CN109521572B - 激光输出装置、激光器系统及光斑能量的调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光输出装置、激光器系统及光斑能量的调节方法，激光输出装置包括两端开口的外部套筒及设置在外部套筒内部且沿外部套筒轴向排布的多束光纤，每一束光纤的一端分别能够与一个激光器的输出端连接，另一端作为激光输出端；外部套筒为光纤介质，所述光纤介质的光折射率小于每一束光纤的光折射率；每一束光纤在外部套筒内可拆卸独立安装且排布位置及每一束光纤端面的相对高度能够调节。解决了基于光纤合束器的高功率光纤激光器激光光斑尺寸和光斑能量分布模式难以调整或调整过程复杂、成本高等问题。通过调节激光器输出及光纤排布实现光斑能量分布模式的调节，调节过程简单方便，易于实现。

Description

激光输出装置、激光器系统及光斑能量的调节方法

技术领域

本发明涉及一种应用于增材制造领域中的激光器系统，具体涉及一种激光输出装置及光斑能量分布可变的激光器系统。

背景技术

高功率光纤激光器是激光加工系统的重要能量源，是激光加工系统的核心部分。现有技术中，大多数高功率光纤激光器是基于光纤合束器实现的。光纤合束器多是采用扭转法和套管法将多根单模光纤熔融后与一根多模光纤进行熔融拉锥，这样就将多个单模光纤器的功率汇总到一根多模光纤中进行传到输出，使得激光器的功率水平得到了很大的提升，如果该多模光纤的芯径足够小，就可以保持了很好的光束质量和焦斑尺寸。具体结构如图2所示结构：多匝光纤21和22去除外部包层后的多匝光纤23和多匝光纤24，通过熔融拉锥与去除包层后的光纤41进行熔接，从而实现了多匝光纤合束到一匝光纤，激光的传输也就完成了从多束低功率激光到一束高功率激光。光纤合束器的制造工艺较为复杂，尤其是高功率和多束激光的合束器制造难度更大，但是通过这种途径可以很快提高光纤激光器的功率水平，以及输出激光的光束质量和实现较小的光斑尺寸。

现有技术中的激光加工系统除了激光器提供能量源之外，还需要激光加工头将激光和气或粉等传输至工作平面上。

如图1中传统激光加工头工作示意图所示，激光器的传输光纤末端11将激光光束以一定角度发射到准直部分12的准直镜片上，准直后的激光光束空间平行传输至会聚部分的会聚镜片13上，然后会聚镜片将激光光束会聚至工作平面14上，形成激光光斑作用区域，可能与气或者粉末等形成相互作用。根据光学空间传输原理，通过改变会聚镜片13和工作平面14之间的距离，会改变激光光束作用在工作平面14上的面积，进而改变激光光斑尺寸。根据激光能量守恒，激光光斑的能量分布会随着光斑尺寸的变化而变化。

现有技术中，使用基于光纤合束器的高功率光纤激光器，主要用于传统激光加工技术如激光切割和焊接，可以使工作效率和工艺效果得到很大提高，并且在传统激光加工，激光光斑非常小并且要求很高的光束质量，并且光斑的尺寸和能量分布模式在使用过程都是不变的。但是在增材制造领域中，与传统激光加工不同的是，增材制造更加关注激光光斑尺寸以及激光光斑能量分布模式，因为这些会直接影响成型效果。

如果使用传统基于光纤合束器的高功率光纤激光器对激光光斑尺寸和光斑能量分布模式进行调整会带来很多问题：

光斑大小调整方案，主要包括以下两种：

1、空间离焦方式：根据激光光束传播特点，改变激光作用在工作面上的光斑尺寸，该方式不能直接和连续地变化光斑，因为要与粉束耦合，如果直接离焦会改变粉斑的尺寸和会聚特性；

