CN113333943B - 工业级操作光纤的更换方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种工业级操作光纤的更换方法，包括选择需要更换的操作光纤、需要使用的操作光纤与光闸连接，使用五棱镜辅助调整光闸，根据实时监测结构中观察到的干涉条纹图样调整光闸准直镜并进行光路安全监控。本发明能够便捷地将一台光纤激光器的单根输出光纤更换为多根操作光纤，能够实现3万瓦级激光功率的分通道输出，可以快速装调系统元器件并保证系统使用安全。

Description

工业级操作光纤的更换方法
技术领域
本发明属于高功率激光设备领域，特别是工业级操作光纤的更换方法。
背景技术
激光制造已经广泛应用于材料切割、焊接、熔覆等领域中，成为现代化工业加工方式的重要选择。光纤激光器作为激光制造的光源之一，相比其他类型的激光器，在输出功率、光束质量、加工速度、转换效率等方面具有突出的优势。在激光制造中，被机器人手臂控制并且与加工材料实时作用的光纤叫做操作光纤，如光纤激光器输出光纤。然而在材料加工的过程中，材料飞溅、灰尘、回光等因素会对操作光纤带来安全隐患，容易损坏操作光纤，这对于光纤激光器而言是十分致命的。一旦光纤激光器的输出光纤损坏，必须返厂进行维修，漫长的维修周期无疑会大大影响用户的工作，带来不可忽略的经济损失。因此，如何保护光纤激光器的输出光纤，降低其在材料加工过程中损伤的概率显得至关重要。
随着激光制造的不断发展，用户需要根据不同的加工类型、加工材料参数、加工工艺等因素选择不同类型的操作光纤。这些操作光纤的主要区别在于纤芯芯径的不同，其芯径尺寸包括但不限于100微米、200微米、400微米、600微米等。然而，一台光纤激光器只拥有一根输出光纤，无法满足用户对不同操作光纤芯径的要求。用户只能购置多台光纤激光器，这无疑加大了用户的设备投入成本，同时也占据了大量的空间。因此，如何使一台光纤激光器实现“一机多用”的功能，成为了现代化激光制造中的关键点。
现有的技术采用光纤分束器或空间耦合系统对激光能量进行控制与分配，从而实现操作光纤的更换。光纤分束器常用于低功率激光中，无法满足高功率激光的使用需求，并且需要将其与光纤激光器的输出光纤进行熔接，会破坏光纤激光器的整体结构。采用空间耦合系统可以有效承载高功率激光，但是空间耦合系统对于光学元件的装调、耦合偏差要求严格，需要精准确定系统内各元器件的空间位置，保证输入激光能够精确地耦合进操作光纤的纤芯中。这就需要一个便捷的方法来实现对空间耦合系统的辅助装调，保证光路调节的稳定性和易操作性，降低光路调节过程中的误差。
此外，空间耦合系统所需承载的激光功率高达上万瓦，其在高功率激光下工作时，既要保证激光的传输耦合效率（效率大于95%），又要考虑工作系统的稳定安全。然而，在连续长时间的工作状态下，耦合系统中的光学元件会存在一系列的安全隐患。这主要源于两个方面，其一，光学元件会吸收部分激光能量而温度升高，出现受热膨胀的情况，导致光轴发生偏移，一旦偏移量达到数十微米，大量激光无法耦合进操作光纤的纤芯中传输，泄漏的激光功率可能高达上千瓦，极易烧毁操作光纤。其二，在使用的过程中，环境温度、湿度、振动等因素会影响系统的稳定性，一旦系统元件发生变化，光路就会出现较大偏移误差，从而降低系统耦合效率，导致大量激光外泄。总之，光路变化会给带来巨大的安全隐患。所以，在操作光纤使用的过程中还需要实时监测光路的变化，避免光轴偏移引起的激光功率外泄。
发明内容
本发明的目的在于提供工业级操作光纤的更换方法，能够便捷地将光纤激光器的输出光纤更换为多根操作光纤，解决光纤激光器单根光纤输出的局限性，并对系统进行安全监控，避免系统因受外界因素影响而引起激光器件毁伤的风险。
