CN113572006B - 双波长复合光纤激光器及激光控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种双波长复合光纤激光器系统，通过多个半导体激光器和光纤将多个半导体激光器通过光纤泵浦合束器合束后传输至光纤增益腔中,利用增益光纤对半导体激光固定的吸收率的特性,设计有吸收饱和阈值的增益腔,通过激光器控制系统控制半导体激光器(二极体)的激光输出量,使激光器形成两种不同的工作状态,使用衍射光学元件改变同轴的加热光束的光场分布为0阶贝塞尔分布，使得加热光束不仅减少能耗更能配合好同样输出模式的光纤激光光束。
Description
技术领域
本申请涉及光纤激光技术领域，尤其涉及一种双波长复合光纤激光器系统及激光输出方式，具有合适加热光场的复合激光输出。
背景技术
将光纤激光用于材料加工是相当普遍的，但在光纤激光对材料进行加热加工时，由于光纤激光加工热区小的特点，造成加工点与周围非加工区域的温差巨大，由此会产生激光频率与材料间的共振，引起材料飞溅的现象，严重影响加工效果，介于这个问题，产生了复合式激光加工工艺，即在高能量密度激光加工的同时，另外用均匀的激光能量改变加工点周围材料的温度，让材料避开与激光频率的共振点。现有的复合加工方式是分别使用两台光纤激光器与半导体激光器，通过聚焦镜片等外光路将两台激光器输出的光束聚焦在加工材料表面上。
现有的传统复合激光加工方式是分别使用两台光纤激光器与半导体激光器，通过聚焦镜片等外光路将两台激光器输出的光束聚焦在加工材料表面上，实现对材料的复合激光加工。需要两台不同的独立激光器，没有统一的控制软件，各自都需要单独进行控制，在精密的工艺调试中，无法实现较高的一致性；这种双机联动的形式必需要两组光学聚焦镜头，使用与维护成本较高。外光路的耦合方式决定了两种光束来自不同的入射角度，这会导致非焦点激光会在工件表面形成不规则的椭圆光斑，从而造成能量分布不均匀的现象。
在一些快速加工时，需要反复在不同位置精确的切换加热光场的状态，用以精确调节非加工区域的共振频率，即需要特定的位置连续的切换加热光束的工作状态，而当采用两台不同独立激光器时，由于两种设备之间的协调具有延迟，没有办法在快速加工中，连续准确的切换加热模式。
现有的用均匀的激光能量改变加工点周围材料的温度，由于需要将能量均匀分布在加工区域周围，没有区别对待靠近加工点的区域和远离加工点的区域，而由于靠近加工点附近的位置对于加热的需求较高，这种均匀的加热会增大能量的消耗。
发明内容
本申请的实施例的主要目的在于提供一种双波长复合光纤激光器系统及激光输出方式，旨在提升高能量密度激光加工的激光质量。
为实现上述目的，本申请实施例提供一种双波长复合光纤激光器系统及激光输出方式。
一种双波长复合光纤激光器系统，用于产生两种不同的激光输出光束，所述系统包括：N个半导体激光模块(N为大于等于1的正整数,优选大于1)；一个正向N+1光纤泵浦合束器；光纤增益腔；一根光纤输出光缆；激光器控制系统；N个半导体激光模块由N个976nm半导体激光模块组成,用于提供激光器系统中的泵浦激光与输出激光；一个正向N+1光纤泵浦合束器用于将N个半导体激光模块输出的泵浦激光合束至一根包层低NA(小于等于0.22)的GDF光纤中；光纤增益腔由一对包层低NA(小于等于0.22)光纤光栅(HR与OC)与包层低NA(小于等于0.22)掺镱光纤(YDF)组成,用于吸收由正向N+1光纤泵浦合束器传输来的泵浦激光,进行吸收增益放大产生由纤芯传输的激光(1070nm)；一根光纤输出光缆是由一根包层NA约为0.22的传输光纤制成的无需水冷QBH输出光缆,用于将激光器系统中产生的高斯光束(纤芯)与未被吸收的9XX波长光束(包层)传输至工件表面(如附图2所示)；激光器控制系统由系统硬件(电路板)与控制软件组成,用于分别对N个半导体激光模块(1)的独立输出控制，并关联实现两种不同激光光束的能量强度、工作时间、脉冲频率等输出方式的多种搭配。
优选的，该激光器系统中采用了9个半导体激光模块。
优选的，该激光器系统中采用了976nm半导体激光模块。
优选的，该激光器系统中采用的光纤器件(如正向N+1泵浦合束器；光纤增益腔；光纤输出光缆)的包层NA设计约为0.22。
优选的，该激光器系统中光纤增益腔中,还可以采用915等其他波长半导体激光模块。
优选的，光纤增益腔中,采用约20m增益光纤(YDF)。
