CN111258077A - 矩形光斑的激光合束装置及合束方法 - Google Patents

Abstract

公开了矩形光斑的激光合束装置及合束方法，激光合束装置中，多个激光器的传输光纤的出光端面呈矩形阵列同轴排列，多个扩束准直套筒同样按照矩形阵列同轴排列并一一对应地经由光纤连接器连接多个激光器的传输光纤出光端面，每个光纤连接器发送的光束分别依次经过扩束准直套筒的扩束球面透镜扩束、第一准直球面透镜、第二准直球面透镜准直后形成准平行光束，准平行光束无损坏地通过小孔光阑，小孔光阑可以防止激光作业产生的反向杂散光损伤激光器；所述多个准平行光束经由共用的第一合束聚焦柱面透镜、第二合束聚焦柱面透镜、第三合束聚焦柱面透镜和第四合束聚焦柱面透镜聚焦合束生成具有单一光束形态且横截面为矩形的合成光束。

Description

矩形光斑的激光合束装置及合束方法

技术领域

本发明涉及激光技术领域，特别是一种矩形光斑的激光合束装置及合束方法。

背景技术

目前，万瓦级的光纤激光器或光纤耦合传输半导体激光器因其输出功率高(商业化达到10kW)、光纤传输(胜任各种多维任意空间柔性加工应用)、结构紧凑、免调节、免维护、高稳定性等优点，成为激光切割、焊接、打孔、表面处理、3D打印等工业加工领域的首选。但是此类激光器生产成本极高，对应用环境和条件要求苛刻。同时在使用过程中，一旦出现技术问题，则用户往往难以解决，导致整套加工系统停机，无法正常工作，从而给应用带来极大的不便。更为关键的是采用激光功率超过10kW、激光光纤传输且光纤输出光斑为矩形是实现大面积、高速、柔性的激光淬火、激光熔覆等激光表面热处理的重要条件，而上述激光器由于采用单根光纤传输激光，获得的圆形光斑造成激光光斑搭接率难以有效控制，制约了激光淬火、激光熔覆等激光热处理加工速率和质量的大幅提升。

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

发明内容

本公开的目的在于克服大面积、高速、柔性激光淬火、激光熔覆等激光热处理所使用的现有万瓦级的光纤激光器或光纤耦合传输半导体激光器输出光斑为圆形影响光斑搭接率、生产成本高、一旦出现技术问题需要整套系统停机的缺陷，本发明提供一种结矩形光斑的激光合束装置及合束方法，将多路光纤传输的激光实现空间非相干叠加并获得万瓦级、合束光斑为矩形的单束激光输出，从而满足激光淬火、激光熔覆等大面积、高速、柔性激光热处理加工领域的技术要求。

本发明的目的是通过以下技术方案予以实现。

一种矩形光斑的激光合束装置包括，

多个激光器，每个激光器生成一路激光束，每一路激光束在传输光纤中传输，所有传输光纤的出光端面均在一个平面内按照矩形阵列排列；

多个扩束准直套筒，其呈矩形阵列同轴排列，多个扩束准直套筒一一对应地经由光纤连接器连接多个激光器的传输光纤的出光端面，每个扩束准直套筒包括扩束球面透镜、第一准直球面透镜、第二准直球面透镜和小孔光阑，其中，每个光纤连接器发送的光束分别依次经过扩束球面透镜扩束、第一准直球面透镜及第二准直球面透镜准直后形成准平行光束，准平行光束无功率衰减地通过小孔光阑，

合束套筒，在通光方向上与扩束准直套筒的出光面连接，合束套筒包括接收所述准平行光束的第一合束聚焦柱面透镜、第二合束聚焦柱面透镜、第三合束聚焦柱面透镜和第四合束聚焦柱面透镜，所述准平行光束经由第一合束聚焦柱面透镜、第二合束聚焦柱面透镜、第三合束聚焦柱面透镜和第四合束聚焦柱面透镜聚焦合束生成具有单一光束形态且横截面为矩形的合成光束，

防尘保护罩，与合束套筒的出光面同轴连接，防尘保护罩的入光面和出光面均形成矩形通光孔，使得合束激光能够无功率衰减地穿过防尘保护罩。

所述的矩形光斑的激光合束装置中，所述多个扩束准直套筒和合束套筒设于封装套筒中，所述多个扩束准直套筒以可拆卸方式固定在封装套筒光输入端的法兰盘上，所述多个扩束准直套筒在光输入一端与独立的光纤连接器相连。

