CN113675718A - 一种增加co2脉冲式激光器输出功率的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种增加CO2脉冲式激光器输出功率的方法，包括正常脉冲序列和辅助脉冲序列，辅助脉冲序列间隔穿插叠加在正常脉冲序列之间。该设计原理在于：人为在原来脉冲周期较长的控制脉冲序列中插入了新的辅助控制脉冲，使得新脉冲周期减短，相当于增加原先控制脉冲的占空比，从而实现激光器输出功率的提升。

Description

一种增加CO2脉冲式激光器输出功率的方法和装置
技术领域：
本发明属于激光器技术领域，特别涉及一种增加CO2脉冲式激光器输出功率的方法和装置。
背景技术：
CO2脉冲式激光器在非金属切割、穿孔、修边成型等方面获得越来越多的应用，特别是美国COHERENT的J系列激光器、英国罗悉激光器，其特别适合高速高频脉冲光束的场合进行应用，特别对于一些细棒物体的穿孔，孔数多、速度高，激光器的功率反而得到有效的激发，从而很好地满足了应用。
但是，对于一些特殊要求的场合，使得激光器的工作频率较低，例如输出激光脉冲的周期较大，3-4毫秒，而脉宽却被限定，例如OEM激光器的脉宽要求小于400微秒、而J系列激光器的脉宽要求小于1000微秒，因此，在此状态下，输出激光的占空比将比较小，致使激光器的能量无法有效地激发。或者激光脉冲的工作时长宽度小于激光器脉冲工作停顿时长宽度，此时激光器工作时间短停顿时间长。
并且通常情况下，经常性地存在两路或以上的聚焦应用经过50%分光镜片后同时工作，使得每一路的激光能量被进一步降低50%，加剧了一方面激光器的能量无法有效发挥而另一方面聚焦应用却功率不够的矛盾。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种增加CO2脉冲式激光器输出功率的方法，从而克服上述现有技术中的缺陷。
为实现上述目的，本发明提供了一种增加CO2脉冲式激光器输出功率的方法，包括正常脉冲序列和辅助脉冲序列，所述辅助脉冲序列间隔穿插叠加在正常脉冲序列之间。正常脉冲序列为正常激光打孔时采用的脉冲序列。
优选地，上述技术方案中，正常脉冲序列为单一脉冲序列、或者多脉冲序列；
当正常脉冲序列为单一脉冲序列，脉冲序列占空比-1=（脉宽-1）/T，T为脉冲周期，此时脉宽-1为小于激光器允许的最大脉宽；
当正常脉冲序列为多脉冲序列，激光器光束输出的时长总宽度<激光器光束输出的停顿时长总宽度，占空比-2=（激光输出时长总宽度）/T。
优选地，上述技术方案中，所述辅助脉冲序列的脉宽与正常脉冲序列的脉宽相同或不相同；
所述辅助脉冲序列的脉冲周期与正常脉冲序列的脉冲周期T相同或者不相同；优选辅助脉冲序列的脉冲周期与正常脉冲序列的脉冲周期T相同。
优选地，上述技术方案中，当正常脉冲为单一脉冲序列时：
未叠加状态下的所述正常脉冲序列的脉冲周期T与相互叠加后的所述新的脉冲序列的脉冲周期T2为T2=T/2；
形成新脉冲序列后，正常脉冲序列对应占空比-1为：脉宽-1/T2；
形成新脉冲序列后，辅助脉冲序列对应占空比为：脉宽-2/T2；
当辅助脉冲序列对应的光束无应用时，设定脉宽-2小于脉宽-1；
当辅助脉冲序列对应的光束有应用时，可独立设定脉宽-2；
当正常脉冲为多脉冲序列时：