实现本发明目的的技术解决方案为：工业级操作光纤的更换方法，包括以下步骤：
步骤1、利用光闸替换加工头上需要更换的操作光纤，所述光闸包括输入卡口1、准直镜2、实时监测结构6和至少两个光闸输出通道；每个光闸输出通道包括反射镜3、聚焦镜4和输出卡口5，其中共第一光轴依次设置输入卡口1、准直镜2、反射镜3和实时监测结构6，反射镜3的工作面与第一光轴呈45°夹角，沿反射镜3折转后的第二光轴方向依次设置聚焦镜4和输出卡口5；转入步骤2。
步骤2、选择一根需要更换的操作光纤，将上述需要更换的操作光纤与光闸的输入卡口1连接，转入步骤3。
步骤3、根据实时监测结构6中观察到的干涉条纹图样，调整光闸准直镜2的轴向位置，直到条纹为水平条纹，此时激光准直性好，转入步骤4。
步骤4、选择需要使用的光闸输出通道，将新的操作光纤与光闸输出卡口5连接，转入步骤5。
步骤5、在光闸准直镜2和实时监测结构6之间放置五棱镜7，根据折转后的光轴方向确定光闸聚焦镜4和光闸输出卡口5的中心轴位置，此时聚焦镜4、输出卡口5的径向位置确定，聚焦镜4、输出卡口5的轴向位置根据光闸空间大小与聚焦镜4的焦距合理放置，此时当前光闸输出通道中的聚焦镜4、输出卡口5的位置确定，转入步骤6。
步骤6、撤出五棱镜7，在其位置处放置反射镜3，调节当前光闸输出通道中的反射镜3的位置使激光高耦合效率地耦合进当前光闸输出通道中的操作光纤纤芯中，此时当前光闸输出通道中的反射镜3装调完毕，转入步骤7。
步骤7、根据加工需求，判断是否存在需要更换的操作光纤，若存在需要更换的操作光纤，返回步骤4，在光闸的其他输出通道中安装其他需要使用的操作光纤，直到不存在需要更换的操作光纤，此时操作光纤更换完毕，转入步骤8。
步骤8、选择新的操作光纤进行工作，通过实时监测结构6观察到的干涉条纹监控光轴上的光学器件状态，当条纹方向与竖直方向的夹角超过设定的阈值时，及时关闭激光。
本发明与现有技术相比，其显著优点：
（1）本发明能够在不影响光纤激光器结构的前提下，将一台光纤激光器的输出光纤更换为多根操作光纤，满足用户对不同参数操作光纤使用的需求。
（2）本发明能够将光纤激光器的输出光纤与操作光纤实现空间分离，避免光纤激光器的输出光纤与加工材料的直接作用，能够有效保护光纤激光器。
（3）本发明能够对耦合系统内部元件进行辅助装调，确定各元件的空间位置，保证了光路调节的稳定性和易操作性，降低了光路调节过程中的误差。
（4）本发明能够承载3万瓦级激光功率，在使用中能实现对光路的实时监测，使系统拥有反馈特性，保证了激光使用的安全性。
下面将结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明工业级操作光纤的更换方法的流程图。
图2为本发明使用的光闸装置结构示意图。
图3为本发明使用五棱镜进行辅助调节的示意图。
图4为本发明中CCD探测的干涉条纹情况示意图。
具体实施方式
针对工业级操作光纤的更换需求，采用高功率激光光闸将一台光纤激光器的输出激光耦合到多根操作光纤中传输，从而使一台光纤激光器拥有多根不同芯径尺寸的操作光纤，由此实现工业级操作光纤的更换，能够满足用户的多种加工需求。此外，光闸作为一种空间耦合类型的器件，它将光纤激光器的输出光纤与光闸操作光纤进行空间分离，避免了光纤激光器的输出光纤与加工材料的直接作用，能够有效保护光纤激光器的输出光纤。在使用的过程中，如果光闸的操作光纤发生损坏，用户可以立即更换操作光纤，不影响其继续生产工作。
结合图1、图2与图3，本发明工业级操作光纤的更换方法，包括以下步骤：
