CN105846294B - 实时监控切割状态的激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种实时监控切割状态的激光器，其激光增益介质纤芯由内向外依次包覆有玻璃隔离层、荧光材料层和外包层，激光增益介质纤芯的折射率大于玻璃隔离层的折射率，玻璃隔离层的折射率大于的荧光材料层折射率，荧光材料层折射率大于外包层的折射率，所述包层光纤的输入端和输出端分别设置有第一光纤布拉格光栅、第二光纤布拉格光栅，且包层光纤位于泵浦光源一侧的端面具有一尾镜，所述包层光纤和传输光纤之间依次设置有第一凸透镜、第二凸透镜；位于第一凸透镜、第二凸透镜之间设置有一半反半透晶片，该半反半透晶片与光路呈一锐角角度设置。本发明在切割高反射材料时，能及时检测到激光波长超过设定阈值，迅速停止避免了激光原路返回，且由于之前均为光速，响应时间快。

Description

实时监控切割状态的激光器
技术领域
本发明涉及一种实时监控切割状态的激光器，属于激光切割技术领域。
背景技术
现有激光切割过程控制方法主要是通过程序预设轨迹、速度、功率来完成切割加工。现有激光加工工艺中存在一个效率和良率的矛盾，比如穿孔，为了要快速的完成穿孔，我们希望使用高功率，以提供较大的能量输入，但是输入的能量过高又很容易造成熔池中金属材料的剧烈气化引起爆炸造成穿孔失败，并产生飞溅污染镜片。传统的解决办法是，在程序中预设比较低的功率，并用较长的时间来完成穿孔确保穿透，预留较高的冗余保证穿孔的质量和安全，这种方式存下加工效率低，过于依赖于以往的经验和数据，且很难做到实时控制，由于针对新的产品加工时，这些问题显得更为凸出。
发明内容
本发明目的是提供一种实时监控切割状态的激光器，该实时监控切割状态的激光器在切割高反射材料时，能及时检测到激光波长超过设定阈值，迅速停止避免了激光原路返回，且由于之前均为光速，响应时间快。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种实时监控切割状态的激光器，包括泵浦光源、包层光纤和传输光纤，所述的泵浦光源侧面泵浦或者端面泵浦所述包层光纤，所述包层光纤进一步包括位于中心的激光增益介质纤芯，此激光增益介质纤芯由内向外依次包覆有玻璃隔离层、荧光材料层和外包层，激光增益介质纤芯的折射率大于玻璃隔离层的折射率，玻璃隔离层的折射率大于的荧光材料层折射率，荧光材料层折射率大于外包层的折射率，所述包层光纤的输入端和输出端分别设置有第一光纤布拉格光栅、第二光纤布拉格光栅，且包层光纤位于泵浦光源一侧的端面具有一尾镜，所述包层光纤和传输光纤之间依次设置有第一凸透镜、第二凸透镜；所述荧光材料层内掺杂有Cr3+、Ti3+、Yb3+、Er3+离子；
位于第一凸透镜、第二凸透镜之间设置有一半反半透晶片，该半反半透晶片与光路呈一锐角角度设置，来自包层光纤的激光穿过半反半透晶片传输给传输光纤并将来自传输光纤的光线经半反半透晶片进行反射，位于半反半透晶片正下方由上往下依次设置有低通滤波镜、聚焦镜，此聚焦镜接收来自半反半透晶片的反射光；一成像器位于聚焦镜一侧，用于接收来自聚焦镜的光线，所述玻璃隔离层的横截面为矩形结构。
上述技术方案中进一步改进的技术方案如下：
作为优选，所述泵浦光源为太阳光泵浦源、闪光灯泵浦源、光导管泵浦源、连续灯泵浦源、半导体阵列激光器泵浦源或者阵列发光二极管泵浦源。
作为优选，所述激光增益介质层内掺杂有Nd3+、Cr3+、Er3+、Yb3+离子。
作为优选，所述荧光材料层内掺杂有Cr3+、Ti3+、Yb3+、Er3+离子。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点和效果：