所述的矩形光斑的激光合束装置中，所述多个扩束准直套筒镶嵌、螺纹旋接、或者通过连接件与封装套筒以可拆离方式固定在法兰盘上，所述光纤连接器经由传输光纤连接激光器。在封装套筒的光输出端固定有接收所述合成光束的保护窗口镜，所述保护窗口镜包括平面透镜，用于将激光合束装置与外部环境隔离，防止粉尘、气体、水蒸气等有害粒子污染光纤端面、扩束球面透镜、第一准直球面透镜、第二准直球面透镜、第一合束聚焦柱面透镜、第二合束聚焦柱面透镜、第三合束聚焦柱面透镜和第四合束聚焦柱面透镜。

所述的矩形光斑的激光合束装置中，所述扩束准直套筒设有固定螺栓，法兰盘上有与螺栓相匹配的通孔，通过将螺栓穿过通孔与螺母配合将法兰盘与扩束准直套筒相互固定，所述法兰盘同时也与封装套筒相固定，所述法兰盘设有带连接孔的外沿，通过螺栓将法兰盘与封装套筒固定。

所述的矩形光斑的激光合束装置中，所述封装套筒设有夹层，在夹层中有一组环形冷却水循环管道，冷却水循环管道的冷却水注入口安装在封装套筒的光输入端，冷却水流出口安装在封装套筒光输出端的侧壁上，在封装套筒的横截面方向，冷却水循环管道为环状矩形闭合水道。

所述的矩形光斑的激光合束装置中，所述防尘保护罩的入光面和出光面的通光孔的尺寸与保护窗口镜相同；入光面的通光孔与出光孔的通光孔之间，垂直于通光方向的x轴和y轴方向各有多个高压吹气孔，利用高压空气形成高压气帘，阻挡激光作业过程中产生的高温粉尘污染保护窗口镜，防尘保护罩通过螺栓与封装套筒的出光端同轴连接。

所述的矩形光斑的激光合束装置中，激光器生成的光束波长从400nm至2000nm，所述扩束球面透镜、第一准直球面透镜及第二准直球面透镜经由球面透镜隔圈组固定在扩束准直套筒内，第一合束聚焦柱面透镜、第二合束聚焦柱面透镜、第三合束聚焦柱面透镜和第四合束聚焦柱面透镜经由柱面透镜隔圈组固定在合束器内，所述扩束球面透镜、第一准直球面透镜、第二准直球面透镜、第一合束聚焦柱面透镜、第二合束聚焦柱面透镜、第三合束聚焦柱面透镜、第四合束聚焦柱面透镜和保护窗口镜采用紫外级融石英材料制成，双面镀制增透膜使得波长处于400nm-2000nm范围内，波长透过率T≥99.7％，膜系激光耐受能力≥5000W/cm²，小孔光阑的通光孔径与获得的准直光束直径一致。

所述的矩形光斑的激光合束装置中，同轴排列的生成的相邻光束轴距15mm，相邻两个扩束准直套筒的通光轴截距为15mm，每个激光器输出功率0-1000W范围内连续可调。

所述的矩形光斑的激光合束装置中，所述准平行光束经由第一合束聚焦柱面透镜、第二合束聚焦柱面透镜、第三合束聚焦柱面透镜和第四合束聚焦柱面透镜于预定焦深内聚焦合束生成具有单一光束形态且横截面为矩形的合成光束。

根据本发明另一方面，一种所述矩形光斑的激光合束装置的合束方法包括以下步骤，

多个激光器，每个激光器生成一路激光束，每一路激光束在一一对应的传输光纤中传输，所有传输光纤的端面在一个平面内按照矩形阵列排列；

光束分别依次经过扩束球面透镜扩束、第一准直球面透镜及第二准直球面透镜准直后形成横截面按照矩形阵列排列的准平行光束；准平行光束无功率衰减地通过小孔光阑；

所述准平行光束经由第一合束聚焦柱面透镜、第二合束聚焦柱面透镜、第三合束聚焦柱面透镜和第四合束聚焦柱面透镜聚焦合束生成具有单一光束形态且横截面为矩形的合成光束。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明可以多路光纤传输的激光通过空间非相干合束，实现在预定焦深内的单束激光输出。焦深长度内，合束光斑横截面为矩形，合束激光输出功率超过20kW，在任意减少或增加输入激光束路数只会改变合束激光的总功率，不影响合束激光的光斑形貌。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本发明的具体实施方式进行举例说明。

