CN113708209A - 一种变频温控光纤激光器系统 - Google Patents

Abstract

一种变频温控光纤激光器系统，包括温度控制平台和控制系统，温度控制平台上设置若干半导体激光器、N+1光纤合束器和光纤增益腔，光纤增益腔的输出端连接光纤输出光缆；控制系统包括控制电路与控制系统软件，控制系统软件包括半导体激光器供电控制系统、温度控制系统与温度监控系统，半导体激光器供电控制系统与半导体激光器相连接，温度监控系统与温度控制系统相连接，温度控制系统的输出端与相变式变频压缩热量交换系统的控制端相连接，相变式变频压缩热量交换系统的冷媒流道与温度控制平台相连接。本发明克服了现有光纤激光器非水冷技术的不足，可实现一台激光器输出多种不同的光束形状，通过单台激光器就可以分别实现光纤激光器、复合激光系统与半导体激光器的功能。

Description

一种变频温控光纤激光器系统

技术领域

本发明涉及光纤激光器技术领域，具体涉及一种变频温控多模式选择光纤激光器系统。

背景技术

在高功率激光器中一种976nm泵浦的光纤激光器，其具有较高的光电转换效率和较高的能量密度，但是存在着吸收峰较窄的问题，以往的水冷或风冷温度控制系统难以保证泵浦光源温度的精确，造成泵浦效率下降。

在光纤激光器中，传统激光器输出的输出的光束光斑模式一般比较单一；并且传统的工业激光器十分依赖激光器外部庞大的水冷冷却设备，而水冷冷却的可调节区间较小、反应较慢、移动不便，这些因素都极大地制约了激光器的多种应用与可应用的场景；同时目前风冷激光器散热效率低，温控范围小，输出功率低；目前也有多种光斑输出模式的光纤激光器，基本依靠增加可输出固定波长(非吸收范围)的半导体激光，或使用改变电流的方式来改变半导体激光的输出波长的方式，利用以上方式产生光纤激光器增益腔系统不吸收的泵浦光的方式。

现有的多种输出模式的光纤激光器基本依靠增加可产生固定波长(非吸收范围)的半导体激光器来实现，部分通过调节电流的方式来实现；但是其缺点在于：1、通过电流调节的原理是利用半导体激光器在不同电流时输出波长不同的特点，造成激光器增益腔吸收率的变化，产生复合的光斑形式；而这种方法在低电流时，激光器的电光效率较低，在高电流时，激光器的稳定性变差；2、通过增加固定波长(非吸收范围)的半导体激光器，由于新增的半导体激光器的原因会导致成本高，并且需要配合特制的合束器，因此受光学器件的限制较大；3、传统的光纤激光器基本都需要外部水冷系统、风冷输出功率低。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种变频温控光纤激光器系统，克服了现有技术的不足，设计合理，可实现一台无水冷激光器，输出多种不同的的光束形状，通过单台激光器就可以分别实现光纤激光器、复合激光系统与半导体激光器的功能。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种变频温控光纤激光器系统，包括温度控制平台和控制系统，所述温度控制平台上设置若干半导体激光器、N+1光纤合束器和光纤增益腔，所述半导体激光器的激光输出端均与N+1光纤合束器的输入端相匹配，所述N+1光纤合束器的输出端与光纤增益腔的输入端相连接，所述光纤增益腔的输出端连接光纤输出光缆；若干个半导体激光器采用输出波长相同的半导体激光器。

所述控制系统包括控制电路与控制系统软件，所述控制系统软件包括半导体激光器供电控制系统、温度控制系统与温度监控系统，所述半导体激光器供电控制系统与半导体激光器相连接，所述温度监控系统的监测端位于温度控制平台上，用于对温度控制平台进行实时的温度监测，所述温度监控系统的信号输出端与温度控制系统的信号输入端相连接，所述温度控制系统的输出端与相变式变频压缩热量交换系统的控制端相连接，所述相变式变频压缩热量交换系统的冷媒流道与温度控制平台相连接。

相变式变频压缩热量交换系统7由变频压缩机、冷凝器、蒸发器、膨胀阀、变频风扇组成，为相变式变频压缩热量交换系统，用于为半导体激光器提供大温差的温度控制，另外还可以包括电磁四通换向阀、冷媒储液罐等。采用电磁四通换向阀可以使得激光器具备在极寒环境中启动并稳定使用的能力。

优选的，温度控制平台还可以包括PTC加热管，用于在低于预设温度时加热使得泵浦激光器快速达到预定的温度。

优选地，所述光纤增益腔包括掺镱增益光纤和位于所述掺镱增益光纤两端的第一光栅和第二光栅，所述N+1光纤合束器的输出端与第一光栅相连接，所述第二光栅的输出端连接光纤输出光缆。