1、本发明实时监控切割状态的激光器，其极大的提升穿孔速度，由于可以自动使用接近临界值的最大功率进行穿孔，不必预设安全冗余使得穿孔效率极大提高，也降低穿孔的不良率，高速的在线监测功能可以使得爆孔发生前迅速降低激光功率，避免其发生，因而几乎可以使得每次穿孔都获得均一稳定的效果；其次，其在切割高反射材料时，能及时检测到激光波长超过设定阈值，迅速停止避免了激光原路返回，且由于之前均为光速，响应时间快；再次，其包层光纤的输入端和输出端分别设置有第一光纤布拉格光栅、第二光纤布拉格光栅，且包层光纤位于泵浦光源一侧的端面具有一尾镜，将位于包层光纤内未被吸收的种子光多次反射回去，有利于提高光源利用率，形成高稳定激光。
2、本发明实时监控切割状态的激光器，其提高切割速度，可以试用高功率进行切割，并且切割速度快功率冗余小，激光能量得到充分利用；且降低切割不良率，在切割失败发生前根据监测结果迅速调整功率，或者停止加工，处理故障后重新切割，避免了大型工件因为局部切割不良造成报废，切割状态分析，通过对其产生的大量工艺数据，可以对切割状态有一个精确的量化判断，为改进和开发新的切割工艺提供原始数据；其次，位于激光增益介质纤芯和荧光材料层之间玻璃隔离层的横截面为矩形结构，进一步提高了耦合效率。
附图说明
附图1为本发明实时监控切割状态的激光器结构示意图；
附图2为附图1中A-A剖面结构示意图。
以上附图中：1、泵浦光源；2、包层光纤；21、激光增益介质纤芯；22、玻璃隔离层；23、荧光材料层；24、外包层；3、传输光纤；4、第一光纤布拉格光栅；5、第二光纤布拉格光栅；6、尾镜；7、第一凸透镜；8、第二凸透镜；9、半反半透晶片；10、低通滤波镜；11、聚焦镜；12、成像器。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步描述：
实施例1：一种实时监控切割状态的激光器，包括泵浦光源1、包层光纤2和传输光纤3，所述的泵浦光源侧面泵浦或者端面泵浦所述包层光纤2，所述包层光纤2进一步包括位于中心的激光增益介质纤芯21，此激光增益介质纤芯21由内向外依次包覆有玻璃隔离层22、荧光材料层23和外包层24，激光增益介质纤芯21的折射率大于玻璃隔离层22的折射率，玻璃隔离层22的折射率大于的荧光材料层23折射率，荧光材料层23折射率大于外包层24的折射率，所述包层光纤2的输入端和输出端分别设置有第一光纤布拉格光栅4、第二光纤布拉格光栅5，且包层光纤2位于泵浦光源1一侧的端面具有一尾镜6，所述包层光纤2和传输光纤3之间依次设置有第一凸透镜7、第二凸透镜8；
位于第一凸透镜7、第二凸透镜8之间设置有一半反半透晶片9，该半反半透晶片9与光路呈一锐角角度设置，来自包层光纤2的激光穿过半反半透晶片9传输给传输光纤3并将来自传输光纤3的光线经半反半透晶片9进行反射，位于半反半透晶片9正下方由上往下依次设置有低通滤波镜10、聚焦镜11，此聚焦镜11接收来自半反半透晶片9的反射光；一成像器12位于聚焦镜11一侧，用于接收来自聚焦镜11的光线，所述玻璃隔离层22的横截面为矩形结构。
上述泵浦光源1为闪光灯泵浦源，上述激光增益介质纤芯21内掺杂有Nd3+离子。
上述荧光材料层23内掺杂有Er3+离子。
实施例2：一种实时监控切割状态的激光器，包括泵浦光源1、包层光纤2和传输光纤3，所述的泵浦光源侧面泵浦或者端面泵浦所述包层光纤2，所述包层光纤2进一步包括位于中心的激光增益介质纤芯21，此激光增益介质纤芯21由内向外依次包覆有玻璃隔离层22、荧光材料层23和外包层24，激光增益介质纤芯21的折射率大于玻璃隔离层22的折射率，玻璃隔离层22的折射率大于的荧光材料层23折射率，荧光材料层23折射率大于外包层24的折射率，所述包层光纤2的输入端和输出端分别设置有第一光纤布拉格光栅4、第二光纤布拉格光栅5，且包层光纤2位于泵浦光源1一侧的端面具有一尾镜6，所述包层光纤2和传输光纤3之间依次设置有第一凸透镜7、第二凸透镜8；
