CN104752955B - 一种防光反馈的高功率半导体激光加工光源系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种防光反馈的高功率半导体激光加工光源系统，包括半导体激光器，光学整形模块，壳体，防反馈遮板，信号传输部件以及反馈光分布分析与预警控制器，所述的防反馈遮板设置在半导体激光器与光学整形模块之间且靠近半导体激光器，防反馈遮板对应半导体激光器的位置设有通孔且通孔的四周设置有热电传感器，通孔的尺寸可以使半导体激光器发出的激光光束完全通过。本发明不但有效防止反馈光回射损伤激光器，而且可以对反馈光进行分析和预警，相比传统的防反馈防反提高了系统的可靠性。

Description

一种防光反馈的高功率半导体激光加工光源系统

技术领域

本发明涉及一种半导体激光加工光源系统，具体为一种防光反馈并且具有反馈光分析预警功能的半导体激光加工光源系统。

背景技术

高功率半导体激光器具有体积小、重量轻、效率高、寿命长等优点，己广泛用于激光加工领域。在激光加工过程中，高功率半导体激光器出射的激光在加工件表面加工时，加工件会对激光进行部分反射，这部分反馈光极易进入高功率半导体激光器中，造成激光器输出光谱的不稳定，输出功率的抖动等现象，甚至会降低半导体激光器的使用寿命。目前消除反馈光的技术主要基于法拉第隔离镜原理或光的偏振原理，一般采用检偏器或双折射晶体、波片等光学器件，这种消除光反馈的方法由于引入多个光学器件，会降低系统的光学效率，且当防反馈的光学器件损坏或失效时，不但不能消除加工工件反射的反射光，还有可能直接反射部分激光能量，严重影响了系统的可靠性。

发明内容

本发明提供一种防光反馈的高功率半导体激光加工光源系统，不但有效防止反馈光回射损伤激光器，而且可以对反馈光进行分析和预警，提高了系统的可靠性。

本发明的技术方案如下：

一种防光反馈的高功率半导体激光加工光源系统，包括半导体激光器，光学整形模块，壳体，防反馈遮板，信号传输部件以及反馈光分布分析与预警控制器。

所述的半导体激光器固定设置于壳体内，所述的光学整形模块固定设置于壳体内且位于半导体激光器的出光方向上，壳体的前端设置保护窗口，保护窗口的中心位于半导体激光器出光光路的光轴上。所述的防反馈遮板设置在半导体激光器与光学整形模块之间且靠近半导体激光器，防反馈遮板的四周接触壳体，将壳体内部分为两个腔体，该防反馈遮板对应半导体激光器的位置设有通孔，通孔的尺寸可以使半导体激光器发出的激光光束完全通过。

所述的半导体激光器为半导体激光器叠阵。

所述的防反馈遮板面向半导体激光器的表面上设置有多个热电传感器，且多个热电传感器间距均匀的环绕分布在防反馈遮板通孔的四周，用于将防反馈遮板吸收的反馈光能量转换为电信号。所述的信号传输部件用于将热电传感器产生的信号传送至反馈光分布分析与预警控制器；所述的反馈光分布分析与预警控制器包括电路板和显示屏，电路板用于信号处理及预警控制，显示屏用于显示反馈光分布分析与预警控制器处理的反馈光参数。

半导体激光器发出的激光穿过防反馈遮板的通孔，作用于被加工工件，被加工工件由于漫反射产生回射的反馈光，回射的反馈光大部分会被防反馈遮板阻挡且吸收，反馈光的能量会转化为热量，由热电传感器处理转换成电信号，经信号传输部件传送至反馈光分布分析与预警控制器，控制器根据不同热电传感器产生的不同信号变化量，分析出反馈光的发射方向与能量分布，并通过显示屏显示所需参数。若反馈光能量超过控制器设定值时，控制器会发出预警，以提示使用者调整半导体激光器输出功率或者安装位置，以降低或者消除反馈光对半导体激光光源的影响。

所述的信号传输部件为有线传输部件，或者为无线传输部件。所述的有线传输部件为信号电缆，信号电缆的数量与热电传感器的数量相同且信号电缆与热电传感器一一对应，所述每一条信号电缆的一端均连接在反馈光分布分析与预警控制器上，另一端分别与所对应的热电传感器连接；所述的无线传输部件包括设置在防反馈遮板上的信号发射端和设置在反馈光分布分析与预警控制器上的信号接收端，所述的信号发射端与热电传感器连接。

所述的防反馈遮板可以为光阑，所述的防反馈遮板可以采用1片光阑，也可以同时采用多片光阑，来实现更好的防反馈效果，比如采用两片光阑，分别对应于激光光束的快轴和慢轴。防反馈遮板还可以为光吸收率高的吸收板，且吸收板上开有可以使激光完全通过的通孔。

所述的半导体激光器与防反馈遮板之间设置聚焦装置，用于将半导体激光器发出的激光进行会聚，以减小防反馈遮板的通孔尺寸，来实现更好的防反馈效果。所述的聚焦装置可以为一片球透镜或者柱透镜，也可以为多片准直透镜，所述的多片准直透镜分别用于对半导体激光器的快轴和慢轴进行准直，或者同时对快轴和慢轴进行准直。快轴准直透镜为准直D型非球面透镜，慢轴准直透镜为柱面透镜。