附图说明

通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。

在附图中：

图1根据本发明一个实施例的矩形光斑的激光合束装置的结构示意图；

图2为本发明一个实施例的矩形光斑的激光合束方法原理图；

图3为本发明一个实施例的矩形光斑的激光合束装置的扩束准直球面透镜组示意图；

图4为本发明一个实施例的矩形光斑的激光合束装置的合束聚焦柱面透镜组示意图；

图5为本发明一个实施例的矩形光斑的激光合束装置整体透视图；

图6为本发明一个实施例的矩形光斑的激光合束装置左端面正视图；

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。

具体实施方式

下面将参照附图1至图6更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。

为了更好地理解，如图1和图2所示，一种矩形光斑的激光合束装置包括，

多个激光器1，每个激光器1生成一路激光束，每一路激光束在传输光纤2中传输，所有传输光纤2的出光端面均在一个平面内按照矩形阵列排列；

多个激光器1，其呈矩形阵列同轴排列，每个激光器1生成光束；

多个扩束准直套筒，其呈矩形阵列同轴排列，多个扩束准直套筒一一对应地经由光纤连接器3连接多个激光器1的传输光纤2的出光端面，每个扩束准直套筒包括扩束球面透镜4、第一准直球面透镜5、第二准直球面透镜6及小孔光阑7，其中，每个光纤连接器3发送的光束分别依次经过扩束球面透镜4扩束、第一准直球面透镜5及第二准直球面透镜6准直后形成准平行光束，准平行光束无功率衰减地通过小孔光阑7，小孔光阑7可以防止激光作业产生的反向杂散光损伤激光器1。

合束套筒，在通光方向上与扩束准直套筒的出光面连接，合束套筒包括接收所述准平行光束的第一合束聚焦柱面透镜8、第二合束聚焦柱面透镜9、第三合束聚焦柱面透镜10和第四合束聚焦柱面透镜11，所述准平行光束经由第一合束聚焦柱面透镜8、第二合束聚焦柱面透镜9、第三合束聚焦柱面透镜10和第四合束聚焦柱面透镜11聚焦合束生成具有单一光束形态且横截面为矩形的合成光束。所述的矩形光斑的激光合束装置中，所述多个扩束准直套筒和合束套筒设于封装套筒13中，所述多个扩束准直套筒以可拆卸方式固定在封装套筒的光输入端。

所述的矩形光斑的激光合束装置的优选实施例中，所述多个扩束准直套筒和合束器设于封装套筒13中，所述多个扩束准直套筒以可拆卸方式固定在封装套筒13的光输入端。

所述的矩形光斑的激光合束装置的优选实施例中，所述多个扩束准直套筒镶嵌、螺纹旋接、或者通过连接件与封装套筒13以可拆离方式固定，所述光纤连接器3经由传输光纤2连接激光器1，在封装套筒13的光输出端固定有接收所述合成光束的保护窗口镜12，所述保护窗口镜12包括平面透镜，用于将激光合束装置与外部环境隔离，防止粉尘、气体、水蒸气等有害粒子污染光纤2的出光端面、扩束球面透镜4、第一准直球面透镜5、第二准直球面透镜6、第一合束聚焦柱面透镜8、第二合束聚焦柱面透镜9、第三合束聚焦柱面透镜10和第四合束聚焦柱面透镜11。

所述的矩形光斑的激光合束装置的优选实施例中，所述扩束准直套筒设有固定螺栓，法兰盘18上有与螺栓相匹配的通孔，通过将螺栓穿过通孔与螺母配合将法兰盘18与扩束准直套筒相互固定，所述法兰盘18同时也与封装套筒13相固定，所述法兰盘18设有带连接孔的外沿，通过连接孔将法兰盘18与封装套筒13固定。

所述的矩形光斑的激光合束装置的优选实施例中，所述封装套筒13设有夹层，在夹层中有一组环形冷却水循环管道19，冷却水循环管道19的冷却水注入口16安装在封装套筒13的光输入端的侧壁上，冷却水流出口17安装在封装套筒13的光出射端的侧壁上。在封装套筒13的横截面方向，冷却水循环管道19为环状矩形闭合水道。

所述的矩形光斑的激光合束装置中，所述防尘保护罩20的入光面的通光孔21为矩形，尺寸与保护窗口镜12相同；出光面的通光孔22也为矩形并与传输至该面上的合束矩形光斑尺寸一致。入光面的通光孔21与出光面的通光孔22之间，在垂直于通光方向x轴和y轴方向各有多个高压吹气孔23，利用高压空气形成高压气帘，阻挡激光作业过程中产生的高温粉尘污染保护窗口镜12。防尘保护罩20通过螺栓与封装套筒13的光出射端同轴连接。

所述的矩形光斑的激光合束装置的优选实施例中，激光器1生成的光束波长从400nm至2000nm，所述扩束球面透镜4、第一准直球面透镜5、第二准直球面透镜6及小孔光阑7经由球面透镜隔圈组15固定在扩束准直套筒内，第一合束聚焦柱面透镜8、第二合束聚焦柱面透镜9、第三合束聚焦柱面透镜10和第四合束聚焦柱面透镜11经由柱面透镜隔圈组14固定在合束器内，所述扩束球面透镜4、第一准直球面透镜5、第二准直球面透镜6、第一合束聚焦柱面透镜8、第二合束聚焦柱面透镜9、第三合束聚焦柱面透镜10、第四合束聚焦柱面透镜11和保护窗口镜12采用紫外级融石英材料制成，双面镀制增透膜使得波长处于400nm-2000nm范围内，波长透过率T≥99.7％，膜系激光耐受能力≥5000W/cm²。小孔光阑7的通光孔径与获得的准直光束直径一致。

