CN113510395A - 一种一体化激光器输出头 - Google Patents

Abstract

回返光对输出头的危害极大，本发明提供的一种一体化激光器输出头具有抗高功率回返光的性能，并且能够直接装配在激光加工设备上，无需使用适配器。本发明采用大直径石英柱，使回返光全部穿过石英柱，并使其绝大部分照射到与石英柱锥区接触的金属件上，此处距离冷却液连通口近，冷却流量大，能够提供满足冷却需求。此外，在对石英柱的固定方式上，摒弃了胶粘固定，对石英柱输出端面进行了倒角设计，通过金属压圈压住倒角，实现了石英柱的机械固定，规避了胶粘固定可能带来的风险。

Description

一种一体化激光器输出头

技术领域

本发明涉及一种输出头。

背景技术

在工业激光领域，由于光纤可以柔性传输，可以在较小的空间内便捷地将激光传输至目标处，从而取代空间传输，成为激光器激光输出的首选传输介质。然而为了抑制非线性效应的产生，激光不能从光纤端面直接输出，普遍的办法是将光纤的输出端与较大直径的石英柱熔接，使得激光从石英柱的端面输出，如此有效增大了通光面积，降低了光功率密度。对输出光纤和石英柱加以封装，从而形成了一种激光器的无源器件——输出光缆，主要包括输出头和保护铠甲。其中输出头为输出光缆的关键部分，输出头通过适配器连接到激光加工设备上，这就需要输出头能够与适配器完美匹配，从而能够将激光器产生的激光传输至切割头，实现精密、安全、可靠的激光加工。

根据激光器的最大输出功率等级，与之搭配使用的激光加工设备和适配器的规格不同，从而与适配器连接的输出头的规格也是不同的。当前国内外绝大部分厂商生产的输出头采用的是国际上通用的标准工业输出接口形式，只是对输出头的命名有所差异，有叫QBH、QD等的，也有叫LLK-B、LLK-D等的，但都需要让输出头和适配器进行公母头连接。然而这种连接方式在激光加工设备高速运动作业的时候，不可避免地会导致内部磨损，使得两者的连接出现松动。这种情况下将不能继续作业，需要更换适配器，严重情况下需要连同输出光缆一起更换，无疑极大增加了使用成本。此外，使用标准接口的适配器就限制了输出头的规格尺寸，这使得输出头的冷却能力有限，在高功率高回返光的工作环境下，输出头的冷却能力将不能满足需求。

当前输出头采用的石英柱的直径普遍为7～9mm，回返光的照射范围大于石英柱的直径，导致大量回返光会照射到石英柱外围的金属件，但是此位置冷却液流不到，因此散热能力较弱，长时间加工作业会导致热聚集现象严重，造成金属件变色、变形，进而导致输出头失效。

在专利号为ZL 202020234581.6和专利号为ZL 202020234553.4的实用新型专利中，创鑫激光提出取消专门的适配器，将激光输出头直接安装到激光加工设备上，大幅降低制造成本，使得结构也更为紧凑。但仍存在几点问题：1、激光加工设备作业中产生的回返光主要通过石英柱前端的冷却腔吸收，但由于此位置距离冷却液连通口远，实际冷却效果有限；2、未对石英柱的固定方式作出说明，按照附图，可以理解采用的仍是胶粘固定，然而由于胶和石英柱、金属件的膨胀系数的不匹配，在高回返光环境下可能会对石英柱造成破坏。

发明内容

本发明的目的是：提供一种具有较佳冷却效果且在高回返光环境下不易失效的输出头。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种一体化激光器输出头，其特征在于，包括壳体，壳体前端用于与激光加工设备连接固定，壳体上设有冷却液连通口一和冷却液连通口二；壳体内设有主体件，主体件两端与壳体密封配合，从而在壳体与主体件之间形成密闭空间；主体件外壁形成有冷却液流通路；冷却液经由冷却液连通口一或冷却液连通口二流入壳体与主体件之间的密闭空间内，流经冷却液流通路后再由冷却液连通口二或冷却液连通口一流出；

主体件中间沿轴向贯通，主体件的前端为锥槽，后端与光纤固定件；后端熔接有光纤的石英柱设于主体件内，石英柱同样为锥型结构，其锥区能够与主体件锥槽完全贴合，石英柱的直径足够大使得回返光能够全部进入石英柱，照射在石英柱的锥区；对进入石英柱的回返光进行如下处理：绝大部分回返光被与石英柱锥区接触的主体件吸收；处于中央未被主体件吸收的回返光，空间后传后被主体件吸收，并在主体件中设置反射功能的石英片，用于阻断回返光继续后传；处于中央通过石英柱与光纤的熔接点进入光纤包层的回返光，经由对熔接点后的一段光纤包层表面的毛化处理，使得这部分回返光也逸出光纤被主体件吸收；对处于中央通过石英柱与光纤的熔接点进入光纤纤芯的回返光不做处理；