所述的光学整形模块包括至少两片柱透镜或者球透镜，用于将半导体激光器发出的激光整形为所需的光斑。

所述的热电传感器为热敏电阻。

所述的半导体激光器上设置有指示单元，指示单元可以发出可见光，该可见光经光学整形模块后会聚点位于半导体激光器光斑的中心。

所述的半导体激光器固定安装于散热块上，散热块内部设置有密封的液体制冷通道，液体制冷通道通过设置于壳体的入液孔和出液孔与外接的水循环系统连接，散热块与液体制冷通道材料为不锈钢，以防止制冷液体对液体制冷通道的腐蚀。

所述的防反馈遮板材料具有较高的导热率且表面具有较高的光吸收率，比如表面黑色氧化处理的铝，黑色氧化处理的铜，黑色氧化处理的铁。

本发明具有以下优点：

1.本发明所提出的防光反馈的高功率半导体激光加工系统采用了防反馈遮板作为防止激光回射的元件，防反馈遮板可以对大部分的反馈光进行吸收，有效的消除了加工工件反射的激光对激光器的损伤和影响，提高了系统的效率，而且防反馈结构简单，加工方便，成本低，便于安装操作。

2.本发明所提出的防光反馈的高功率半导体激光加工系统可以实现对反馈光的发射方向与能量分布进行监控，并根据反馈光能量的大小及分布情况来决定是否发出预警。通过对反馈光能量分布和大小的监控，技术人员可以判断半导体激光光源的工作状态及安装位置是否合适，来提高了加工系统的可靠性。

附图说明

图1为一种防光反馈的高功率半导体激光加工系统的实施例。

图2为防反馈遮板结构及热电传感器分布图。

图3为本发明的高功率半导体激光加工系统防光反馈原理图。

图4为本发明的高功率半导体激光加工系统防光反馈原理图二。

附图标号说明：1为半导体激光器，2为光学整形模块，3为壳体，4为防反馈遮板，5为被加工工件，6为防反馈挡板的通孔，7为反馈光分布分析与预警控制器，8为信号传输部件，9为保护窗口，10为聚焦装置，11为热电传感器。

具体实施方式

图1为一种防光反馈的高功率半导体激光加工系统的实施例，包括半导体激光器1，光学整形模块2，壳体3，防反馈遮板4，信号传输部件8以及反馈光分布分析与预警控制器7。

所述的半导体激光器1固定设置于壳3体内，所述的光学整形模块2固定设置于壳体3内且位于半导体激光器1的出光方向上，所述的防反馈遮板4设置在半导体激光器与光学整形模块2之间且靠近半导体激光器1，防反馈遮板4的四周接触壳体，将壳体3内部分为两个腔体，该防反馈遮板4对应半导体激光器1的位置设有通孔6，通孔6的尺寸可以使半导体激光器1发出的激光光束完全通过。壳体3的前端设置保护窗口9，保护窗口9的中心位于半导体激光器出光光路的光轴上。

所述的半导体激光器1为半导体激光器叠阵。

所述的防反馈遮板4面向半导体激光器1的表面上设置有多个热电传感器11，且多个热电传感器11间距均匀的环绕分布在防反馈遮板4通孔6的四周，用于将防反馈遮板4吸收的反馈光能量转换为电信号，可参考图2的防反馈遮板结构及热电传感器分布图，热电传感器a，b，c，d，e，f均匀的环绕分布在防反馈遮板4通孔6的四周。所述的信号传输部件8用于将热电传感器产生的信号传送至反馈光分布分析与预警控制器7；所述的反馈光分布分析与预警控制器7包括电路板和显示屏，电路板用于信号处理及预警控制，显示屏用于显示反馈光分布分析与预警控制器处理的反馈光参数。

图3为本发明的高功率半导体激光加工系统防光反馈原理图。半导体激光器1发出的激光穿过防反馈遮板4的通孔6，作用于被加工工件5，被加工工件5由于漫反射产生回射的反馈光，回射的反馈光大部分会被防反馈遮板4阻挡且吸收，反馈光的能量会转化为热量，由热电传感器处理转换成电信号，经信号传输部件8传送至反馈光分布分析与预警控制器，控制器根据不同热电传感器产生的不同信号变化量，分析出反馈光的发射方向与能量分布，并通过显示屏显示所需参数。若反馈光能量超过控制器设定值或者时，控制器会发出预警，以提示使用者调整半导体激光器输出功率或者安装位置，以降低或者消除反馈光对半导体激光光源的影响。

所述的信号传输部件8为有线传输部件；所述的有线传输部件为信号电缆，信号电缆的数量与热电传感器的数量相同且信号电缆与热电传感器一一对应，所述每一条信号电缆的一端均连接在反馈光分布分析与预警控制器7上，另一端分别与所对应的热电传感器11连接。

