CN107065215B - 可扩展阵列光纤输出激光器 - Google Patents

可扩展阵列光纤输出激光器 Download PDF

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Abstract

本发明属于激光器技术领域，尤其一种可扩展的阵列光纤输出激光器，包括电模块、N个光模块单元、与光模块单元对应的激光输出头、光斑定位器，所述N≥2，光模块单元通过光纤与激光输出头连接，N个激光输出头设置于光斑定位器中；电模块同时对N个光模块单元进行供电和控制；激光器输出的激光经过光纤传输至对应的激光输出头；激光输出头将激光聚焦后形成光斑；光斑定位器实现光斑单行或单列、多行或多列的阵列排布。解决了现有激光器功率不足、功率密度不够、安全可靠性差的问题，能更好应用于大型工件的表面改性和修复，同时由于可实现较高的功率密度，可适用于任何高熔点材料。

Description

可扩展阵列光纤输出激光器
技术领域
本发明属于激光器技术领域，尤其涉及一种可扩展的阵列光纤输出激光器。
背景技术
在采矿、钢铁、石油、化工、电力、模具、农业机械等领域中，大量的重型机械设备因长期工作运转，设备关键部件出现磨损或毁坏，影响设备的使用寿命。为延长设备的使用寿命，或使毁坏设备恢复运行，常借用激光技术进行金属工件的表面修复或改性，提高工件表面的硬度、耐磨性、耐腐蚀、耐疲劳等机械性能。
金属工件的表面修复或改性需要高密度(～200W/mm2)激光，这种高密度激光在技术上是将激光器发出的激光经聚焦透镜聚焦实现的。从输出方式上分类，激光器有空间传输激光器和光纤输出激光器两大类。其中空间输出激光器较早应用于金属表面改性修复工艺中，由于其体积较大，三维操作不便，长时间出光稳定性差等原因导致其不能很好的在该激光工艺应用中推广。相较空间输出激光器，光纤输出激光器通过光纤输出激光，柔韧性好、激光输出头体积小、重量轻、灵活性高，便于实现三维操作，因此在金属表面修复与改性工艺中应用较广。为了提高工艺加工效率，特别当加工对象为大型机械部件时，通常采用大光斑激光光束，即在保证激光功率密度不变的前提下提高激光输出功率。传统的光纤输出激光器采用光纤耦合结构，该结构在输出功率较高时，耦合点损耗较大，安全稳定性差，且受光纤自身特性限制，一般输出功率不超过3000W，即在确保功率密度不小于200W/mm2的条件下，光斑大小不超过15mm2。
发明内容
为了解决现有的光纤输出激光器输出功率低，光斑面积小，且安全可靠性较低的问题，本发明提供一种可扩展阵列光纤输出激光器，实现高功率大光斑激光光束输出，满足金属表面修复或改性工艺对数千瓦、数万瓦激光器的实际工程应用的需求。
本发明的技术解决方案是提供一种可扩展阵列光纤输出激光器，其特殊之处在于：包括电模块、N个光模块单元、与光模块单元对应的激光输出头、光斑定位器，所述N≥2，上述光模块单元通过光纤与激光输出头连接，N个激光输出头设置于光斑定位器中；
上述电模块同时对N个光模块单元进行供电和控制；
上述光模块单元输出的激光经过光纤传输至对应的激光输出头；
上述激光输出头将激光聚焦后形成光斑；
上述光斑定位器实现光斑单行或单列、多行或多列的阵列排布，且相邻光斑可部分或完全重叠。
优选地，上述光斑定位器包括光斑定位器本体，上述光斑定位器本体内部设置有M个激光输出头定位孔，上述激光输出头定位孔的孔径大于激光输出头的直径，上述多个激光输出头定位孔单列或多列排布，激光输出头穿过激光输出头定位孔；上述M≥N；
上述激光输出头定位孔为台阶孔；
激光输出头上套设有定位法兰，定位法兰的外径大于台阶孔小端孔径，定位法兰的外径小于台阶孔大端孔径；
还包括多个微调旋钮；上述微调旋钮穿过定位法兰旋入光斑定位器本体，将激光输出头固定在光斑定位器本体上。
M个激光输出头定位孔实现对多个光纤输出激光器输出头方向的初步定位，使多个激光器输出头聚焦系统的聚焦光斑位于同一平面上，且相邻两个聚焦光斑可重合或部分重合。
通过调节微调旋钮，调节定位法兰的倾斜度同时即可对激光输出头倾斜方向和角度进行微调节，控制多个聚焦光斑相邻光斑之间的重合度，实现对组合光斑大小和形状精确控制。