2、电动或手动改变会聚镜片位置离焦：电动或手动改变会聚镜片位置实现会聚镜片的加工头内离焦，这样会导致激光头结构复杂，整体长度较长。

光斑能量分布模式调整方案，主要包括以下三种：

1、使用焦点光斑；多模大芯径光纤输出的激光会是平顶能量分布，单模小芯径光纤输出的激光会是高斯能量分布；

2、、使用离焦光斑，激光光斑会是类高斯分布，无论是焦点光斑或者离焦光斑，都需要改变激光光束的纵向位置才能改变激光能量分布；

3、使用其他光学部件主动改变激光光斑能量分布，调节不灵活，且成本较高。

因此，在增材制造领域中，一款结构简单、能够调节激光光斑尺寸和光斑能量分布模式的高功率光纤激光器十分重要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种激光输出装置及具有该激光输出装置的光斑能量分布可变的激光器系统，解决基于光纤合束器的高功率光纤激光器激光光斑尺寸和光斑能量分布模式难以调整或调整过程复杂、成本高等问题。

技术方案的核心是将高功率光纤激光器系统的光纤合束器替换成激光输出装置，该激光输出装置通过多匝光纤将多匝低功率激光耦合直接输出，并且每匝低功率激光器可以实现单独控制出光，通过激光加工头最终在工作平面上会聚成一个光斑，该光斑的能量分布可以根据需要通过调节该结构中的多匝光纤位置布局来进行改变。

本发明的技术解决方案是提供一种激光输出装置，其特殊之处在于：包括两端开口外部套筒及设置在外部套筒内部且沿外部套筒轴向排布的多束光纤，每一束光纤的一端分别能够与一个激光器的输出端连接，另一端作为激光输出端；

上述外部套筒为光纤介质，光纤介质的光折射率小于每一束光纤的光折射率；

每一束光纤在外部套筒内的可拆卸独立安装且排布位置及每一束光纤端面的相对高度能够调节，具体排布按照需要进行布局，以完成所需要的激光能量分布。

进一步地，上述多束光纤包括n束主光纤与m束辅光纤；上述主光纤的输入端用于与高功率激光器的输出端连接，上述辅光纤的输入端用于与低功率激光器的输出端连接。

进一步地，上述主光纤的内芯直径大于辅光纤的内芯直径，上有辅光纤的直径均相同。

进一步地，上述外部套筒包括同轴套装的外部套筒保护层和外部套筒内芯，沿外部套筒内芯轴向开设第一通孔及多个第二通孔，第一通孔位于外部套筒内芯的轴向中心，多个第二通孔排布在以第一通孔为圆心的同一圆周上；外部套筒内芯为光纤介质，其光折射率小于每一束光纤的光折射率。

进一步地，当n＝1时，上述主光纤位于第一通孔内，辅光纤排布在第二通孔内。

进一步地，为了保证激光在光纤内芯中传播，不会在外部套筒中进行传播，光纤包括内芯与外部保护包层，外部保护包层的光折射率小于内芯的光折射率，外部套筒光纤介质的光折射率小于每一束光纤内芯的光折射率。

本发明还提供一种光斑能量分布可变的激光器系统，其特殊之处在于：包括多个激光器与上述的激光输出装置；

每一束光纤的一端分别与一个激光器的输出端连接，另一端作为激光输出端。其中各光纤的尺寸可以根据需要定制，激光器输出激光功率也可根据需要进行设定。

进一步地，上述多个激光器包括一个高功率激光器与多个低功率激光器；上述主光纤的输入端与高功率激光器的输出端连接，上述辅光纤的输入端与低功率激光器的输出端连接。

进一步地，为了减少激光输出的发散角，该激光器系统还包括设置在激光输出装置后端的准直镜组，上述准直镜组中准直镜的排布与激光输出装置中多束光纤在外部套筒中的排布位置一一对应，优化激光输出质量。

