CN111129915B - 一种用于光纤激光器的防反射系统及方法 - Google Patents

一种用于光纤激光器的防反射系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于光纤激光器的防反射系统及方法，属于光纤激光器保护技术领域。光纤激光器产生的高功率激光的传输光路依次经过传输光纤、空间反射镜、可调谐反射镜、传输光纤、返回光探测点、端帽达到加工区域；被加工零件的返回可经过熔接点进行衰减，同时熔接点泄露的光可使用光电探测器进行监测；当所述光电探测器监测到的返回光达到特定阈值时，第二反射镜偏转，改变激光的出射方向。

Description

一种用于光纤激光器的防反射系统及方法
技术领域
本发明涉及一种用于光纤激光器的防反射系统及方法，属于光纤激光器保护技术领域。
背景技术
光纤激光器在激光加工领域具有举足轻重的地位，其在激光切割、激光焊接、激光熔覆、激光清洗、激光3D打印领域突飞猛进，大有替代传统加工的趋势。随着激光器技术进步，激光已经可以对多种材料进行加工，但在铝、铜、银等高反射材料的加工领域，加工时仍需要采用辅助氧化气体方式来降低加工的激光功率阈值，从而有效降低加工材料表面的反射光损坏激光器。在高功率激光加工过程中，随着高功率激光入射到加工材料表面，加工熔池形成，工件表面反射面会发生动态变化，造成加工件表面散射情况形成动态变化，使得加工件反射光反射方向和光强难以得到相应控制。反射的激光极易进入激光器中，造成激光器输出光谱的不稳定，输出功率的抖动等现象，最终损坏激光器。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种用于光纤激光器的防反射系统及方法，该系统能够防止激光熔覆过程中的反射光返回到激光器内部，保护光纤激光器，该系统应用于激光加工领域激光防反射，确保激光器在高反射情况下，能够迅速切断光路，防止反射光注入在激光器内部，保护激光器，确保激光器安全。
本发明采用的技术方案是：
一种用于光纤激光器的防反射系统，该防反射系统包括第一反射镜、第二反射镜、第一准直器、第二准直器、吸能盒、传输光纤、端帽、光电探测器和主控电路；
第二反射镜为可调谐反射镜，可调谐反射角度为0-10°；
端帽熔接在传输光纤的一端，端帽与传输光纤的连接点为返回光探测点，传输光纤的另一端与第二准直器固定连接；
当对待加工工件进行加工时，光纤激光器发出的激光依次经过第一准直器、第一反射镜、第二反射镜、第二准直器后通过传输光纤传输至端帽，并通过端帽传输至加工区域；
当返回光达到设定阈值时，第二反射镜的调谐角度的确定以第二反射镜反射的激光光束的能量被吸能盒吸收的最大值为准；吸能盒用于吸收第二反射镜反射的激光光束；
第二反射镜的调谐角度通过主控电路控制；
待加工工件的表面返回光通过端帽到达返回光探测点时通过光电探测器对返回光进行功率测量，当返回光的功率达到设定阈值时，主控电路调整第二反射镜的调谐角度使得第二反射镜反射的激光光束的能量被吸能盒吸收。
一种用于光纤激光器的防反射方法，该方法的步骤包括：
(1)光纤激光器发出激光光束；
(2)激光光束依次经过第一准直器、第一反射镜、第二反射镜、第二准直器后通过传输光纤传输至端帽，并通过端帽输出；
在激光光束通过端帽输出过程中，通过光电探测器对返回光进行功率测量，当返回光的功率达到设定阈值时，主控电路调整第二反射镜的调谐角度使得第二反射镜反射的激光光束的能量被吸能盒吸收。
端帽的直径至少为传输光纤直径的3倍以上，被加工零件的返回光可经过返回光探测点进行衰减，同时返回光探测点泄露的光可使用光电探测器进行监测；当所述光电探测器监测到的返回光达到设定阈值时，通过主控电路调整第二反射镜的调谐角度使得第二反射镜反射的激光光束的能量被吸能盒吸收，最后切断光纤激光器的电源；
设定阈值为当前输出激光功率的0.1％；
光电探测器的功率检测为实时监测，通过监测探测器上的电压值，实现实时监测返回光功率的目的，当返回光超过阈值，主控电路需要在100ns内探测到阈值报警信号，并控制可调谐反射镜动作，切断光路。
第二反射镜为一高速扫描振镜，可以使第二反射镜快速沿着中心旋转，从而改变激光的出射方向，其动作时间要求小于30ns。
吸能盒底部有水流道，可以对吸能盒进行散热。
传输光纤的长度大于20米，这样保证激光在光纤中的传输时间大于100ns，为主控电路切断光路提供足够时间。