因输出激光含有大角度发散的杂光，杂光传输至激光输出头侧壁上会使激光输出头发热，作为本发明的进一步改进，该光斑定位器还包括多个水流通道、入水口与出水口；
上述水流通道将多个激光输出头定位孔连通；
上述入水口和出水口均设置在水流通道上或设置在光斑定位器本体并与激光输出头定位孔连通；
台阶孔的大端口设置有密封法兰，所述密封法兰与激光输出头及台阶孔的大端口密封设置；
台阶孔小端口周向与光斑定位器本体密封设置。
激光输出头定位孔与光斑定位器的入水口、出水口以及水流通道共同组成可循环冷却水通道，可对置入其中的激光输出头使用循环水冷却，提高激光输出头系统的安全性。
优选地，上述微调旋钮未旋入光斑定位器本体的部分套设有弹簧。
优选地，上述水流通道将台阶孔的大端与大端连通，将台阶孔的小端与小端连通。
优选地，所述微调旋钮沿激光输出头定位孔周向均匀排布，每个激光输出头定位孔周向均匀排布四个微调旋钮。
优选地，上述密封法兰与台阶孔大端口及激光输出头之间均设置有密封圈；上述台阶孔小端口周向设置有密封圈。
优选地，上述激光输出头内包括依次设置的准直透镜组和聚焦透镜组。准直透镜组将根据设计将光纤发出的激光准直为直径为几毫米到数十毫米的准直光束；聚焦透镜组将上述的准直激光束聚焦圆光斑或线光斑。聚焦后圆光斑的光斑直径为一般2mm-10mm。聚焦后的线光斑宽度为一般0.2mm-2mm，长度一般为3mm-20mm左右。聚焦光斑的功率密度可达到100W/mm2-600W/mm2。
优选地，上述准直透镜组和聚焦透镜组可以设置于同一机械镜筒内也可以分别设置于不同的机械镜筒内或分别设置于两个独立的镜架中。
上述准直透镜组可将光纤发出的激光整形为准直光束；聚焦透镜组将准直光束聚焦为圆光斑或线光斑。
优选地，上述激光器为千瓦级的光纤输出激光器，可实现千瓦级的功率输出。
本发明的有益效果是：
1、本发明的激光器通过激光输出头将单元激光器输出的激光聚焦成一定形状的光斑，然后再将N个聚焦后的光斑通过光斑定位器排成一定形状的光斑阵列；实现高功率(万瓦)激光输出；
2、本发明的光斑定位器在不提高单个光纤输出激光器系统输出功率的同时提高聚焦光斑的功率密度，系统的安全可靠性高；在不降低聚焦光斑功率密度的同时，增大聚焦光斑面积，提高熔敷效率；且具有水流通道，可使用循环冷却水对激光输出头进行冷却，系统安全性高。
3、激光输出头准直透镜(组)和聚焦透镜(组)，将光纤输出激光进行准直后再聚焦，得到理想的聚焦光斑；
4、该激光器采用千瓦级的光纤输出激光器作为光模块单元中的激光器，光斑阵列可以达到300W/mm2-600W/mm2的功率密度；
5、相对于同等功率的其他种类激光器，本发明除了具备光纤激光器灵活性好、易于三维加工的自身优势之外，还兼具稳定性好、可靠性高、加工能力强等优势，可实现高功率(万瓦)激光输出；
6、本发明能更好应用于大型工件的表面改性和修复，同时由于可实现较高的功率密度，可适用于任何高熔点材料。
附图说明
图1为本发明可扩展阵列光纤输出激光器结构示意图；
图2为光模块单元中激光输出头示意图；
图3a为圆形光斑阵列排布示意图；
图3b为线状光斑阵列排布示意图；
图4为光斑定位器结构示意图；
图5a为图1光斑定位器输出的光斑沿横向方向完全重合的光斑示意图；
图5b为图1光斑定位器输出的光斑沿横向方向部分重合的光斑示意图；
图5c为图1光斑定位器输出的光斑沿横向方向不重合的光斑示意图；
图5d为将激光输出头旋转90°，光斑沿纵方向不完全重合情况下组合光斑示意图；
图6a为多列排布的多个圆形光斑组合示意图；
图6b为多列排布的多个矩形光斑组合示意图。
图中附图标记为：1-光斑定位器本体，11-激光输出头定位孔，12-微调旋钮，13-密封圈，14-入水口，15-出水口，16-水流通道，17-平面，18-螺丝，2-激光输出头，21-定位法兰，22-密封法兰，31-准直透镜，32-聚焦透镜。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步的描述。