所述的矩形光斑的激光合束装置的优选实施例中，同轴排列的生成的相邻光束轴距15mm，相邻两个扩束准直套筒的通光轴截距为15mm。

所述的矩形光斑的激光合束装置的优选实施例中，所述准平行光束经由第一合束聚焦柱面透镜8、第二合束聚焦柱面透镜9、第三合束聚焦柱面透镜10和第四合束聚焦柱面透镜11于预定焦深内聚焦合束生成具有单一光束形态且横截面为矩形的合成光束。

所述的矩形光斑的激光合束装置的优选实施例中，每个激光器1输出功率0-1000W范围内连续可调。

为了进一步理解本发明，在一个实施例中，本发明中，将20路从光纤同时射出的发散激光束按照5×4矩形阵列排列，分别经一一对应且结构相同的的扩束准直球面透镜组后变换为彼此平行、间距相等的准直激光束；经扩束、准直后的20路准直激光束经一套共用的合束聚焦柱面透镜组的会聚作用后，在预定焦深内实现光斑重叠并获得具有单一光束形态和横截面为矩形的高功率合束激光。

所述合束装置包括按照5×4矩形阵列分布的20套扩束准直球面透镜组和一个合束聚焦柱面透镜组；每个扩束准直球面透镜组包括1个扩束球面透镜4、2个准直球面透镜和1个小孔光阑7，透镜之间以及透镜与小孔光阑7之间使用隔圈15固定在扩束准直套筒内；所述合束聚焦柱面透镜组中的透镜类型为矩形柱面镜，柱面镜数量为4个，且柱面透镜之间使用隔圈14固定在封装套筒13内；所述扩束准直套筒以可拆卸方式固定在封装套筒13的光输入一端。

在这个实施例中，输入的光经扩束准直球面透镜组扩束、准直后，形成20路平行光束，每一路准平行光束无损坏地通过小孔光阑7，小孔光阑7可以防止激光作业产生的反向杂散光损伤激光器1，当扩束准直球面透镜组呈5×4矩形阵列对称分布在扩束准直套筒内时，20路平行光束经合束聚焦柱面透镜组后可以输出横截面为矩形的单束激光。在使用时，可以根据情况选择其中的若干组使用。优选地，所述扩束准直球面透镜组呈矩形阵列同轴排列。

对于所述扩束准直套筒可以将其和封装套筒13做成一个整体，但是这种方式会增加加工难度，因此，优选采用镶嵌、螺纹旋接、或者通过连接件等方式与封装套筒13以可拆离方式固定。

对于扩束准直球面透镜组中使用的隔圈15，它们的宽度视扩束准直球面透镜组中各个透镜间的距离而定。对于合束聚焦柱面透镜组中使用的隔圈14，它们的宽度视合束聚焦柱面透镜组中各个柱面透镜间的距离而定。

对于所述封装套筒13、小孔光阑7以及隔圈14、15的材质，需要满足不易氧化或腐蚀，且为刚性材料，比如铜质、钢制材料或者有机高分子材料，但优选铜质或钢制材料，因为这两种材料易获得，加工工艺成熟。

在一个实施例中，为了减小功率损耗过大的问题，所述扩束准直球面透镜组、合束聚焦柱面透镜组中的透镜和保护窗口镜12均采用紫外级融石英材料制成，双面镀制增透膜，使得波长可在400nm-2000nm范围内任意选择，相应波长透过率T≥99.7％，膜系激光耐受能力≥5000W/cm²。进一步地，在所述合束器工作时，要求光学工作面光洁度要求国际I级中档，准直镜未注倒角0.5，持续工作时间不低于60分钟。

在一个实施例中，所述封装套筒13在光输出的一端安装有保护窗口镜12，所述保护窗口镜12为平面透镜。为了减小功率损耗过大的问题，优选地，所述保护窗口镜12中的透镜采用双面镀制增透膜，使得波长可在400nm-2000nm范围内任意选择，相应波长透过率T≥99.7％，膜系激光耐受能力≥5000W/cm²。进一步地，在所述合束器工作时，要求光学工作面光洁度要求国际I级中档，准直镜未注倒角0.5，持续工作时间不低于60分钟。