本发明还提供一种利用上述光斑能量分布可变的激光器系统实现光斑能量的调节方法，通过调节各激光器的输出功率大小及各光纤的相对高度位置，达到所需激光光斑能量分布要求。

进一步地，并且匹配一定机械机构以达到标准接口要求，和激光加工头进行匹配，一般有QBH，QD等。

本发明的有益效果是：

1、节约成本；

合束器是高功率光纤激光器的重要部件，该发明放弃使用合束器，将多匝光纤直接空间输出激光，通过本发明的激光输出装置，实现了增材制造领域需要的大光斑需求。

2、调节过程简单可控；

本发明多匝光纤输出激光功率是可控的，多匝光纤在端面的分布位置是可变的，多匝光纤端面的高度差是可变的，通过调节多束光纤内芯直径大小和多束光纤数量，实现激光光斑尺寸的调节，通过调节激光器输出及光纤排布实现光斑能量分布模式的调节，调节过程简单方便，易于实现。光斑能量分布是可以根据需求进行变化的，这是传统激光器系统很难达到的一点。

附图说明

图1为传统激光加工头工作示意图；

图2为传统光纤合束器结构示意图；

图3为本发明实施例激光输出装置结构示意图；

图4为本发明实施例光纤输出端面结构示意图；

图5为本发明实施例激光输出装置中外部套筒结构示意图；

图中附图标记为：11-传输光纤末端，12-准直镜片，13-会聚镜片，14-工作平面；

21，22-多匝光纤，23，24-去除外部包层后的多匝光纤，41-去除包层后的光纤；

31-主光纤内芯，32-主光纤外部保护包层，33-辅光纤内芯，34-辅光纤外部保护包层，35-外部套筒内芯，36-外部套筒保护层，37-第二通孔，38-第一通孔。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步地描述。

本实施例激光输出装置以图3所示的结构为例，包括外部套筒及设置在外部套筒内部且沿外部套筒轴向排布的多束光纤，该外部套筒包括同轴套装的外部套筒内芯35和外部套筒保护层36，在外部套筒内芯35上沿其轴向开设多个通孔，其中第一通孔38位于外部套筒内芯35的中心轴上，多个第二通孔37位于以第一通孔38为中心的同一圆周上，第一通孔38固定一种较粗的主光纤，在中心通孔四周的多个第二通孔37内固定多个较细的辅光纤。主光纤与辅光纤在通孔内可借助外力滑动，主光纤用来连接高功率激光器和传输高功率激光，辅光纤用来连接低功率激光器和传输低功率激光。最终在该结构的光纤端面输出激光。

如图4，为该激光输出装置光纤端面的结构，包括主光纤与辅光纤。

主光纤包括主光纤内芯31和主光纤外部保护包层32，通过光折射率的不同，使高功率激光可以在主光纤内芯31中进行传播并最终在主光纤内芯31的端面处发射；在该实施例中，主光纤外部保护包层32为直径为400微米的光纤材料；主光纤内芯31为直径200微米的内芯光纤；具体尺寸可以根据需要定制，主光纤内芯31的光折射率高于主光纤外部保护包层32的光折射率，满足激光在主光纤内芯31中传播条件，主光纤的激光来自高功率激光器，且高功率从激光器的输出激光可根据需要进行设定，不受辅光纤的影响。

辅光纤包括辅光纤内芯33和辅光纤外部保护包层35，所有辅光纤的尺寸是一样的，只是排布位置根据需要进行设置，通过折射率的不同，使低功率激光可以在辅光纤内芯33中进行传播并最终在辅光纤内芯33的端面处发射；辅光纤外部保护包层34为直径为200微米的光纤材料，辅光纤内芯33为直径100微米的内芯光纤，尺寸可以根据需要定制，辅光纤内芯33的光折射率高于辅光纤外部保护包层34的光折射率，满足激光在辅光纤内芯中传播条件。该辅光纤的激光来自多个对应的低功率激光器。输出激光功率可根据需要进行设定，并且辅光纤的数量和布局可根据需求进行设定，某种特定条件下，主光纤和辅光纤可以归为一类一起在外部套筒中进行布局；