如图1，本发明可扩展阵列光纤输出激光器结构包括：电模块、N个光模块单元、输出光纤、激光输出头及光斑定位器。电模块同时对N个光模块单元进行供电和控制，可实现全部或者部分光模块同时出光，光模块输出激光经过光纤传输至对应的激光输出头，激光输出头内部含有准直透镜31系统和聚焦透镜32系统，可将光束聚焦成一定形状的光斑。激光输出头全部固定放置在光斑定位器上，通过光斑定位器控制其光束传输方向，最终实现如图3a及图3b所示的光斑阵列排布。
激光输出头内部结构如图2所示，为了获得理想的聚焦光斑，需要将光纤输出激光进行准直后再聚焦，激光输出头主要包括两部分，准直透镜31(组)和聚焦透镜32(组)，准直透镜31(组)和聚焦透镜32(组)可放置于同一机械镜筒内(也可分开放于两个独立镜架中)，形成一个完整的光斑聚焦系统。激光束通过聚焦透镜32(组)后，根据需要可以聚焦为圆形光斑或线形光斑。聚焦后圆光斑直径一般为2mm-10mm，聚焦后的线光斑宽度一般0.2mm-2mm，长度为3mm-20mm左右。
图4为光斑定位器纵向剖面示意图，图示未显示出与所示每个定位孔中两个微调旋钮12相互垂直方向上的两个微调旋钮。
从图4可以看出，该光斑定位器主要包括3个单列排布的激光输出头定位孔11、沿定位孔圆周等距分布的4个微调旋钮12。激光输出头定位孔11及激光输出头2均为圆柱形。
激光输出头2置于激光输出头定位孔11中，激光输出头定位孔11对3个激光输出头2的方向及位置初步定位，使3个激光聚焦光斑位于同一平面17上，且相邻光斑可完全重合或部分重合。
激光输出头定位孔11为台阶孔；激光输出头2上套设有定位法兰21，定位法兰21的外径大于台阶孔小端孔径，定位法兰21的外径小于台阶孔大端孔径；微调旋钮12通过定位法兰21将激光输出头2与光斑定位器本体1相固定，通过调节微调旋钮12控制每个激光输出头2在激光输出头排列方向的倾斜方向和角度，从而精确控制3个聚焦光斑的位置及相邻光斑的重合度，进而得到不同大小的组合光斑。
如图5a、图5b、图5c及图5d所示，其中1个激光输出头2的聚焦光斑为宽0.3-2mm，长3-20mm的矩形光斑，光斑密度为200W/mm2，利用本发明将3个上述聚焦光斑进行横向或纵向组合，可形成宽0.3-6mm，长3-60mm的矩形光斑，光斑密度≥200W/mm2。
因输出激光含有大角度发散的杂光，杂光传输至激光输出头侧壁上会使激光输出头发热，为了克服该问题，本光斑定位器还包括可循环的冷却水系统，具体包括入水口14、出水口15及水流通道16，水流通道16将多个激光输出头定位孔11连通，入水口14及出水口15均设置在水流通道16上。
激光输出头定位孔11下端即小端口内壁周向设置有密封圈，用于实现激光输出头与光斑定位器本体的密封；激光输出头定位孔11上端即大端口通过密封法兰22及密封圈与光斑定位器密封。具体的，光斑定位器本体1与激光输出头的密封法兰22之间由螺丝18固定，且二者连接处由密封圈13密封。激光输出头2与密封法兰22接触处由密封圈13密封。因此，激光输出头定位孔11与定位器本身的水流通道一起构成整个光斑定位器的水流通道，如图1所示，循环冷却水由入水口14进入水流通道并沿箭头所示方向流动，并由出水口15流出，从而将激光输出头的热量带走，达到给激光输出头降温的效果。
该可扩展阵列光纤输出激光器的具体工作方式为，电模块同时对N个光模块单元进行供电和控制，实现全部或者部分光模块同时出光，N个光模块输出激光经过光纤传输至对应的N个激光输出头，激光输出头内部的准直透镜31系统和聚焦透镜32系统将光束聚焦为一定形状的光斑。通过光斑定位器实现N个聚焦光斑单行、单列或者多行、多列排布。光斑定位器具体调节操作为，首先将N个激光输出头分别放置于对应的激光输出头定位孔内，旋转微调旋钮固定激光输出头确保其在定位孔内无晃动。其次电模块控制N个光模块同时出光或者逐个出光。根据光斑在聚焦光斑平面的位置进行光斑位置调节，具体调节方式为通过调节微调旋钮控制定位法兰的倾斜角度，实现光斑在聚焦光斑平面的移动从而实现光斑单行或单列、多行或多列的阵列排布。最后，紧固密封法兰，在定位器内部形成密封空间，通过进出水口进行内部冷却水循环，实现激光输出头的冷却降温。在此过程中注意，在上述光斑调节过程中，光模块一般不需要满功率出光，输出光束在确保可观察到亮度足够清晰的光斑即可。