为了利用高压空气形成高压气帘，阻挡激光作业过程中产生的高温粉尘污染保护窗口镜12，在一个实施例中，所述防尘保护罩20的入光面的通光孔21为矩形，尺寸与保护窗口镜12相同；出光面的通光孔22也为矩形并与传输至该面上的合束矩形光斑尺寸一致。入光面的通光孔21与出光面的通光孔22之间，在垂直于通光方向x轴和y轴方向各有3个高压吹气孔23，防尘保护罩20通过螺栓与封装套筒13的光出射端同轴连接。

在一个实施例中，所述封装套筒13设有夹层，在夹层中有一组环形冷却水循环管道19，冷却水循环管道19的冷却水注入口16安装在封装套筒13的光输入端的侧壁上，冷却水流出口17安装在封装套筒13的光出射端的侧壁上。在封装套筒13的横截面方向，冷却水循环管道19为环状矩形闭合水道。其中，冷却水循环管道19采用环状矩形闭合水道、冷却水注入口16安装在封装套筒13的光输入端的侧壁上以及冷却水流出口17安装在封装套筒13的光出射端的侧壁上的设计根据水循环的充分性和速度考虑。因此，根据扩束准直球面透镜组按照矩形阵列排列的特点，优选在封装套筒13的夹层中设置一组环形冷却水循环管道19。为了稳固，所述封装套筒13可以采用固定件固定，在一种优选方式中，将所述封装套筒13通过紧固带固定在底座上。

为方便使用激光器1，在一个实施例中，将所述扩束准直球面透镜组在光输入一端与光纤连接器3相连，通过光纤连接器3经光纤与激光器1连接。所述激光器1可以是光纤激光器1、光纤耦合传输半导体激光器1或光纤耦合传输全固态激光器1，所述光纤连接器3的选择与激光器1相匹配即可。所述光纤为传导光纤，长度不限。所述激光器1，可以同时使用1-20台。

为了便于保护激光器1，在一种优选方式中，在所述扩束准直球面透镜组之后设置小孔光阑7，准平行光束可以无损坏地通过小孔光阑7，小孔光阑7可以防止激光作业产生的反向杂散光损伤激光器1

为了便于按照合束激光合束装置，将光纤连接器3的固定螺栓镶嵌在法兰盘18上；所述法兰盘18通过连接件与扩束准直套筒固定。在一种优选的连接方式中，所述扩束准直套筒上有固定螺纹，所述法兰盘18上有螺丝孔，所述扩束准直套筒与法兰盘18通过螺丝固定。

在一个实施例中，所述法兰盘18有外沿，在外沿上有用于将法兰盘18和封装套筒13固定连接的孔。

上述合束装置在使用时，所述的合束输出激光功率的大小可以通过改变各路输入激光的激光功率来实现，也以通过改变各路输入激光的激光功率来实现，而且，无论输入激光路数的多少或者输入激光功率的大小，合束输出激光均为单束具有矩形光斑特征的合束激光光束，且聚焦焦距不发生变化。

激光合束装置包括按照矩形阵列且同轴排列的多套扩束准直球面透镜组、小孔光阑7、一套共用的合束聚焦柱面透镜组和一个防尘保护罩20。每个扩束准直球面透镜组包括一个扩束球面透镜4、2个准直球面透镜和一个小孔光阑7，透镜之间和透镜与小孔光阑7之间使用隔圈15固定在扩束准直套筒内。所述扩束准直套筒按照矩形阵列方式排列并以可拆卸方式固定在封装套筒13的光输入一端的法兰盘18上。所述合束聚焦柱面透镜组中的透镜类型为矩形柱面镜，柱面镜数量为4个，且柱面镜之间使用隔圈14固定在封装套筒13内。防尘保护罩20通过螺栓与封装套筒13的光出射端同轴连接。本公开合束光的横截面为矩形，性能稳定、适应性强，能够广泛应用于激光淬火、激光熔覆等激光柔性热处理工业领域。

在一个实施例中，提供了一种将20路激光空间合束器，20台激光器1发出的激光经光纤耦合接头，通过传输光纤2，再经光纤连接器3，进入扩束准直套筒。在扩束准直套筒内，光束依次经过扩束球面透镜4扩束，第一准直球面透镜5及第二准直球面透镜6准直后，形成20路准平行光束，准平行光束可以无损坏地通过小孔光阑7，小孔光阑7可以防止激光作业产生的反向杂散光损伤激光器1。其扩束准直球面透镜组示意图如图3所示。20路准平行光束先后经合束聚焦柱面透镜组的第一合束聚焦柱面透镜8、第二合束聚焦柱面透镜9、第三合束聚焦柱面透镜10和第四合束聚焦柱面透镜11的聚焦和合束作用后输出具有单一光束形态、横截面为矩形的合束激光。合束聚焦柱面透镜组的示意图如图4所示。合束激光的功率随参与合束的激光束数量的增加而线性递增或者随参与合束的每一路激光的功率增加而线性递增。