石英柱与主体件之间通过机械方式连接固定；

光纤的前端与石英柱熔接，穿过主体件、光纤固定件后，进入保护铠甲；对光纤固定件注入胶粘剂以固定光纤。

优选地，所述壳体的内径不小于所述激光加工设备的入光孔直径。

优选地，所述主体件外壁设有用于形成所述冷却液流通路的多片冷却板。

优选地，所述主体件的锥槽及所述石英柱的锥区具有一定长度，使得所述石英柱的锥区放置到所述主体件的锥槽中之后就能实现所述石英柱与所述主体件中心轴的对准。

优选地，所述冷却液连通口一及所述冷却液连通口二对准所述冷却液流通路的U型槽。

优选地，在所述石英柱前端设计有倒角，将压圈压在所述石英柱前端的倒角上，从而将所述石英柱固定。

优选地，所述石英柱的直径为12～18mm。

回返光对输出头的危害极大，本发明具有抗高功率回返光的性能，并且能够直接装配在激光加工设备上，无需使用适配器。本发明采用大直径石英柱，使回返光全部穿过石英柱，并使其绝大部分照射到与石英柱锥区接触的金属件上，此处距离冷却液连通口近，冷却流量大，能够提供满足冷却需求。此外，在对石英柱的固定方式上，摒弃了胶粘固定，对石英柱输出端面进行了倒角设计，通过金属压圈压住倒角，实现了石英柱的机械固定，规避了胶粘固定可能带来的风险。

具体而言，与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明采用大直径石英柱，回返光能够全部进入石英柱，照射在石英柱锥区。绝大部分回返光都能够被与石英柱锥区接触的主体件吸收，且此区域具有强冷却效果，避免回返光直径照射到石英柱输出端面周围的金属件上，导致热聚集。

(2)石英柱固定方面，本发明摒弃胶粘固定的方法，对石英柱的输出端进行了倒角设计，通过装配压圈，使压圈压住石英柱的倒角，从而实现石英柱的机械固定，彻底规避了胶粘固定可能存在的安全隐患。

(3)本发明采用的是大内径的壳体，并在主体件上设计高冷却板，增大了主体件的散热面积，同时主体件上的四片冷却板形成了冷却液流通路，主体件与壳体装配到位后主体件的两端通过密封件能够使两者间形成密闭空间，并通过装配大内径的冷却液连通口一和冷却液连通口二，使得本发明的冷却液流通量相比标准接口的输出头有了明显的提升，进而提升了冷却性能。

附图说明

图1为本发明沿中心轴的剖面示意图；

图2为本发明主体件的结构示意图。

图中，1-壳体、2-主体件、3-冷却液连通口一、4-冷却液连通口二、5-石英柱、6-光纤、7-石英片、8-压圈、9-光纤固定件。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

如图1所示，本实施例公开的一种一体化激光器输出头，包括壳体1、主体件2、冷却液连通口一3、冷却液连通口二4、石英柱5、光纤6、石英片7、压圈8、光纤固定件9。

壳体1最前端的螺孔位置能够匹配激光加工设备上的螺孔位置，使得壳体1前端能够固定于激光加工设备上。主体件2放置于壳体1内，主体件2两端通过密封件装配于壳体1内，两者能够通过密封件实现两端的密封连接，形成密闭空间。主体件2中间沿轴向贯通，前端有用于放置石英柱5的锥槽，后端用于与光纤固定件9固定。主体件2外壁上有冷却板，并能形成冷却液的流通路。壳体1的冷却液连通口一3和冷却液连通口二4对准主体件2上冷却液流通路U槽底部。冷却液连通口一3和冷却液冷却液连通口二4用于冷却液的流入和流出。将熔接好光纤6的石英柱5从壳体1的输出端穿入，直至石英柱5装配到位，壳体1内设有石英片7。光纤6用于传输激光，石英片7用于阻止在壳体1内的回返光继续后传。石英柱5用于实现光斑放大，石英柱5的锥区能够主体件2的锥槽完全贴合，使石英柱5与主体件2实现中心轴对准。将压圈8压在石英柱5输出端(即前端)的倒角上，将石英柱5固定。光纤固定件9从光纤6后端穿入，固定于主体件2上。光纤固定件9上有注胶孔，光纤6穿过光纤固定件9后，通过注胶孔注射入胶粘剂固定光纤6。光纤6经过光纤固定件9后进入保护铠甲。