辅助多脉冲序列与所述正常多脉冲序列完全相同时，将辅助脉冲序列间隔穿插叠加在正常脉冲序列的激光输出停顿区域，辅助多脉冲序列与所述正常多脉冲序列一样产生相同的激光脉冲输出。
辅助多脉冲序列与所述正常多脉冲序列不完全相同时，将辅助脉冲序列间隔穿插叠加在正常脉冲序列的激光输出停顿区域，辅助多脉冲序列与所述正常多脉冲序列间隔产生不相同的激光脉冲输出。
优选脉宽-1远大于脉宽-2；
当正常脉冲为多脉冲序列时：
辅助脉冲序列与所述正常脉冲序列相同，将辅助脉冲序列间隔穿插叠加在正常脉冲序列的激光输出停顿区域，减少激光器输出脉冲序列中的无激光输出的停顿时间。
优选地，上述技术方案中，当正常脉冲为单一脉冲序列时：相互叠加后的正常脉冲序列的占空比大于未叠加状态下的正常脉冲序列占空比，从而实现所述脉冲叠加后激光器的输出功率大于脉冲未叠加时激光器的输出功率。
当正常脉冲为多脉冲序列时：减少激光器输出脉冲序列中的无激光输出的停顿时间，增加激光器的功率输出。
一种增加CO2脉冲式激光器输出功率的装置，包括脉冲激光器和激光器控制系统，激光器控制系统发出正常脉冲序列和辅助脉冲序列控制脉冲激光器发出正常激光和辅助激光。如此设置后，使得第一聚焦装置获得的脉冲光束能量在以前最大输出功率的情况下至少可以增加20%，而第二聚焦装置或者能量吸收装置所获得的激光能量能够同时上升，或者使之下降，为受控状态。
优选地，上述技术方案中，还包括光学偏转装置，所述光学偏转装置用于将脉冲激光器发出的正常激光和辅助激光偏转射向不同方向，所述正常激光对应正常脉冲序列，所述辅助激光对应辅助脉冲序列。
优选地，上述技术方案中，正常脉冲序列激光通过第一聚焦装置投射至产品表面，辅助脉冲序列激光通过第二聚焦装置投射至产品表面或者直接投射至能量吸收装置上。
优选地，上述技术方案中，光学偏转装置为具有偏转分光功能的器件，选自如下部件振镜、旋转多棱镜、电光器件、声光器件、光学衍射偏转器件。
优选地，上述技术方案中，能量吸收装置为具有吸收CO2激光光束特性的金属、非金属材料加工而成，块状或者凹槽状，能吸收光束能量，阻止光束的反射。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
由于人为在原来脉冲周期较长的控制脉冲序列中插入了新的辅助控制脉冲，使得新脉冲周期减短，相当于增加原先控制脉冲的占空比，从而实现激光器输出功率的提升。再利用光学偏转装置，将辅助辅助控制脉冲对应的激光光束，偏离出主光路，不干涉主光路，实现增加主光路对应激光功率的应用效果。同时，将辅助控制脉冲的脉宽尽量小，实现较小的占空比，实现减小辅助激光的输出功率，减少能源浪费的技术效果。
附图说明：
图1a：两种正常脉冲序列的示意图；
图1b：50%分光镜片实现两路聚焦同时工作的示意图；
图2：典型的CO2脉冲式激光器的占空比与输出功率对应图：
图3：本装置的组成示意图；
图4：单脉冲的原达到最大激光输出功率时的控制脉冲序列图；
图5：单脉冲的辅助脉冲序列图；
图6：单脉冲的将辅助脉冲插入原脉冲序列后形成新的序列示意图；
图7：偏转控制脉冲序列示意图；
图8：多脉冲的辅助脉冲插入后形成新的序列示意图；
图9：取消50%分光镜后脉冲序列直接聚焦的示意图；
图10：不同辅助多脉冲序列插入后形成新的序列示意图。
具体实施方式：
下面对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