图4为本发明的高功率半导体激光加工系统防光反馈原理图二。所述的半导体激光器1与防反馈遮板4之间设置聚焦装置10，用于将半导体激光器1发出的激光进行会聚，以减小防反馈遮板4的通孔6尺寸，来实现更好的防反馈效果。所述的聚焦装置10可以为一片球透镜或者柱透镜，也可以为多片准直透镜，所述的多片准直透镜分别用于对半导体激光器的快轴和慢轴进行准直，或者同时对快轴和慢轴进行准直。快轴准直透镜为准直D型非球面透镜，慢轴准直透镜为柱面透镜。

所述的防反馈遮板4可以为光阑，所述的防反馈遮板可以采用1片光阑，也可以同时采用多片光阑，来实现更好的防反馈效果，比如采用两片光阑，分别对应于激光光束的快轴和慢轴。

所述的光学整形模块2包括至少两片柱透镜或者球透镜，用于将半导体激光器发出的激光整形为所需的光斑。

所述的热电传感器11为热敏电阻。

所述的半导体激光器1上设置有指示单元，指示单元可以发出可见光，该可见光经光学整形模块后会聚点位于半导体激光器光斑的中心。半导体激光器固定安装于散热块上，散热块内部设置有密封的液体制冷通道，液体制冷通道通过设置于壳体的入液孔和出液孔与外接的水循环系统连接，散热块与液体制冷通道材料为不锈钢，以防止制冷液体对液体制冷通道的腐蚀。

所述的防反馈遮板4材料具有较高的导热率且表面具有较高的光吸收率，比如表面黑色氧化处理的铝。

Claims (10)

1.一种防光反馈的高功率半导体激光加工光源系统，其特征在于：包括半导体激光器，光学整形模块，壳体以及防反馈遮板；所述的半导体激光器固定设置于壳体内，所述的光学整形模块固定设置于壳体内且位于半导体激光器的出光方向上，壳体的前端设置保护窗口，保护窗口的中心位于半导体激光器出光光路的光轴上；所述的防反馈遮板设置在半导体激光器与光学整形模块之间且靠近半导体激光器，防反馈遮板的四周接触壳体，将壳体内部分为两个腔体，该防反馈遮板中部对应半导体激光器的位置设有通孔，通孔的尺寸可以使半导体激光器发出的激光光束完全通过。

2.根据权利要求1所述的一种防光反馈的高功率半导体激光加工光源系统，其特征在于：还包括信号传输部件和反馈光分布分析与预警控制器；所述的防反馈遮板面向半导体激光器的一面上设置有多个热电传感器，所述的多个热电传感器间距均匀的环绕分布在防反馈遮板通孔的周围，用于将防反馈遮板吸收的反馈光能量转换为电信号；所述的信号传输部件用于将热电传感器产生的电信号传送至反馈光分布分析与预警控制器；所述的反馈光分布分析与预警控制器包括电路板和显示屏，电路板用于信号处理及预警控制，显示屏用于显示反馈光分布分析与预警控制器处理的反馈光参数。

3.根据权利要求2所述的一种防光反馈的高功率半导体激光加工光源系统，其特征在于：所述的信号传输部件为有线传输部件，或者为无线传输部件；所述的有线传输部件为信号电缆，信号电缆的数量与热电传感器的数量相同且信号电缆与热电传感器一一对应，所述信号电缆的一端连接在反馈光分布分析与预警控制器上，另一端与所对应的热电传感器连接；所述的无线传输部件包括设置在防反馈遮板上的信号发射端和设置在反馈光分布分析与预警控制器上的信号接收端。

4.根据权利要求1所述的一种防光反馈的高功率半导体激光加工光源系统，其特征在于：所述的防反馈遮板为光阑，所述的防反馈遮板采用1片光阑，或者同时采用多片光阑。

5.根据权利要求1所述的一种防光反馈的高功率半导体激光加工光源系统，其特征在于：所述的半导体激光器与防反馈遮板之间设置聚焦装置，所述的聚焦装置为一片球透镜或者柱透镜，或者为多片准直透镜；所述的多片准直透镜分别用于对半导体激光器的快轴和慢轴进行准直，或者同时对快轴和慢轴进行准直；快轴准直透镜为准直D型非球面透镜，慢轴准直透镜为柱面透镜。

6.根据权利要求1所述的一种防光反馈的高功率半导体激光加工光源系统，其特征在于：所述的半导体激光器为半导体激光器叠阵。

7.根据权利要求1所述的一种防光反馈的高功率半导体激光加工光源系统，其特征在于：所述的光学整形模块包括至少两片柱透镜或者球透镜。

8.根据权利要求2所述的一种防光反馈的高功率半导体激光加工光源系统，其特征在于：所述的热电传感器为热敏电阻。

9.根据权利要求1所述的一种防光反馈的高功率半导体激光加工光源系统，其特征在于：所述的防反馈遮板材料为表面黑色氧化处理的铝或者黑色氧化处理的铜。

10.根据权利要求1所述的一种防光反馈的高功率半导体激光加工光源系统，其特征在于：所述的半导体激光器上设置有指示单元，指示单元发出可见光，该可见光经光学整形模块后会聚点位于半导体激光器光斑的中心。