进行分析；

所述双包层光纤(6)包括纤芯(61)、内包层(62)、外包层(63)；

所述光纤合束模块(4)包括第一光纤合束器(41)，所述第一光纤合束器(41)包括三个输入端和一个输出端；所述第一光纤合束器(41)的三个输入端分别通过光纤与测距激光发射单元(1)、测距信号接收分析单元(2)、加工能量激光发射单元(3)连接，所述第一光纤合束器(41)的输出端连接双包层光纤(6)；

或

所述光纤合束模块(4)包括第二光纤合束器(42)和第三光纤合束器(43)，所述第二光纤合束器(42)包括两个输入端和一个输出端，所述第二光纤合束器(42)的输入端分别通过光纤连接测距激光发射单元(1)、测距信号接收分析单元(2)；所述第三光纤合束器(43)包括两个输入端和一个输出端，所述第三光纤合束器(43)两个输入端分别与加工能量激光发射单元(3)、所述第二光纤合束器(42)的输出端连接，所述第三光纤合束器(43)的输出端连接双包层光纤(6)。

2.根据权利要求1所述的激光加工系统，其特征在于，所述测距激光发射单元(1)发射的测距用激光是单模激光信号，所述单模激光信号在双包层光纤(6)的纤芯中传输。

3.根据权利要求1所述的激光加工系统，其特征在于，所述测距激光发射单元(1)发射的测距用激光是多模激光信号，所述多模激光信号在双包层光纤(6)的内包层中传输。

4.根据权利要求1所述的激光加工系统，其特征在于，所述测距激光发射单元(1)发射的测距用激光是可见光。

5.根据权利要求1所述的激光加工系统，其特征在于，所述激光加工光学头系统包括光纤准直头、扩束单元、反射透镜、聚焦透镜单元，所述光纤准直头与双包层光纤连接，用于将双包层光纤(6)输出的激光信号转换成平行光输出；所述扩束单元将通过光纤准直头输出的平行光放大，放大后的平行光通过反射透镜和聚焦透镜单元后聚焦到加工材料表面。