主控电路关闭激光器的供电，对激光器进行断电保护。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明采用光电探测器对光纤中的反馈光的漏光进行直接测量，相对于热点传感器等间接测量方法，具有测量准确、响应时间短等优点；对反馈光的准确测量，辅以分析，有助于工艺人员规避相似恶劣的工艺条件。
(2)本发明的防反射系统采用相对简单的振镜反射系统，可以避免使用隔离器等光学器件，降低激光能量损耗，提高系统的光学传递效率。
(3)本防反射系统结构简单，同时可以通过更换扫描振镜的反光片来适应不同波长的激光，具有可靠性高、适用范围广等优点。
(4)本发明的防反射系统，防止激光熔覆过程中的反射光返回到激光器内部，保护高功率光纤激光器。光纤激光器产生的高功率激光的传输光路依次经过传输光纤、空间反射镜、可调谐反射镜、传输光纤、返回光探测点、端帽达到加工区域；返回光探测点为传输光纤和所述的端帽的熔接点，光纤和端帽的直径存在差别，要求端帽的直径至少是光纤的3倍以上，被加工零件的返回可经过上述熔接点进行衰减，同时熔接点泄露的光可使用光电探测器进行监测；当所述光电探测器监测到的返回光达到特定阈值时，光电探测器监测到的返回光的设定阈值为激光当前输出功率的0.1％。光电探测器的功率检测为实时监测，通过监测探测器上的电压值，实现实时监测返回光功率的目的，当返回光超过阈值，主控电路需要在100ns内探测到阈值报警信号，并控制可调谐反射镜动作，切断光路。光纤激光器的关光方式为激光器使能掉电或内外部光闸关光。可调谐反射镜为一高速扫描振镜，可以使反射镜快速沿着中心旋转，从而改变激光的出射方向，其动作时间要求小于30ns。
附图说明
图1为本发明的防反射系统的组成示意图；
图2光电探测器探测返回光示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
实施例
如图1和图2所示，一种用于光纤激光器的防反射系统，该防反射系统包括第一反射镜、第二反射镜、第一准直器、第二准直器、吸能盒、传输光纤、端帽、光电探测器和主控电路；
第二反射镜为可调谐反射镜，可调谐反射角度为0-10°；
端帽熔接在传输光纤的一端，端帽与传输光纤的连接点为返回光探测点，传输光纤的另一端与第二准直器固定连接；
当对待加工工件进行加工时，光纤激光器发出的激光依次经过第一准直器、第一反射镜、第二反射镜、第二准直器后通过传输光纤传输至端帽，并通过端帽传输至加工区域；
当返回光达到设定阈值时，第二反射镜的调谐角度的确定以第二反射镜反射的激光光束的能量被吸能盒吸收的最大值为准；吸能盒用于吸收第二反射镜反射的激光光束；
第二反射镜的调谐角度通过主控电路控制；
待加工工件的表面返回光通过端帽到达返回光探测点时通过光电探测器对返回光进行功率测量，当返回光的功率达到设定阈值时，主控电路调整第二反射镜的调谐角度使得第二反射镜反射的激光光束的能量被吸能盒吸收。
一种用于光纤激光器的防反射方法，该方法的步骤包括：
(1)光纤激光器发出波长为1064nm的激光光束；
(2)激光光束依次经过第一准直器、第一反射镜、第二反射镜、第二准直器后通过传输光纤传输至端帽，并通过端帽输出；传输光纤的长度为25m；端帽的直径为传输光纤直径的4倍；
在激光光束通过端帽输出过程中，通过光电探测器对返回光进行功率测量，当返回光的功率达到设定阈值时，主控电路调整第二反射镜的调谐角度使得第二反射镜反射的激光光束的能量被吸能盒吸收。
被加工零件的返回光可经过返回光探测点进行衰减，同时返回光探测点泄露的光可使用光电探测器进行监测；当所述光电探测器监测到的返回光达到设定阈值时，通过主控电路调整第二反射镜的调谐角度使得第二反射镜反射的激光光束的能量被吸能盒吸收，最后切断光纤激光器的电源；第二反射镜的偏转速度为210rad/s；
设定阈值为当前输出激光功率的0.1％；
光电探测器的功率检测为实时监测，通过监测探测器上的电压值，实现实时监测返回光功率的目的，当返回光超过阈值，主控电路需要在100ns内探测到阈值报警信号，并控制可调谐反射镜动作，切断光路。
第二反射镜为一高速扫描振镜，可以使第二反射镜快速沿着中心旋转，从而改变激光的出射方向，其动作时间要求小于30ns。
吸能盒底部有水流道，可以对吸能盒进行散热。