优选的，光纤激光模块中采用的有源光纤是Yb。
优选的，光纤激光模块中采用的有源光纤是Er、Th、Ho、掺杂光纤或其他一些组合。
优选的，在输出中通过非线性光学晶体、拉曼光纤等频移。
优选的，光器系统中采用了光纤激光模块最终输出时为多模。
本申请在结构上具有如下优势：整个激光器系统的输出光路均为全光纤光学器件组成；利用增益腔吸收饱和阈值来进行双波长筛选；在一根光纤输出光缆中，纤芯与包层分别传输主功率(光纤激光能量)与辅助功率(半导体激光能量)的输出方式；可实现一台激光器输出两种不同的光束形态：1.1070nm高能量密度小光斑；2.1070nm+9XXnm双波长复合光斑；用一个软件控制光纤激光模块与多个半导体激光模块的方式。
在准直聚焦镜组的两个透镜之间的辅助激光分为与光纤激光位置重叠的第一辅助光场区域和外围的第二辅助光场区域。
优选的，在准直聚焦镜组的两个透镜中间加入衍射光学元件相位板，射光学元件相位板可为集成纳米结构周期阵列的相位板，衍射光学元件相位板上设置与光轴垂直的纳米结构周期阵列面，衍射光学元件相位板位于中部的与光纤激光光束对应的中心区域不设置纳米结构周期阵列或是中空结构，在周围的纳米结构周期阵列用于将外围第二辅助光场区域的辅助光场的光强分布转化为符合0阶贝塞尔函数的光强分布(纳米结构周期阵列结构为现有技术,可以参见中国专利文献CN111090147A、CN111025454A等)。
由于其加热场的分布，首先能够降低能量消耗，其次，由于加热光的光场分布接近光纤输出模式，其与光纤激光光束的配合性和相容性更好，更能辅助好光纤激光加工光束。
由于持续的辅助加热光束的存在可能会导致温度的持续上升,加工点附近的材料温度较难控制,容易出现不期望的共振。
优选的，激光器具有毫秒范围内的连续切换激光输出的模式，例如2ms的1070nm+976nm的双模长复合光斑，然后立刻切换为1ms的1070nm高能量密度小光斑，然后再立刻切换回2ms的1070nm+976nm的双模长复合光斑，然后立刻切换为1ms的1070nm高能量密度小光斑输出，如此循环往复的模式输出，即激光连续输出的一个加工周期内具有多个输出时间子周期T，每个输出时间子周期T的激光输出模式一致，一个输出时间子周期T内具有第一时间区间和一个第二时间区间，实现在第一时间区间内1070nm+976nm的双模长复合光斑输出，在第二时间区间内1070nm高能量密度小光斑输出，优选的，每个输出时间子周期T的激光输出模式一致，精确控制两个时间区间的比例用以精确调节非加工区域的频率，如此毫秒级的调节更加精确的调整了材料的加热后性能，使之更难出现共振现象。
在此基础上，本申请还解决了如下的问题：
(1).本激光器系统拥有统一的控制系统，可实现两种不同的输出激光拥有最快的联动响应速度，这会大大增加工件加工表面起始点和结束点的加工质量；
(2).本激光器系统是将两种激光光束均从一根光纤输出光缆输出，在对所述工件进行垂直加工时，所有光斑均为均匀的圆形，从而使辅助激光可以更加均匀地对工件表面进行辅助加热，保证了热分布的一致性，会有效缩小共振范围；
(3).本激光器系统可实现一台激光器输出两种不同的的光束形态：1.高能量密度小光斑；2.复合光斑；单台激光器就可以分别实现光纤激光器、复合激光系统的功能；
(4).仅需一组光学聚焦镜头配合使用，极大地减少了使用成本与维护成本；
(5).可在系统中设置预设好的参数包，应对不同的加工材料。
(6).使用衍射光学元件改变同轴的加热光束的光场分布为0阶贝塞尔分布，使得加热光束不仅减少能耗更能配合好同样输出模式的光纤激光光束。
(7).一个输出时间子周期T内具有第一时间区间和一个第二时间区间，实现在第一时间区间内1070nm+976nm的双模长复合光斑输出，在第二时间区间内1070nm高能量密度小光斑输出，精确控制两个时间区间的比例用以精确调节非加工区域的共振频率，如此毫秒级的调节更加精确的调整了材料的加热后性能，使之更难出现共振现象。
附图说明
图1为双波长复合光纤激光系统结构示意图；
图2为两种光斑能量分布；
图3为复合加工状态；
图4为激光器控制系统。
本申请目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在后续的描述中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本申请的说明，其本身没有特定的意义。因此，“模块”、“部件”或“单元”可以混合地使用。