步骤1、利用光闸替换加工头上需要更换的操作光纤，所述光闸包括输入卡口1、准直镜2、实时监测结构6和至少两个光闸输出通道；每个光闸输出通道包括反射镜3、聚焦镜4和输出卡口5，其中共第一光轴依次设置输入卡口1、准直镜2、反射镜3和实时监测结构6，反射镜3的工作面与第一光轴呈45°夹角，沿反射镜3折转后的第二光轴方向依次设置聚焦镜4和输出卡口5；转入步骤2。
步骤2、选择一根需要更换的操作光纤，将上述需要更换的操作光纤与光闸的输入卡口1连接，转入步骤3。
步骤3、根据实时监测结构6中观察到的干涉条纹图样，调整光闸准直镜2的轴向位置，直到条纹为水平条纹，此时激光准直性好，转入步骤4。
步骤4、选择需要使用的光闸输出通道，将新的操作光纤与光闸输出卡口5连接，转入步骤5。
步骤5、在光闸准直镜2和实时监测结构6之间放置五棱镜7，根据折转后的光轴方向确定光闸聚焦镜4和光闸输出卡口5的中心轴位置，此时聚焦镜4、输出卡口5的径向位置确定，聚焦镜4、输出卡口5的轴向位置根据光闸空间大小与聚焦镜4的焦距合理放置，此时当前光闸输出通道中的聚焦镜4、输出卡口5的位置确定，转入步骤6。
步骤6、撤出五棱镜7，在其位置处放置反射镜3，调节当前光闸输出通道中的反射镜3的位置使激光高耦合效率地耦合进当前光闸输出通道中的操作光纤纤芯中，此时当前光闸输出通道中的反射镜3装调完毕，转入步骤7。
步骤7、根据加工需求，判断是否存在需要更换的操作光纤，若存在需要更换的操作光纤，返回步骤4，在光闸的其他输出通道中安装其他需要使用的操作光纤，直到不存在需要更换的操作光纤，此时操作光纤更换完毕，转入步骤8。
步骤8、选择新的操作光纤进行工作，通过实时监测结构6观察到的干涉条纹监控光轴上的光学器件状态，当条纹方向与竖直方向的夹角超过设定的阈值时，及时关闭激光。
结合图2，实时监测结构6包括实时监测反射镜61、收光器62、衰减片63、楔形平板64、实时监测聚焦镜65、CCD66。沿第一光轴方向依次安装固定实时监测反射镜61、衰减片63和楔形平板64，实时监测反射镜61和楔形平板64的前表面分别与第一光轴呈45°夹角，沿实时监测反射镜61折转后的第三光轴方向安装固定收光器62，沿楔形平板64折转后的第四光轴方向依次安装固定实时监测聚焦镜65和CCD66。
实时监测结构6中的实时监测反射镜61将大部分激光反射到收光器62中进行吸收处理，透射过实时监测反射镜61的激光经过衰减片63进行能量衰减，传输到楔形平板64上形成剪切干涉，实时监测聚焦镜65将干涉条纹会聚到CCD66上进行观察。
在加工现场进行激光加工时，光闸中的准直镜2会吸收部分激光能量导致温度上升，从而发生膨胀以及折射率变化，此时经过准直镜2的激光的准直性变差，准直镜2所在光轴发生偏移。此外，光闸在使用时，环境扰动如震动、温度和湿度变化等，会影响光闸内部器件的状态，也会引起激光的准直性变差以及光轴偏移。当准直激光发散角或准直镜2所在光轴的偏移量过大时，部分激光无法耦合进操作光纤的纤芯中，会产生激光泄漏。
因此，结合图4，根据CCD66探测到的干涉条纹方向监测经过准直镜2的激光的准直性。当条纹方向与水平方向平行时，即为水平条纹661，此时激光准直性好，准直镜2的轴向位置正确。当条纹方向与水平方向有夹角时，即为第一倾斜条纹662或第二倾斜条纹663，激光准直性差，准直镜2的轴向位置需要进行调整。光束直径d，条纹剪切量S，楔形平板64折射率n，条纹间距b，条纹倾角i，计算出准直激光的发散角
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