Claims (9)

1.一种用于光纤激光器的防反射系统，其特征在于：该防反射系统包括第一反射镜、第二反射镜、第一准直器、第二准直器、吸能盒、传输光纤、端帽、光电探测器和主控电路；
第二反射镜为可调谐反射镜，可调谐反射角度为0-10°；
端帽熔接在传输光纤的一端，端帽与传输光纤的连接点为返回光探测点，传输光纤的另一端与第二准直器固定连接；
第二反射镜的调谐角度通过主控电路控制。
2.根据权利要求1所述的一种用于光纤激光器的防反射系统，其特征在于：当对待加工工件进行加工时，光纤激光器发出的激光依次经过第一准直器、第一反射镜、第二反射镜、第二准直器后通过传输光纤传输至端帽，并通过端帽传输至加工区域。
3.根据权利要求1所述的一种用于光纤激光器的防反射系统，其特征在于：吸能盒用于吸收第二反射镜反射的激光光束。
4.根据权利要求1所述的一种用于光纤激光器的防反射系统，其特征在于：待加工工件的表面返回光通过端帽到达返回光探测点时通过光电探测器对返回光进行功率测量，当返回光的功率达到设定阈值时，主控电路调整第二反射镜的调谐角度使得第二反射镜反射的激光光束的能量被吸能盒吸收。
5.根据权利要求1所述的一种用于光纤激光器的防反射系统，其特征在于：端帽的直径至少为传输光纤直径的3倍，传输光纤的长度大于20米。
6.根据权利要求1所述的一种用于光纤激光器的防反射系统，其特征在于：被加工零件的返回光经过返回光探测点进行衰减，同时返回光探测点泄露的光使用光电探测器进行监测；当所述光电探测器监测到的返回光达到设定阈值时，通过主控电路调整第二反射镜的调谐角度使得第二反射镜反射的激光光束的能量被吸能盒吸收，最后切断光纤激光器的电源。
7.根据权利要求6所述的一种用于光纤激光器的防反射系统，其特征在于：设定阈值为当前输出激光功率的0.1％。
8.根据权利要求1所述的一种用于光纤激光器的防反射系统，其特征在于：光电探测器的功率检测为实时监测，当返回光达到设定阈值后，主控电路在100ns内，控制第二反射镜翻转。
9.一种采用权利要求1-8任一所述的用于光纤激光器的防反射系统的防反射方法，其特征在于该方法的步骤包括：
(1)光纤激光器发出激光光束；
(2)激光光束依次经过第一准直器、第一反射镜、第二反射镜、第二准直器后通过传输光纤传输至端帽，并通过端帽输出；
在激光光束通过端帽输出过程中，通过光电探测器对返回光进行功率测量，当返回光的功率达到设定阈值时，主控电路调整第二反射镜的调谐角度使得第二反射镜反射的激光光束的能量被吸能盒吸收；
(3)主控电路关闭激光器的供电，对激光器进行断电保护。
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