一种双波长复合光纤激光器系统，用于产生两种不同的激光输出光束，所述系统(如附图1所示)包括：N个半导体激光模块(1)；一个正向N+1光纤泵浦合束器(2)；光纤增益腔(3)；一根光纤输出光缆(4)；激光器控制系统(5)。
N个半导体激光模块(1)由N个976nm半导体激光模块组成,用于提供激光器系统中的泵浦激光与输出激光；一个正向N+1光纤泵浦合束器(2)用于将N个半导体激光模块输出的泵浦激光合束至一根包层低NA(小于等于0.22)的GDF光纤中；光纤增益腔(3)由一对包层低NA(小于等于0.22)光纤光栅(HR与OC)与包层低NA(小于等于0.22)掺镱光纤(YDF)组成,用于吸收由正向N+1光纤泵浦合束器(2)传输来的泵浦激光,进行吸收增益放大产生由纤芯传输的激光(1070nm)；一根光纤输出光缆(4)是由一根包层NA约为0.22的传输光纤制成的无需水冷QBH输出光缆,用于将激光器系统中产生的高斯光束(纤芯)与未被吸收的9XX波长光束(包层)传输至工件表面(如附图2所示)；激光器控制系统(5)由系统硬件(电路板)与控制软件组成,用于分别对N个半导体激光模块(1)的独立输出控制，并关联实现两种不同激光光束的能量强度、工作时间、脉冲频率等输出方式的多种搭配；
该系统的工作方式为:由所述的激光器控制系统控制N个半导体激光模块分别输出波长为976nm的泵浦激光；该泵浦激光由正向N+1泵浦合束器合束至光纤增益腔中；光纤增益腔会根据增益光纤(YDF)的固定吸收率设计出一个增益饱和阈值,当输入的泵浦激光量未满足增益腔的吸收饱和阈值时,光纤增益腔会将半导体激光模块输入的976nm泵浦激光全部吸收(99％以上)增益放大至1070nm,并通过光纤输出光缆输出,形成对工件加工的主光束；当激光器控制系统控制使半导体激光模块输出的泵浦激光量超过光纤增益腔的吸收饱和阈值时,光纤增益腔仅能吸收饱和阈值以内的泵浦激光,无法被吸收的泵浦激光(9XXnm)能量将会沿着光纤增益腔的包层继续传输,最终通过光纤传输光缆的包层输出,与纤芯输出1070nm高斯光束共同形成双波长复合光束(如附图2所示)；光纤传输光缆包层输出的9XXnm光束为辅助光束,会对所述工件加工区域附近进行辅助加热，改变该非加工区域的频率，避免与主功率激光频率相近产生的共振现象(如附图3所示)，操作者可通过激光控制软件对每个半导体激光模块都能发出不同的输出方式指令，可使该激光器系统产生多种激光配合输出的模式，以适应不同的材料特性与加工需求。
在一些实施例中，该激光器系统中采用了9个半导体激光模块(如附图1所示)，如有特殊的应用需求，可采用N个半导体激光器配合正向N+1泵浦合束器进行组合；
在一些实施例中，该激光器系统中采用了976nm半导体激光模块,还可以根据不同的增益光纤种类匹配不同波长的半导体激光模块；
在一些实施例中，该激光器系统中采用的光纤器件(如正向N+1泵浦合束器；光纤增益腔；光纤输出光缆)的包层NA设计约为0.22,可根据需求,定制不同NA不同的包层光纤；
在一些实施例中，该激光器系统中光纤增益腔中,还可以采用915等其他波长半导体激光模块；
在一些实施例中，该激光器系统中光纤增益腔中,采用约20m增益光纤(YDF),还可以根据增益光纤的吸收率设计不同长度的增益光纤来改变吸收饱和阈值；
在一些实施例中，该激光器系统中，其中光纤增益腔输出为1070nm的激光，因为光纤激光模块中采用的有源光纤是Yb，但是也可以选择任何种类的波长，从而可以使用Er、Th、Ho、掺杂光纤或其他一些组合，甚至在输出中通过非线性光学晶体、拉曼光纤等频移的光纤激光器。
在一些实施例中，该激光器系统中采用了光纤激光模块最终输出时为多模，如有特定应用时，可提供单模输出。
参照图3，在准直聚焦镜组的两个透镜之间的辅助激光分为与光纤激光位置重叠的第一辅助光场区域和外围的第二辅助光场区域。
图3中可以看出激光器系统还包括准直镜组，在一些实施例中，在准直聚焦镜组的两个透镜中间加入衍射光学元件相位板，衍射光学元件相位板为集成纳米结构周期阵列的相位板，衍射光学元件相位板上设置与光轴垂直的纳米结构周期阵列面，衍射光学元件相位板位于中部的与光纤激光光束对应的中心区域不设置纳米结构周期阵列或是中空结构，在周围的纳米结构周期阵列用于将外围第二辅助光场区域的辅助光场的光强分布转化为符合0阶贝塞尔函数的光强分布(纳米结构周期阵列结构为现有技术,可以参见中国专利文献CN111090147A、CN111025454A等)。