根据光学原理，如图5所示，外部套筒内芯35也是一种光纤介质，其光折射率均小于主光纤内芯31和辅光纤内芯33的光折射率，保证激光不会在外部套筒内芯35中进行传播，同时外部套筒内芯35也是一种保护和固定辅光纤的结构；其中外部套筒保护层36为一种最外层保护装置，保护整体光纤的机械性能不被破坏；在该实施例中，外部套筒内芯35的直径为1mm，8个辅光纤以主光纤为中心均匀排布在主光纤四周，其中心构成一个直径0.7mm的圆环；

在本实例中，主光纤的端面位置低于辅光纤的端面位置，并且该主光纤的端面位置可以通过手动或电动装置可以相对中间套筒移动，从而主激光在主光纤端面的出光位置和辅助激光在辅光纤端面的出光位置略有不同，这样就可以改变输出激光光斑中心的能量分布；

将本实施例的激光输出装置应用在激光器系统中，主光纤的输入端与高功率激光器输出端连接，辅光纤的输入端与低功率激光器输出端连接，可以分别控制激光器的出光功率，来直接改变输出激光光斑上不同位置的激光功率密度，来影响激光光斑能量分布模式；当该实例的光纤位置确定后，可以优化地和外部的准直镜、标准机械接口进行整体封装，以完成与激光加工头进行匹配。

Claims (7)

1.一种激光输出装置，其特征在于：包括两端开口的外部套筒及设置在外部套筒内部且沿外部套筒轴向排布的多束光纤，每一束光纤的一端分别能够与一个激光器的输出端连接，另一端作为激光输出端；

所述外部套筒为光纤介质，所述光纤介质的光折射率小于每一束光纤的光折射率；所述外部套筒包括同轴套装的外部套筒保护层(36)和外部套筒内芯(35)，沿外部套筒内芯(35)轴向开设第一通孔(38)及多个第二通孔(37)，第一通孔(38)位于外部套筒内芯(35)的轴向中心，多个第二通孔(37)排布在以第一通孔(38)为圆心的同一圆周上；外部套筒内芯(35)为光纤介质，其光折射率小于每一束光纤的光折射率；

每一束光纤在外部套筒内可拆卸独立安装且排布位置及每一束光纤端面的相对高度能够调节，用于实现激光光斑尺寸及光斑能量分布模式的调节；光纤包括内芯与外部保护包层，外部保护包层的光折射率小于内芯的光折射率。

2.根据权利要求1所述的激光输出装置，其特征在于：所述多束光纤包括n束主光纤与m束辅光纤；其中n、m均为正整数；所述主光纤的输入端用于与高功率激光器的输出端连接，所述辅光纤的输入端用于与低功率激光器的输出端连接。

3.根据权利要求2所述的激光输出装置，其特征在于：所述主光纤的内芯直径大于辅光纤的内芯直径，所有辅光纤的直径均相同。

4.一种激光器系统，其特征在于：包括多个激光器与权利要求2或3任一所述的激光输出装置；

每一束光纤的一端分别与一个激光器的输出端连接，另一端作为激光输出端。

5.根据权利要求4所述的激光器系统，其特征在于：

所述多个激光器包括一个高功率激光器与多个低功率激光器；所述主光纤的输入端与高功率激光器的输出端连接，所述辅光纤的输入端与低功率激光器的输出端连接。

6.根据权利要求5所述的激光器系统，其特征在于：还包括设置在激光输出装置后端的准直镜组，所述准直镜组中准直镜的排布与激光输出装置中多束光纤在外部套筒中的排布位置一一对应。

7.一种利用权利要求4至6任一所述激光器系统实现光斑能量的调节方法，其特征在于：调节各激光器的输出功率大小及各光纤的相对高度位置，达到所需光斑尺寸及激光光斑能量分布要求。