一种增加CO2脉冲式激光器输出功率的方法，在限制最大脉冲周期情况时，实现增加单输出脉冲能量的目的。
一、装置的构成：
CO2脉冲式激光器、控制系统、光学偏转装置、第一聚焦装置、第二聚焦装置或者能量吸收装置，特征是：
CO2脉冲式激光器的输出光束，经过光学偏转装置后，一路光束传输给第一聚焦装置，另一路光束传输给第二聚焦装置或者能量吸收装置；
如此设置后，使得第一聚焦装置获得的脉冲光束能量在以前最大输出功率的情况下至少可以增加20%，而第二聚焦装置或者能量吸收装置所获得的激光能量能够同时上升，或者使之下降，为受控状态。
光学偏转装置为具有偏转分光功能的器件，有振镜、旋转多棱镜、电光器件、声光器件、光学衍射偏转器件，优选振镜或声光偏转器件。
能量吸收装置为具有吸收CO2激光光束特性的金属、非金属材料加工而成，块状或者凹槽状，能吸收光束能量，阻止光束的反射。
一种方法：
①在原输出已经达到最大单光束能量最大的情况下，在原控制系统的输出激光控制脉冲的序列中间隔插入辅助脉冲序列。
原脉冲的脉冲周期为T，脉宽为脉宽-1；
辅助脉冲的脉冲周期为T，脉宽为脉宽-2；
所形成一个脉冲周期T2=T/2的脉冲序列脉宽分别为脉宽-1，或者脉宽-2交替相隔的新控制脉冲序列。
②此新控制脉冲序列控制所述激光器，使得激光器输出单脉冲光束的能量，交替输出脉宽-1（占空比-1）与脉冲周期T2所对应的功率，或者输出脉宽-2（占空比-2）与脉冲周期T2所对应的功率。
占空比-1=脉宽-1/T2，占空比-2=脉宽-2/T2，当占空比-1=占空比-2时两个脉冲对应功率相同；
当占空比-1大于占空比-2时脉宽-1脉冲对应功率大于脉宽-2；
当占空比-1小于占空比-2时脉宽-1脉冲对应功率小于脉宽-2；
注：由于人为在原来较长的控制脉冲序列中插入了新的辅助控制脉冲，使得新脉冲周期减短为原来的50%，相当于将原理的占空比增加一倍，从而实现激光器输出功率的提升，但是，输出中包含了有用的脉宽-1的脉冲、和无用的脉宽-2的脉冲，所以利用偏转装置将脉宽-2对应的脉冲，进行移除。
控制系统产生偏转控制脉冲序列，使得偏转装置对激光器输出光束进行间隔交替地偏转，或者将脉宽-1对应的单脉冲传输给第一聚焦头同时将脉宽-2对应的单脉冲传输给第二聚焦装置或者能量吸收装置、或者将脉宽-2对应的单脉冲传输给第一聚焦头同时将脉宽-1对应的单脉冲传输给第二聚焦装置或者能量吸收装置。
偏转脉冲的脉冲周期与激光的新控制脉冲的脉冲周期一致，为T2，脉宽-3为偏转装置正常工作需要的时长，其中脉宽-3小于T2的1/3。
优选脉宽-2远小于脉宽-1、第二聚焦装置处为功率吸收装置，所以，采用上述方案后，在第一聚焦装置处仍然实现最终的激光脉冲的脉冲周期T，但是却获得了2*脉宽-1/T的占空比，从而获得更大的激光功率。
图1反映了两种常规应用的脉冲序列中，当正常脉冲序列为单一脉冲序列，脉冲序列的周期T、占空比-1=（激光器允许最大脉宽）/T；
此时，当脉冲周期较长、而激光单一脉宽已经到达激光器所允许的极限时，所形成的脉冲序列的占空比-1=（激光器允许最大脉宽）/T ，因此，占空比-1较小（小于50%）使得激光器的输出激光能量无法提升的情况。
当正常脉冲序列为多脉冲序列，激光器光束输出的时长总宽度<激光器光束输出的停顿时长总宽度，占空比-2=（激光输出时长总宽度）/T（小于50%）。