所述扩束球面透镜4、第一准直球面透镜5、第二准直球面透镜6和小孔光阑7构成了扩束准直球面透镜组。

所述第一合束聚焦柱面透镜8、第二合束聚焦柱面透镜9、第三合束聚焦柱面透镜10和第四合束聚焦柱面透镜11构成了合束聚焦柱面透镜组。

多束光经扩束准直球面透镜组后，形成平行光束。20组扩束准直球面透镜组呈矩形阵列排列，其矩形结构可以结合图1、图2和图3的示意图看出。相邻光束轴距15mm，且每组扩束球面透镜4、第一准直球面透镜5、第二准直球面透镜6和小孔光阑7的规格参数均相同，通过球面透镜隔圈组15固定；20套扩束准直球面透镜组固定在扩束准直套筒内；在所述扩束准直套筒上有固定螺栓，所述法兰盘18上有与螺栓相匹配的通孔，通过将螺栓穿过通孔与螺母配合将法兰盘18与扩束准直套筒相互固定；所述法兰盘18同时也与封装套筒13相固定，所述法兰盘18有外沿，外沿上有对应的通孔，通过通孔与连接件配合将法兰盘18与封装套筒13固定，此处可以结合图1、图5和图6看。在封装套筒13的光输出端固定有保护窗口镜12。

所述合束聚焦柱面透镜组中的第一合束聚焦柱面透镜8、第二合束聚焦柱面透镜9、第三合束聚焦柱面透镜10和第四合束聚焦柱面透镜11均为柱面镜，其中柱面透镜使用柱面透镜隔圈组14固定在封装套筒13内。

在封装套筒13的夹层内均匀分布冷却水循环管道19；所述冷却水循环管道19的冷却水注入口16安装在封装套筒13的光输入端的侧壁上，冷却水流出口17安装在封装套筒13的光出射端的侧壁上。

在材质选择上，所述小孔光阑7、封装套筒13、扩束准直套筒、防尘保护罩20以及球面透镜隔圈组中的隔圈15、柱面透镜隔圈组中的隔圈14均选铜质或钢制材料。

在尺寸大小上，如图5所示，所述法兰盘18的长为26.0mm(z轴)、横截面尺寸为78.0mm(y轴)×63.0mm(y轴)；所有扩束准直套筒按照矩形阵列方式排列并以可拆卸方式固定在法兰盘18上；相邻两个扩束准直套筒的通光轴截距为15mm。所述封装套筒13外形为长方体结构，长为97.0mm(z轴)，横截面尺寸为120.0mm(y轴)×105.0mm(x轴)；封装套筒13内部结构为同样为长方体，长为94mm(z轴)，横截面尺寸为78.0mm(y轴)×63.0mm(y轴)，中空部分为冷却水循环通道19。所述传输光纤2的光学芯径200μm-600μm的传导光纤、数值孔径0.11-0.22，长度10m。所述球面透镜隔圈组15的隔圈横截面(x轴和y轴)外径为12.00mm，内径为11.00mm，其厚度(z轴)与扩束准直球面透镜组中透镜间的距离(z轴)有关，见表1，表中l₁，l₂，l₃，l₄，，依次为扩束准直球面透镜组中的隔圈宽度，l₁与l₂之间为扩束球面透镜4，l₂与l₃之间为聚焦球面透镜5，l₃与l₄之间为准直球面透镜6和小孔光阑7，准直球面透镜6和小孔光阑7彼此相互紧贴，可以结合图1看。所述小孔光阑7的外径(x轴和y轴)为12.00mm，内径(x、y轴)为7.0mm，其厚度(z轴)为2mm。

所述柱面透镜隔圈组14的隔圈为矩形，长77.8mm，宽62.8mm，其厚度(z轴)与第一合束聚焦柱面透镜8、第二合束聚焦柱面透镜9、第三合束聚焦柱面透镜10、第四合束聚焦柱面透镜11和保护窗口镜12之间的距离有关，表2和表3给出了合束光焦距在400mm时隔圈的宽度，光依次经过隔圈宽度L₁、L₂、L₃、L₄、L₅，可以结合图1看。L₁与L₂之间为第一合束聚焦柱面透镜8，L₂与L₃之间为第二合束聚焦柱面透镜9，L₃与L₄之间为第三合束聚焦柱面透镜10，L₄与L₅之间为第四合束聚焦柱面透镜11。所述保护窗口镜12为长(x轴)77.8mm，宽(y轴)62.8mm、厚度(z轴)2.00mm的矩形平面透镜。