优选地，所述光纤输出光缆为非水冷QBH输出光缆。

本发明提供了一种变频冷却多模式选择光纤激光器系统。具备以下有益效果：通过温度控制系统22对相变式变频压缩热量交换系统7的功率进行控制，从而可以实时对温度控制平台的温度进行变频调整，使温度控制的更加精准；并且通过改变温度的方式控制半导体激光器的输出波长；可以保证半导体始终在一个的稳定的波长条件下工作，实现最大效率的输出；并且可实现一台激光器输出多种不同的光束模式，通过单台激光器就可以分别实现高密度光纤激光器、复合激光系统与半导体激光器的功能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1本发明的结构示意图；

图2本发明中控制系统的结构原理框图；

图中标号说明：

1、温度控制平台；2、控制系统；3、半导体激光器；4、N+1光纤合束器；5、光纤增益腔；6、光纤输出光缆；7、相变式变频压缩热量交换系统；21、半导体激光器供电控制系统；22、温度控制系统；23、温度监控系统；51、掺镱增益光纤；52、第一光栅；53、第二光栅。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1-2所示，一种变频温控光纤激光器系统，包括温度控制平台1和控制系统2，温度控制平台1上设置若干半导体激光器3、N+1光纤合束器4和光纤增益腔5，半导体激光器3的激光输出端均与N+1光纤合束器4的输入端相匹配，N+1光纤合束器4的输出端与光纤增益腔5的输入端相连接，光纤增益腔5的输出端连接光纤输出光缆6；若干个半导体激光器采用输出波长相同的半导体激光器。

控制系统2包括控制电路与控制系统软件，控制系统软件包括半导体激光器供电控制系统21、温度控制系统22与温度监控系统23，半导体激光器供电控制系统21与半导体激光器3相连接，用于对半导体激光器3进行供电调节控制，控制半导体的输出功率；温度监控系统23的监测端位于温度控制平台1上，用于对温度控制平台1进行实时的温度监测，温度监控系统23的信号输出端与温度控制系统22的信号输入端相连接，温度控制系统22的输出端与相变式变频压缩热量交换系统7的控制端相连接，相变式变频压缩热量交换系统7的冷媒流道与温度控制平台1相连接；温度控制系统22用于向相变式变频压缩热量交换系统7发出不同的工作指令，使其对温度控制平台1进行不同温度的温控；并结合温度监控系统23对温度控制平台1的实时温度对相变式变频压缩热量交换系统7进行调整，保证温度控制平台1在一种工作模式下温控温度不会发生明显改变。

在本实施例中，半导体激光器3用于在某个温度点时提供增益腔吸收的976nm泵浦激光；并采用了6个半导体激光器3，如有特殊的应用需求，可采用任意个半导体激光器3配合正向N+1光纤合束器4进行组合；也可以根据需要增加反向光纤合束器来增加泵浦数量；也还可以根据不同的增益光纤种类和不同的应用场景选择不同波长的半导体激光器3，如915nm等；还可以根据增益介质的特性，选用多种任意波长的半导体激光模块，通过不同冷却温度设置下的不同光斑搭配；

在本实施例中，N+1光纤合束器4用于将N个半导体激光器3合束至一根光纤中；

在本实施例中，光纤增益腔5包括掺镱增益光纤51和位于掺镱增益光纤51两端的第一光栅52和第二光栅53，N+1光纤合束器4的输出端与第一光栅52相连接，第二光栅53的输出端连接光纤输出光缆6。当半导体激光器3发出976nm泵浦激光时，增益腔会对其进行吸收并进行增益放大产生由纤芯传输的增益激光(1070nm)，当半导体激光器3发出其他波段的激光时(如985nm以上)，增益腔仅会吸收极少量的泵浦激光，其余泵浦激光会沿着增益腔光纤继续向前传输；在本申请中，掺镱增益光纤51可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，从而使激光器输出多种模式的光斑光束；

在本实施例中，光纤输出光缆6为非水冷QBH输出光缆，用于将光纤增益腔5中产生或传输出的激光光束传输至工件表面；

在本实施例中，相变式变频压缩热量交换系统7由变频压缩机、冷凝器、蒸发器、膨胀阀组成，为相变式变频压缩热量交换系统，用于为半导体激光器提供大温差的温度控制，另外还可以包括电磁四通换向阀,变频风扇,冷媒储液罐等。采用电磁四通换向阀可以使得激光器具备在极寒环境中启动并稳定使用的能力，在本实施例中采用了单个相变式变频压缩机系统对全部半导体激光器进行温度控制，也可以采用多组相变式变频压缩机系统，对多种半导体激光器分别进行不同温度的温度控制，实现更多种类的增益搭配。

工作原理：

在使用时，先由控制系统2根据使用者需要的工作模式，通过温度控制系统22向相变式变频压缩热量交换系统7发出相应的指令，相变式变频压缩热量交换系统7会根据不同的指令，进行不同功率的运行，并通过冷媒流道与温度控制平台1相连，对温度控制平台1进行不同温度的温控，并通过温度监控系统23实时将温度控制平台1的温度信号传送给温度控制系统22，温度控制系统22会根据实时温度的反馈对相变式变频压缩热量交换系统7进行变频调节，以保证温度控制平台1的温度不会有明显变化；而安装在温度控制平台1上的半导体激光器3则会受到不同冷却温度的影响，使半导体激光器3在同样电流供电时也会发出不同波长的泵浦激光；