通过光斑定位器上的调节旋钮可实现图3a、图3b、图6a及图6b的光斑排布阵列：(1)圆形光斑部分或全部重叠的方式一字排开或者多行矩阵排列，具体形状可根据实际加工需求设计。(2)线形聚焦光斑排布阵列可采用部分或全部重叠的方式排列。为保证加工效果，实际排列中相邻两个光斑可以部分重叠或者完全重叠排布，从而实现300-600W/mm2的超高功率密度激光输出，针对市场现有激光器光功率密度不足，可广泛应用于高熔点材质的表面改性或修复工艺。
以上所述并不限于本发明，本专利所要保护内容主要针对多聚焦光束组合阵列光斑这一结构思想进行保护，凡在本发明的原理之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种可扩展阵列光纤输出激光器，其特征在于：包括电模块、N个光模块单元、与光模块单元对应的激光输出头、光斑定位器，所述N≥2，所述光模块单元通过光纤与激光输出头连接，N个激光输出头设置于光斑定位器中；
所述电模块同时对N个光模块单元进行供电和控制；
所述光模块单元输出的激光经过光纤传输至对应的激光输出头；
所述激光输出头将激光聚焦后形成光斑；
所述光斑定位器实现光斑单行或单列、多行或多列的阵列排布；所述光斑定位器包括光斑定位器本体，所述光斑定位器本体(1)内部设置有M个激光输出头定位孔(11)，所述激光输出头定位孔(11)的孔径大于激光输出头(2)的直径，所述M个激光输出头定位孔(11)单列或多列排布，激光输出头(2)穿过激光输出头定位孔(11)；所述M≥N；
所述激光输出头定位孔(11)为台阶孔；
激光输出头(2)上套设有定位法兰(21)，定位法兰(21)的外径大于台阶孔小端孔径，定位法兰(21)的外径小于台阶孔大端孔径；
还包括多个微调旋钮(12)；所述微调旋钮(12)穿过定位法兰(21)旋入光斑定位器本体(1)，将激光输出头(2)固定在光斑定位器本体(1)上。
2.根据权利要求1所述的可扩展阵列光纤输出激光器，其特征在于：所述光斑定位器还包括多个水流通道(16)、入水口(14)与出水口(15)；
所述水流通道(16)将多个激光输出头定位孔(11)连通；
所述入水口(14)和出水口(15)均设置在水流通道(16)上或设置在光斑定位器本体并与激光输出头定位孔(11)连通；
台阶孔的大端口设置有密封法兰(22)，所述密封法兰(22)与激光输出头及台阶孔的大端口密封设置；
台阶孔小端口周向与光斑定位器本体密封设置。
3.根据权利要求2所述的可扩展阵列光纤输出激光器，其特征在于：所述微调旋钮(12)未旋入光斑定位器本体(1)的部分套设有弹簧。
4.根据权利要求3所述的可扩展阵列光纤输出激光器，其特征在于：所述水流通道(16)将台阶孔的大端与大端连通，将台阶孔的小端与小端连通。
5.根据权利要求4所述的可扩展阵列光纤输出激光器，其特征在于：所述微调旋钮(12)沿激光输出头定位孔(11)周向均匀排布，每个激光输出头定位孔(11)周向均匀排布四个微调旋钮(12)。
6.根据权利要求5所述的可扩展阵列光纤输出激光器，其特征在于：所述密封法兰(22)与台阶孔大端口及激光输出头之间均设置有密封圈；所述台阶孔小端口周向设置有密封圈。
7.根据权利要求1-6任一所述的可扩展阵列光纤输出激光器，其特征在于：所述激光输出头内包括依次设置的准直透镜(31)组和聚焦透镜(32)组；所述准直透镜(31)组和聚焦透镜(32)组设置于同一机械镜筒内。
8.根据权利要求7所述的可扩展阵列光纤输出激光器，其特征在于：所述准直透镜(31)组和聚焦透镜(32)组分别设置于不同的机械镜筒内或分别设置于两个独立的镜架中；准直透镜(31)组将光纤发出的激光整形为准直光束；聚焦透镜(32)组将准直光束聚焦为圆光斑或线光斑。
9.根据权利要求1-6任一所述的可扩展阵列光纤输出激光器，其特征在于：所述激光器为千瓦级的光纤输出激光器。
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