所述防尘保护罩20为长方体，其长(z轴)为70mm，横截面尺寸为120.0mm(y轴)×105.0mm(x轴)。其入光面的通光孔21为矩形，尺寸为77.8mm(x轴)×62.8mm(y轴)，厚度(z轴)2.00mm；出光面的通光孔22也为矩形，尺寸为62.0mm(x轴)×49.0mm(y轴)，厚度(z轴)2.00mm。入光面的通光孔21与出光面的通光孔22之间，在垂直于通光方向x轴和y轴方向各有3个高压吹气孔23，3个高压吹气孔23排成一字型并紧贴3个高压吹气孔23；防尘保护罩20通过螺栓与封装套筒13的光出射端同轴连接。

表1：(单位：mm)

在这个实施例中，可以选择合束光焦距分别为f₁＝400mm，对应合束焦斑的尺寸为3mm×20mm，焦深为50mm左右。

在合束光焦距f₁＝400mm，其合束聚焦柱面透镜组透镜参数及隔圈宽度如下表2所示(z表示通光方向)：

表2：(单位：mm)

表3：(单位：mm)

20路是5×4矩形阵列结构，如图5和图6中所示。若1路激光器输出1000W的激光，则20束激光合束后的总功率为1090W×20＞21kW，从而实现了20kW级激光合束，并且合束光斑为矩形。

在使用时，所述的合束输出激光功率的大小还可以通过改变输入激光束的路数来实现(见表4)。但也以通过改变各路输入激光的激光功率来实现(见表5)，而若每路激光光纤耦合输出功率可以满足0-1000W范围内连续可调，总功率可以达到38kW。从表4和表5可看出，所述20束激光在合束过程中光功率的整体损耗率低于2％。

表4给出了在每台激光器输出功率基本相同的情况下(驱动电路46A)，改变输入激光路数，合束输出激光功率：

表4：

表5给出了在20台激光器(驱动电流10A-46A)同时输出相同功率的情况下，合束激光功率随激光器驱动电流的变化：

表5：

输入电流(单位：A)	合束功率(单位：W)	损耗率
			10	2490.8	1.75％
20	6764.5	1.81％
			30	11157.4	1.84％
40	16189.3	1.87％
			46	21392.6	1.90％

而无论输入激光路数的多少或者输入激光功率的大小，合束输出激光均为单束矩形光斑，且聚焦焦距不发生变化，这点可以通过模拟验证得出。

由此，本公开的合束器与万瓦级的光纤激光器、光纤耦合半导体激光器相比，在同样具有光纤耦合传输、万瓦级输出功率特点的同时，具有光路合束任意模块化组合、激光功率损耗低(≤2％)的特点，且造价低廉，在相同输出功率下，其价格仅为光纤激光器价格的1/3左右、光纤耦合传输半导体激光器价格的1/2左右，具有很强的实用性。

一种所述矩形光斑的激光合束装置的合束方法包括以下步骤，

多个激光器，每个激光器1生成一路激光束，每一路激光束在传输光纤2中传输，所有传输光纤的出光端面均在一个平面内按照矩形阵列排列；

光束分别依次经过扩束球面透镜4扩束、第一准直球面透镜5及第二准直球面透镜6准直后形成按照矩形阵列排列的准平行光束；准平行光束无功率衰减地通过小孔光阑7，小孔光阑7可以防止激光作业产生的反向杂散光损伤激光器1；

所述准平行光束经由第一合束聚焦柱面透镜8、第二合束聚焦柱面透镜9、第三合束聚焦柱面透镜10和第四合束聚焦柱面透镜11聚焦合束生成具有单一光束形态且横截面为矩形的合成光束；

所述防尘保护罩20通过螺栓与封装套筒13的光出射端同轴连接，合束光束能够无功率衰减地通过防尘保护罩20，防尘保护罩20可利用高压空气形成高压气帘，阻挡激光作业过程中产生的高温粉尘污染保护窗口镜12。

工业实用性

本发明所述的矩形光斑的激光合束装置及合束方法可以在激光领域制造并使用。

以上结合具体实施例描述了本申请的基本原理，但是，需要指出的是，在本申请中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本申请的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本申请为必须采用上述具体的细节来实现。

为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本申请的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。

Claims (10)

1.一种矩形光斑的激光合束装置，其包括，

多个激光器，每个激光器生成一路激光束，每一路激光束在传输光纤中传输，所有传输光纤的出光端面均在一个平面内按照矩形阵列排列；

多个扩束准直套筒，其呈矩形阵列同轴排列，多个扩束准直套筒一一对应地经由光纤连接器连接多个激光器的传输光纤的出光端面，每个扩束准直套筒包括扩束球面透镜、第一准直球面透镜、第二准直球面透镜和小孔光阑，其中，每个光纤连接器发送的光束分别依次经过扩束球面透镜扩束、第一准直球面透镜及第二准直球面透镜准直后形成准平行光束，准平行光束无功率衰减地通过小孔光阑，