在一些实施例下，温度控制平台还可以包括PTC加热管，用于在低于预设温度时加热使得泵浦激光器快速达到预定的温度。

工作情况1：当温度控制平台1的温度为20摄氏度时，半导体激光器3可发出976nm的泵浦激光，该泵浦激光会由N+1光纤合束器4合束并传导至光纤增益腔5中，光纤增益腔5会对976nm泵浦激光进行吸收放大至1070nm激光，并由光纤输出光缆6进行传输与输出，形成高能量密度小光斑激光光束，用于板材切割、手持焊接等应用；

工作情况2：当温度控制平台1的温度为35摄氏度时，控制制冷功率让半导体激光器3发出的泵浦激光波长升至985nm以上，该泵浦激光会由N+1光纤合束器4合束并传导至光纤增益腔5中，光纤增益腔5仅会吸收极少量的泵浦激光，大多数未被吸收的泵浦激光会沿着增益腔的光纤包层继续向前传输，并由光纤输出光缆6进行传输与输出，形成低能量密度的大光斑激光光束，可用于熔覆等应用；

工作模式3：当温度控制平台1的温度为25摄氏度时，让半导体激光器3发出的泵浦激光波长升至980nm，该泵浦激光会由N+1光纤合束器4合束并传导至光纤增益腔5中，光纤增益腔5会出现半吸收状态，即仅会对一部分的泵浦激光进行吸收放大至1070nm激光，而另一部分未被吸收的泵浦激光不会被光纤增益腔5吸收，被增益放大为1070nm的激光与未被吸收的泵浦光会分别沿着增益腔光纤的纤芯与包层继续向前传输，最终由光纤输出光缆6进行传输与输出，形成中心高能量密度、外围低能量密度的复合光斑光束，可用于焊接等应用；

本申请系统是在完全不需要任何水冷系统辅助，便可使该激光器系统正常工作，并产生多种激光配合输出的模式，以适应不同的激光加工工艺需求。

本申请系统通过相变式变频压缩机制冷的方式，可以设为变频模式，可以实时对温度控制平台的温度进行变频调整，使温度控制的更加精准；并且通过改变温度的方式控制半导体激光器的输出波长；可以保证半导体始终在一个稳定的波长条件下工作；并且可实现一台激光器输出多种不同的的光束模式，通过单台激光器就可以分别实现高密度光纤激光器、复合激光系统与半导体激光器的功能。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种变频温控光纤激光器系统，其特征在于：包括温度控制平台(1)和控制系统(2)，所述温度控制平台(1)上设置若干半导体激光器(3)、N+1光纤合束器(4)和光纤增益腔(5)，所述半导体激光器(3)的激光输出端均与N+1光纤合束器(4)的输入端相匹配，所述N+1光纤合束器(4)的输出端与光纤增益腔(5)的输入端相连接，所述光纤增益腔(5)的输出端连接光纤输出光缆(6)；

所述控制系统包括半导体激光器供电控制系统(21)、温度控制系统(22)与温度监控系统(23)，所述半导体激光器供电控制系统(21)与半导体激光器(3)电极连接，所述温度监控系统(23)用于进行实时的温度监测，所述温度监控系统(23)的信号输出端与温度控制系统(22)的信号输入端相连接，所述温度控制系统(22)的输出端与热量交换系统(7)的控制端相连接。

2.根据权利要求1所述的变频温控光纤激光器系统，控制系统能够使得激光器实现三种模式输出,模式1为高能量密度小光斑激光光束,模式2为低能量密度的大光斑激光光束,模式3为中心高能量密度、外围低能量密度的复合光斑光束。

3.根据权利要求1所述的变频温控光纤激光器系统，其特征在于：所述光纤增益腔(5)包括掺镱增益光纤(51)和位于所述掺镱增益光纤(51)两端的第一光栅(52)和第二光栅(53)，所述N+1光纤合束器(4)的输出端与第一光栅(52)相连接，所述第二光栅(53)的输出端连接光纤输出光缆(6)。

4.根据权利要求1所述的变频温控光纤激光器系统，其特征在于：所述光纤输出光缆(6)为无水冷QBH输出光缆。

5.根据权利要求1所述的变频温控光纤激光器系统，其特征在于：所述温度监控系统(23)的监测端位于温度控制平台(1)上，所述控制系统(2)包括控制电路与控制系统软件，热量交换系统为相变式变频压缩系统，所述相变式变频压缩系统(7)的冷媒流道与温度控制平台(1)相连接。

6.根据权利要求1所述的变频温控光纤激光器系统，相变式变频压缩系统(7)包括变频压缩机、冷凝器、蒸发器、膨胀阀、风扇。

7.根据权利要求1所述的变频温控光纤激光器系统，若干个半导体激光器采用输出波长相同的半导体激光器。

8.根据权利要求6所述的变频温控光纤激光器系统，相变式变频压缩系统(7)还包括电磁四通换向阀。

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