由于其加热场的分布，首先能够降低能量消耗，其次，由于加热光的光场分布接近光纤输出模式，其与光纤激光光束的配合性和相容性更好，更能辅助好光纤激光加工光束。
由于持续的辅助加热光束的存在可能会导致温度的持续上升,加工点附近的材料温度较难控制,容易出现不期望的共振。
在一些实施例中，激光器具有毫秒范围内的连续切换激光输出的模式，例如2ms的1070nm+976nm的双模长复合光斑，然后立刻切换为1ms的1070nm高能量密度小光斑，然后再立刻切换回2ms的1070nm+976nm的双模长复合光斑，然后立刻切换为1ms的1070nm高能量密度小光斑输出，如此循环往复的模式输出，即一个加工周期内具有多个输出时间周期T，每个输出时间子周期T的激光输出模式一致，一个输出时间周期T内具有第一时间区间和一个第二时间区间，实现在第一时间区间内1070nm+976nm的双模长复合光斑输出，在第二时间区间内1070nm高能量密度小光斑输出，精确控制两个时间区间的比例用以精确调节非加工区域的频率，如此毫秒级的调节更加精确的调整了材料的加热后性能，使之更难出现共振现象。
上面结合附图对本申请的实施例进行了描述，但是本申请并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本申请的启示下，在不脱离本申请宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本申请的保护之内。
Claims (7)
1. 一种光纤激光器的控制方法，包括 N 个输入激光模块、正向 N+1光纤泵浦合束器、光纤增益腔、输出光纤，正向 N+1 光纤泵浦合束器用于将多个输入激光模块输出的激光合束，光纤增益腔吸收由正向N+1 光纤泵浦合束器传输来的泵浦激光，进行吸收增益放大，输出光纤用于将激光器中产生的激光输出；其特征在于，具有激光器控制系统可控制激光器输出两种模式，第一模式为光纤增益腔增益放大的光纤激光，第二模式为双波长复合光斑,双波长复合光斑为光纤增益腔增益放大的光纤激光叠加未被吸收的输入激光光束；N 为大于 1 的正整数；激光器还包括准直镜组，在准直聚焦镜组的两个透镜之间的辅助激光分为与光纤激光位置重叠的第一辅助光场区域和外围的第二辅助光场区域，在准直聚焦镜组的两个透镜中间加入衍射光学元件相位板，衍射光学元件相位板为集成纳米结构周期阵列的相位板，衍射光学元件相位板上设置与光轴垂直的纳米结构周期阵列面，衍射光学元件相位板位于中部的与光纤激光光束对应的中心区域不设置纳米结构周期阵列，在周围的纳米结构周期阵列用于将外围第二辅助光场区域的辅助光场的光强分布转化为符合 0 阶贝塞尔函数的光强分布；激光连续输出的一个加工周期内具有多个输出时间子周期 T，每个输出时间子周期的输出模式相同,一个输出时间子周期 T 内具有一个第一时间和一个第二时间，实现在第一时间内 1070nm+976nm 的双波长复合光斑输出，在第二时间内 1070nm光斑输出,调整第一时间和第二时间的比例,控制加工点周围材料的温度。
2. 如权利要求1所述的光纤激光器的控制方法，输入激光模块为半导体激光模块,由N 个 976nm 半导体激光模块组成，激光器系统中采用的正向 N+1泵浦合束器、光纤增益腔、光纤输出光缆的包层 NA 设计为 0.22。
3. 如权利要求 1 所述的光纤激光器的控制方法，光纤激光模块中采用的有源光纤掺杂材料是 Yb。
4. 如权利要求 1 所述的光纤激光器的控制方法，光纤增益腔中, 采用 20m 增益光纤，光纤激光模块中采用的有源光纤是 Er、Th、Ho 掺杂光纤中的一种。
5. 如权利要求 1 所述的光纤激光器的控制方法，激光器为输出中通过非线性光学晶体的光纤激光器。
6. 如权利要求 1 所述的光纤激光器的控制方法，激光器为输出中通过拉曼光纤频移的光纤激光器。
7. 如权利要求 2 所述的光纤激光器的控制方法，激光器控制系统由系统硬件与控制软件组成, 用于分别对 N 个半导体激光模块的输出控制。
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