并且通常情况下，经常性地存在两路或以上的聚焦应用经过50%分光镜片后同时工作，使得每一路的激光能量被进一步降低50%，加剧了一方面激光器的能量无法有效发挥而另一方面聚焦应用却功率不够的矛盾。
图2反映了其中一款co2脉冲激光器在不同周期（工作频率operation Freguency）情况下，激光器输出功率（Output Power）与占空比（Dutycycle）大小的对应图，可见相同频率或者周期的情况下，占空比增加，输出功率增加。
图3：描述一种包含有光学偏转装置的本装置，在控制系统控制下，光学偏转装置将不同的输出光序列分别输出给聚焦装置-1、或者聚焦装置-2或者是能量吸收装置。
图6：所述的单脉冲序列的将辅助脉冲插入原脉冲序列后形成新的序列后，形成新脉冲序列后，正常脉冲序列对应占空比-1为：脉宽-1/T2。
形成新脉冲序列后，辅助脉冲序列对应占空比为：脉宽-2/T2。
T=2*T2，所以新脉冲序列的占空比大于正常脉冲序列的占空比，相应的激光器输出脉冲宽度-1对应的功率大于原正常脉冲的脉冲宽度-1的输出功率。
实验数据如下：
①利用常规的正常激光控制脉冲序列，对应脉冲周期T：
Figure RE-RE-DEST_PATH_IMAGE001
。
②利用新激光控制脉冲序列，对应脉冲周期T2=T/2：
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE002
。
图8为原正常脉冲为多脉冲序列时，在原脉冲序列的停顿区域，插入同样的辅助脉冲序列，然后，通过偏转分离装置将辅助脉冲序列对应的光束引导至聚焦装置-2，而原脉冲序列对应的光束引导至聚焦装置-1，从而使得聚焦装置-2和聚焦装置-1所具有的50%功率的激光输出功率，改变为：原脉冲序列对应的光束引导至聚焦装置-1，从而使得聚焦装置-2与聚焦装置-1的功率相同，并实现100%的激光输出功率。
图9和图10：描述了正常多脉冲序列情况下，穿插叠加了多脉冲的辅助脉冲序列，分别描述了当辅助多脉冲序列与正常多脉冲序列相同情况下，所形成的新的脉冲序列，以及分配给聚焦装置1和聚焦装置-2后，各自独立的脉冲特性。
以及当辅助多脉冲序列与正常多脉冲序列不相同情况下，所形成的新的脉冲序列，以及分配给聚焦装置1和聚焦装置-2后，各自独立的脉冲特性。
可见，利用辅助脉冲序列，减小了原控制脉冲的周期，增加了占空比从而实现每一个激光输出单个脉冲功率的上升。
再利用偏转装置，将插入的辅助脉冲所对应的光脉冲移除，使得原第一聚焦装置中仍然保留原有的脉冲周期和光束，只是，此时光束的功率已经实现了提升。
同样，利用辅助多脉冲序列，在激光器原脉冲序列的停止发射激光的间隙期间，发出辅助脉冲的激光，通过偏转装置，将该辅助脉冲激光传送至新的应用，从而实现激光器输出功率的提升。
本方案利用简单而价格低的偏转装置，结合新的控制辅助脉冲，利用co2激光器的输出特定，有效实现激光器功率的提升，避免了更换更大功率激光器所需增加的费用和时间，节约了成本，提高了激光能量的利用效率。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (10)

1.一种增加CO2脉冲式激光器输出功率的方法，其特征在于：包括正常脉冲序列和辅助脉冲序列，所述辅助脉冲序列间隔穿插叠加在正常脉冲序列之间。