合束套筒，在通光方向上与扩束准直套筒的出光面连接，合束套筒包括接收所述准平行光束的第一合束聚焦柱面透镜、第二合束聚焦柱面透镜、第三合束聚焦柱面透镜和第四合束聚焦柱面透镜，所述准平行光束经由第一合束聚焦柱面透镜、第二合束聚焦柱面透镜、第三合束聚焦柱面透镜和第四合束聚焦柱面透镜聚焦合束生成具有单一光束形态且横截面为矩形的合成光束，

防尘保护罩，与合束套筒的出光面同轴连接，防尘保护罩的入光面和出光面均形成矩形通光孔，使得合束激光无功率衰减地穿过防尘保护罩。

2.如权利要求1所述的矩形光斑的激光合束装置，其中，优选的，所述多个扩束准直套筒和合束套筒设于封装套筒中，所述多个扩束准直套筒以可拆卸方式固定在封装套筒光输入端的法兰盘上，所述多个扩束准直套筒在光输入一端与独立的光纤连接器相连。

3.如权利要求2所述的矩形光斑的激光合束装置，其中，所述多个扩束准直套筒镶嵌、螺纹旋接、或者通过连接件与封装套筒以可拆离方式固定在法兰盘上，所述光纤连接器经由传输光纤连接激光器，在封装套筒的光输出端固定有接收所述合成光束的保护窗口镜，所述保护窗口镜包括平面透镜。

4.如权利要求2所述的矩形光斑的激光合束装置，其中，所述扩束准直套筒设有固定螺栓，法兰盘上有与螺栓相匹配的通孔，通过将螺栓穿过通孔与螺母配合将法兰盘与扩束准直套筒相互固定，所述法兰盘同时也与封装套筒相固定，所述法兰盘设有带连接孔的外沿，通过螺栓将法兰盘与封装套筒固定。

5.如权利要求2所述的矩形光斑的激光合束装置，其中，所述封装套筒设有夹层，在夹层中有一组环形冷却水循环管道，冷却水循环管道的冷却水注入口安装在封装套筒的光输入端，冷却水流出口安装在封装套筒光输出端的侧壁上，在封装套筒的横截面方向，冷却水循环管道为环状矩形闭合水道。

6.如权利要求3所述的矩形光斑的激光合束装置，其中，所述防尘保护罩的入光面和出光面的通光孔的尺寸与保护窗口镜相同；入光面的通光孔与出光孔的通光孔之间，垂直于z轴的x轴和y轴方向各有多个高压吹气孔，利用高压空气形成高压气帘，防尘保护罩通过螺栓与封装套筒的出光端同轴连接。

7.如权利要求1所述的矩形光斑的激光合束装置，其中，激光器生成的光束波长从400nm至2000nm，所述扩束球面透镜、第一准直球面透镜及第二准直球面透镜经由球面透镜隔圈组固定在扩束准直套筒内，第一合束聚焦柱面透镜、第二合束聚焦柱面透镜、第三合束聚焦柱面透镜和第四合束聚焦柱面透镜经由柱面透镜隔圈组固定在合束器内，所述扩束球面透镜、第一准直球面透镜、第二准直球面透镜、第一合束聚焦柱面透镜、第二合束聚焦柱面透镜、第三合束聚焦柱面透镜、第四合束聚焦柱面透镜和保护窗口镜采用紫外级融石英材料制成，双面镀制增透膜使得波长处于400nm-2000nm范围内，波长透过率T≥99.7％，膜系激光耐受能力≥5000W/cm2，小孔光阑的通光孔径与获得的准直光束直径一致。

8.如权利要求1所述的矩形光斑的激光合束装置，其中，同轴排列的生成的相邻光束轴距15mm，相邻两个扩束准直套筒的通光轴截距为15mm，每个激光器输出功率0-1000W范围内连续可调。

9.如权利要求1所述的矩形光斑的激光合束装置，其中，所述准平行光束经由第一合束聚焦柱面透镜、第二合束聚焦柱面透镜、第三合束聚焦柱面透镜和第四合束聚焦柱面透镜于预定焦深内聚焦合束生成具有单一光束形态且横截面为矩形的合成光束。

10.一种权利要求1-9中任一项所述矩形光斑的激光合束装置的合束方法，其包括以下步骤，

多个激光器，每个激光器生成一路激光束，每一路激光束在一一对应的传输光纤中传输，所有传输光纤的端面在一个平面内按照矩形阵列排列；

光束分别依次经过扩束球面透镜扩束、第一准直球面透镜及第二准直球面透镜准直后形成横截面按照矩形阵列排列的准平行光束；准平行光束无功率衰减通过小孔光阑；

所述准平行光束经由第一合束聚焦柱面透镜、第二合束聚焦柱面透镜、第三合束聚焦柱面透镜和第四合束聚焦柱面透镜聚焦合束生成具有单一光束形态且横截面为矩形的合成光束。

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