位于第一凸透镜7、第二凸透镜8之间设置有一半反半透晶片9，该半反半透晶片9与光路呈一锐角角度设置，来自包层光纤2的激光穿过半反半透晶片9传输给传输光纤3并将来自传输光纤3的光线经半反半透晶片9进行反射，位于半反半透晶片9正下方由上往下依次设置有低通滤波镜10、聚焦镜11，此聚焦镜11接收来自半反半透晶片9的反射光；一成像器12位于聚焦镜11一侧，用于接收来自聚焦镜11的光线，所述玻璃隔离层22的横截面为矩形结构。
上述泵浦光源1为半导体阵列激光器泵浦源，上述激光增益介质纤芯21内掺杂有Cr3+离子；所述荧光材料层23内掺杂有Ti3+离子；
上述荧光材料层23内掺杂有Yb3+离子。
采用上述实时监控切割状态的激光器时，其极大的提升穿孔速度，由于可以自动使用接近临界值的最大功率进行穿孔，不必预设安全冗余使得穿孔效率极大提高，也降低穿孔的不良率，高速的在线监测功能可以使得爆孔发生前迅速降低激光功率，避免其发生，因而几乎可以使得每次穿孔都获得均一稳定的效果；其次，其在切割高反射材料时，能及时检测到激光波长超过设定阈值，迅速停止避免了激光原路返回，且由于之前均为光速，响应时间快；再次，其包层光纤的输入端和输出端分别设置有第一光纤布拉格光栅、第二光纤布拉格光栅，且包层光纤位于泵浦光源一侧的端面具有一尾镜，将位于包层光纤内未被吸收的种子光多次反射回去，有利于提高光源利用率，形成高稳定激光；再次，其提高切割速度，可以试用高功率进行切割，并且切割速度快功率冗余小，激光能量得到充分利用；且降低切割不良率，在切割失败发生前根据监测结果迅速调整功率，或者停止加工，处理故障后重新切割，避免了大型工件因为局部切割不良造成报废，切割状态分析，通过对其产生的大量工艺数据，可以对切割状态有一个精确的量化判断，为改进和开发新的切割工艺提供原始数据。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种实时监控切割状态的激光器，其特征在于：包括泵浦光源（1）、包层光纤（2）和传输光纤（3），所述泵浦光源侧面泵浦或者端面泵浦所述包层光纤（2），所述包层光纤（2）进一步包括位于中心的激光增益介质纤芯（21），此激光增益介质纤芯（21）由内向外依次包覆有玻璃隔离层（22）、荧光材料层（23）和外包层（24），激光增益介质纤芯（21）的折射率大于玻璃隔离层（22）的折射率，玻璃隔离层（22）的折射率大于的荧光材料层（23）折射率，荧光材料层（23）折射率大于外包层（24）的折射率，所述包层光纤（2）的输入端和输出端分别设置有第一光纤布拉格光栅（4）、第二光纤布拉格光栅（5），且包层光纤（2）位于泵浦光源（1）一侧的端面具有一尾镜（6），所述包层光纤（2）和传输光纤（3）之间依次设置有第一凸透镜（7）、第二凸透镜（8）；所述荧光材料层（23）内掺杂有Cr3+、Ti3+、Yb3+、Er3+离子；
位于第一凸透镜（7）、第二凸透镜（8）之间设置有一半反半透晶片（9），该半反半透晶片（9）与光路呈一锐角角度设置，来自包层光纤（2）的激光穿过半反半透晶片（9）传输给传输光纤（3）并将来自传输光纤（3）的光线经半反半透晶片（9）进行反射，位于半反半透晶片（9）正下方由上往下依次设置有低通滤波镜（10）、聚焦镜（11），此聚焦镜（11）接收来自半反半透晶片（9）的反射光；一成像器（12）位于聚焦镜（11）一侧，用于接收来自聚焦镜（11）的光线，所述玻璃隔离层（22）的横截面为矩形结构。
2.根据权利要求1所述的实时监控切割状态的激光器，其特征在于：所述泵浦光源（1）为太阳光泵浦源、闪光灯泵浦源、光导管泵浦源、连续灯泵浦源、半导体阵列激光器泵浦源或者阵列发光二极管泵浦源。
3.根据权利要求1所述的实时监控切割状态的激光器，其特征在于：所述激光增益介质纤芯（21）内掺杂有Nd3+、Cr3+、Er3+、Yb3+离子。
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