，能够准确得知激光准直性情况，调节准直镜2的轴向位置使得准直激光的发散角达到目标值。
结合图2，光闸输入卡口1、准直镜2和实时监测结构6位置固定，不同光闸输出通道中的反射镜3可进行移动。使用光闸时，根据需要输出激光的输出通道，选择对应的反射镜进入光路，撤出无需的反射镜，从而实现光闸的分通道输出功能。聚焦镜4的空间位置可进行微调，保证激光高效率地耦合进纤芯中输出，可传输激光功率高达3万瓦。
光闸内部器件的精准定位十分重要，器件位置偏差会导致激光无法高效率地耦合进操作光纤中，从而产生大量的激光能量损失，极易烧毁操作光纤等器件。结合图3，光闸各输出通道中的反射镜3、聚焦镜4和输出卡口5的空间位置由五棱镜7进行辅助装调确定。在准直镜2和实时监测结构6之间放置五棱镜7，光束从五棱镜7的入射面进入五棱镜7中，折转90°后从五棱镜7的出射面输出，根据五棱镜7折转后光束的光轴位置确定聚焦镜4和输出卡口5的中心轴位置，根据聚焦镜4的焦距确定聚焦镜4和输出卡口5的轴向相对位置，此时聚焦镜4和输出卡口5空间位置确定。使用反射镜3替换五棱镜7，调节反射镜3的空间位置使得激光进入输出卡口5中光纤纤芯的耦合效率达到最大，此时反射镜3的空间位置确定。由此，实现了光闸内部器件的精准定位，避免了装调误差过大导致激光无法高效率地耦合进操作光纤中的后果。
综上，通过提出的工业级操作光纤的更换方法，利用光闸进行操作光纤的更换并进行安全监控，能够将激光加工头中的一根操作光纤更换为多根操作光纤，满足用户对不同参数操作光纤使用的需求。通过对光闸系统内部元件的辅助装调，可以精准确定各元件的空间位置，降低了光路调节过程中的调节误差。同时，该方法能够将激光加工头中的操作光纤与光纤激光器的输出光纤进行空间分离，避免光纤激光器的输出光纤与加工材料直接作用，能够有效保护光纤激光器。在激光加工现场，该方法还可以实现对光路的实时监测，使激光系统具备反馈特性，能够及时感知系统光轴变化，保证了激光使用的安全性。

Claims (6)

1.工业级操作光纤的更换方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、利用光闸替换加工头上需要更换的操作光纤，所述光闸包括输入卡口（1）、准直镜（2）、实时监测结构（6）和至少两个光闸输出通道；每个光闸输出通道包括反射镜（3）、聚焦镜（4）和输出卡口（5），其中沿第一光轴依次设置输入卡口（1）、准直镜（2）、反射镜（3）和实时监测结构（6），反射镜（3）的工作面与第一光轴呈45°夹角，沿反射镜（3）折转后的第二光轴方向依次设置聚焦镜（4）和输出卡口（5）；
转入步骤2；
步骤2、选择一根需要更换的操作光纤，将上述需要更换的操作光纤与光闸的输入卡口（1）连接，转入步骤3；
步骤3、根据实时监测结构（6）中观察到的干涉条纹图样，调整光闸准直镜（2）的轴向位置，直到条纹为水平条纹，此时激光准直性好，转入步骤4；
步骤4、选择需要使用的光闸输出通道，将新的操作光纤与光闸输出卡口（5）连接，转入步骤5；
步骤5、在光闸准直镜（2）和实时监测结构（6）之间放置五棱镜（7），根据折转后的光轴方向确定光闸聚焦镜（4）和光闸输出卡口（5）的中心轴位置，此时聚焦镜（4）、输出卡口（5）的径向位置确定，聚焦镜（4）、输出卡口（5）的轴向位置根据光闸空间大小与聚焦镜（4）的焦距合理放置，此时当前光闸输出通道中的聚焦镜（4）、输出卡口（5）的位置确定，转入步骤6；
步骤6、撤出五棱镜（7），在其位置处放置反射镜（3），调节当前光闸输出通道中的反射镜（3）的位置使激光高耦合效率地耦合进当前光闸输出通道中的操作光纤纤芯中，此时当前光闸输出通道中的反射镜（3）装调完毕，转入步骤7；