2.根据权利要求1所述的增加CO2脉冲式激光器输出功率的方法，其特征在于：所述正常脉冲序列为单一脉冲序列、或者多脉冲序列；
当正常脉冲序列为单一脉冲序列，脉冲序列占空比-1=（脉宽-1）/T，T为脉冲周期，此时脉宽-1为小于激光器允许的最大脉宽；
当正常脉冲序列为多脉冲序列，激光器光束输出的时长总宽度<（小于）激光器光束输出的停顿时长总宽度，占空比-2=（激光输出时长总宽度）/T。
3.根据权利要求1所述的增加CO2脉冲式激光器输出功率的方法，其特征在于：所述辅助脉冲序列的脉宽与正常脉冲序列的脉宽相同或不相同；
所述辅助脉冲序列的脉冲周期与正常脉冲序列的脉冲周期T相同或者不相同。
4.根据权利要求3所述的增加CO2脉冲式激光器输出功率的方法，其特征在于：
当正常脉冲为单一脉冲序列时：
未叠加状态下的所述正常脉冲序列的脉冲周期T与相互叠加后的所述新的脉冲序列的脉冲周期T2为T2=T/2；
形成新脉冲序列后，正常脉冲序列对应占空比-1为：脉宽-1/T2；
形成新脉冲序列后，辅助脉冲序列对应占空比为：脉宽-2/T2；
当辅助脉冲序列对应的光束无应用时，设定脉宽-2小于脉宽-1；
当辅助脉冲序列对应的光束有应用时，可独立设定脉宽-2；
当正常脉冲为多脉冲序列时：
辅助多脉冲序列与所述正常多脉冲序列完全相同时，将辅助脉冲序列间隔穿插叠加在正常脉冲序列的激光输出停顿区域，辅助多脉冲序列与所述正常多脉冲序列一样产生相同的激光脉冲输出；
辅助多脉冲序列与所述正常多脉冲序列不完全相同时，将辅助脉冲序列间隔穿插叠加在正常脉冲序列的激光输出停顿区域，辅助多脉冲序列与所述正常多脉冲序列间隔产生不相同的激光脉冲输出。
5.根据权利要求1-4任一权利要求所述的增加CO2脉冲式激光器输出功率的方法，其特征在于：
当正常脉冲为单一脉冲序列时：
相互叠加后的正常脉冲序列的占空比-1大于未叠加状态下的正常脉冲序列占空比-1，实现所述脉冲叠加后激光器的输出功率大于脉冲未叠加时激光器的输出功率；
当正常脉冲为多脉冲序列时：
减少激光器无激光输出的停顿时间，增加占空比-2，增加激光器的功率输出。
6.一种增加CO2脉冲式激光器输出功率的装置，包括脉冲激光器和激光器控制系统，其特征在于：所述激光器控制系统发出正常脉冲序列和辅助脉冲序列控制脉冲激光器发出正常激光和辅助激光。
7.根据权利要求6所述的增加CO2脉冲式激光器输出功率的装置，其特征在于：还包括光学偏转装置，所述光学偏转装置用于将脉冲激光器发出的正常激光和辅助激光偏转射向不同方向，所述正常激光对应正常脉冲序列，所述辅助激光对应辅助脉冲序列。
8.根据权利要求7所述的增加CO2脉冲式激光器输出功率的装置，其特征在于：正常脉冲序列激光通过第一聚焦装置投射至产品表面，辅助脉冲序列激光通过第二聚焦装置投射至产品的表面或者直接投射至能量吸收装置上。
9.根据权利要求7所述的增加CO2脉冲式激光器输出功率的装置，其特征在于：所述光学偏转装置为具有偏转分光功能的器件，选自如下部件振镜、旋转多棱镜、旋转反射多面镜、电光器件、声光器件、光学衍射偏转器件。
10.根据权利要求7所述的增加CO2脉冲式激光器输出功率的装置，其特征在于：所述能量吸收装置为具有吸收CO2激光光束特性的金属、非金属材料加工而成，块状或者凹槽状，能吸收光束能量，阻止光束的反射。
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