本发明采用大直径石英柱5(石英柱5的直径为12～18mm)，使得回返光能够全部进入石英柱5，照射在石英柱5的锥区。通过将回返光分为四类处理，来实现抗高功率回返光的性能：一是由于石英柱锥区与主体件2的接触面积大，绝大部分回返光被与石英柱锥区接触的主体件2吸收；二是处于中央没有被主体件2吸收的回返光，空间后传后被主体件2吸收，这其中又有部分回返光的数值孔径特别小，短距离内无法被主体件2吸收，为此在主体件2中装配了具有反射功能的石英片7，彻底阻断回返光继续后传；三是处于中央通过石英柱5与光纤6的熔接点进入光纤包层的回返光，对熔接点后的一段光纤6的包层表面进行毛化处理，使得这部分回返光也能逸出光纤6被主体件2吸收；四是处于中央通过石英柱5与光纤6的熔接点进入光纤纤芯的回返光，这部分回返光的功率很小，且对输出头不构成危害，所以不对其进行处理。从上述可知，95％以上的回返光能够被主体件2吸收，并且本发明的结构使主体件2吸收回返光的区域都处于冷却范围内，从而能够彻底解决回返光对本发明的危害。

在对石英柱5的固定方面，通常采用的胶粘固定的方法，然而有失效、膨胀系数不匹配等隐患。本发明对石英柱5的输出端进行了倒角设计，通过装配压圈8，使压圈8压住石英柱5的倒角，从而实现石英柱5的机械固定，彻底规避了胶粘固定可能存在的安全隐患。此外，石英柱5的长锥区设计，使得石英柱只需放置到主体件2的锥槽中，就能实现石英柱5与主体件2中心轴的对准。

本发明同样采用的是大内径的壳体1，壳体1内径不小于激光加工设备的入光孔直径，如此可以在主体件2上设计高冷却板，增大了主体件2的散热面积。同时主体件2上的四片冷却板形成了冷却液流通路，主体件2与壳体1装配到位后，主体件2的两端通过密封件能够使两者间形成密闭空间，并通过装配大内径的冷却液连通口一3和冷却液连通口二4，其内径不小于4mm，使得本发明的冷却液流通量相比标准接口的输出头有了明显的提升，进而提升了冷却性能。

Claims (7)

1.一种一体化激光器输出头，其特征在于，包括壳体(1)，壳体(1)前端用于与激光加工设备连接固定，壳体(1)上设有冷却液连通口一(3)和冷却液连通口二(4)；壳体(1)内设有主体件(2)，主体件(2)两端与壳体(1)密封配合，从而在壳体(1)与主体件(2)之间形成密闭空间；主体件(2)外壁形成有冷却液流通路；冷却液经由冷却液连通口一(3)或冷却液连通口二(4)流入壳体(1)与主体件(2)之间的密闭空间内，流经冷却液流通路后再由冷却液连通口二(4)或冷却液连通口一(3)流出；

主体件(2)中间沿轴向贯通，主体件(2)的前端为锥槽，后端与光纤固定件(8)；后端熔接有光纤(6)的石英柱(5)设于主体件(2)内，主体件(2)内设有石英片(7)，石英柱(5)的锥区与主体件(2)的锥槽完全贴合，石英柱(5)的直径足够大使得回返光能够全部进入石英柱(5)，照射在石英柱(5)的锥区；对进入石英柱(5)的回返光进行如下处理：绝大部分回返光被与石英柱(5)锥区接触的主体件(2)吸收；处于中央未被主体件(2)吸收的回返光，空间后传后被主体件(2)吸收，并在主体件(2)中设置反射功能的石英片(7)，用于阻断回返光继续后传；处于中央通过石英柱(5)与光纤(6)的熔接点进入光纤(6)包层的回返光，经由对熔接点后的一段光纤(6)包层表面的毛化处理，使得这部分回返光也逸出光纤(6)被主体件(2)吸收；对处于中央通过石英柱(5)与光纤(6)的熔接点进入光纤(6)纤芯的回返光不做处理；

石英柱(5)与主体件(2)之间通过机械方式连接固定；

光纤(6)的前端与石英柱(5)熔接，穿过主体件(2)、光纤固定件(9)后，进入保护铠甲；对光纤固定件(9)注入胶粘剂以固定光纤(6)。

2.如权利要求1所述的一种一体化激光器输出头，其特征在于，所述壳体(1)的内径不小于所述激光加工设备的入光孔直径。

3.如权利要求1所述的一种一体化激光器输出头，其特征在于，所述主体件(2)外壁设有用于形成所述冷却液流通路的多片冷却板。

4.如权利要求1所述的一种一体化激光器输出头，其特征在于，所述主体件(2)的锥槽及所述石英柱(5)的锥区具有一定长度，使得所述石英柱(5)的锥区放置到所述主体件(2)的锥槽中之后就能实现所述石英柱(5)与所述主体件(2)中心轴的对准。

5.如权利要求1所述的一种一体化激光器输出头，其特征在于，所述冷却液连通口一(3)及所述冷却液连通口二(4)对准所述冷却液流通路的U型槽。

6.如权利要求1所述的一种一体化激光器输出头，其特征在于，在所述石英柱(5)前端设计有倒角，将压圈(8)压在所述石英柱(5)前端的倒角上，从而将所述石英柱(5)固定。

7.如权利要求1所述的一种一体化激光器输出头，其特征在于，所述石英柱(5)的直径为12～18mm。

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