步骤7、根据加工需求，判断是否存在需要更换的操作光纤，若存在需要更换的操作光纤，返回步骤4，在光闸的其他输出通道中安装其他需要使用的操作光纤，直到不存在需要更换的操作光纤，此时操作光纤更换完毕，转入步骤8；
步骤8、选择新的操作光纤进行工作，通过实时监测结构（6）观察到的干涉条纹监控光轴上的光学器件状态，当条纹方向与竖直方向的夹角超过设定的阈值时，及时关闭激光。
2.根据权利要求1所述的工业级操作光纤的更换方法，其特征在于：实时监测结构（6）包括实时监测反射镜（61）、收光器（62）、衰减片（63）、楔形平板（64）、实时监测聚焦镜（65）、CCD（66）；
沿第一光轴方向依次设置实时监测反射镜（61）、衰减片（63）和楔形平板（64），实时监测反射镜（61）和楔形平板（64）的前表面分别与第一光轴呈45°夹角，沿实时监测反射镜（61）折转后的第三光轴方向设置收光器（62），沿楔形平板（64）折转后的第四光轴方向依次设置实时监测聚焦镜（65）和CCD（66）。
3.根据权利要求2所述的工业级操作光纤的更换方法，其特征在于：所述实时监测结构（6）中的实时监测反射镜（61）将大部分激光反射到收光器（62）中进行吸收处理，透射过实时监测反射镜（61）的激光经过衰减片（63）进行能量衰减，传输到楔形平板（64）上形成剪切干涉，实时监测聚焦镜（65）将干涉条纹会聚到CCD（66）上进行观察。
4.根据权利要求2所述的工业级操作光纤的更换方法，其特征在于：所述实时监测结构（6）中，根据CCD（66）探测到的干涉条纹方向监测经过准直镜（2）的激光的准直性；当条纹方向与水平方向平行时，即为水平条纹（661），此时激光准直性好，准直镜（2）的轴向位置正确；当条纹方向与水平方向有夹角时，即为第一倾斜条纹（662）或第二倾斜条纹（663），激光准直性差，准直镜（2）的轴向位置需要进行调整；光束直径d，条纹剪切量S，楔形平板（64）折射率n，条纹间距b，条纹倾角i，计算出准直激光的发散角
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，能够准确得知激光准直性情况，调节准直镜（2）的轴向位置使得准直激光的发散角达到目标值。
5.根据权利要求1所述的工业级操作光纤的更换方法，其特征在于：所述光闸输入卡口（1）、准直镜（2）和实时监测结构（6）位置固定，不同光闸输出通道中的反射镜（3）可进行移动；使用光闸时，根据需要输出激光的输出通道，选择对应的反射镜进入光路，撤出无需的反射镜，从而实现光闸的分通道输出功能；聚焦镜（4）的空间位置可进行微调，保证激光高效率地耦合进纤芯中输出，可传输激光功率高达3万瓦。
6.根据权利要求1所述的工业级操作光纤的更换方法，其特征在于：所述各输出通道中的反射镜（3）、聚焦镜（4）和输出卡口（5）的空间位置由五棱镜（7）进行辅助装调确定；在准直镜（2）和实时监测结构（6）之间放置五棱镜（7），光束从五棱镜（7）的入射面进入五棱镜（7）中，折转90°后从五棱镜（7）的出射面输出，根据五棱镜（7）折转后光束的光轴位置确定聚焦镜（4）和输出卡口（5）的中心轴位置，根据聚焦镜（4）的焦距确定聚焦镜（4）和输出卡口（5）的轴向相对位置，此时聚焦镜（4）和输出卡口（5）空间位置确定；使用反射镜（3）替换五棱镜（7），调节反射镜（3）的空间位置使得激光进入输出卡口（5）中光纤纤芯的耦合效率达到最大，此时反射镜（3）的空间位置确定。
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