CN113991406B - 一种高功率光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高功率光纤激光器，包括聚光组件、若干发生器和调位组件，以聚光组件中轴线为光轴，发生器和调位组件分别以光轴为轴线圆周均布，发生器和调位组件数量相同并圆周角度位置一一对应，发生器朝向聚光组件发射单束激光，调位组件调整穿过其的单束激光并调整相对于光轴的径向距离，通过调位组件后的所有激光束处于同一以光轴为轴的中心圆上，聚光组件将所有激光束圆周径向向内压缩后输出。

Description

一种高功率光纤激光器

技术领域

本发明涉及激光器技术领域，具体为一种高功率光纤激光器。

背景技术

光纤激光器是新型的切割或者焊接加热工具，其还能够用作表面刻字、表面处理等等工况。

在一些场合使用时，激光器需要很大的功率，例如焊接或表面精加工。目前大功率光纤激光器的核心部件激光泵浦单元能量转换效率有限，提高单束激光则发生器需要较大的谐振腔以及较大颗粒的激发介质，而且，提高单个发生器的功率容易引起发热量的快速升高，单束较大功率的激光不好设计其发生器的散热结构，而小功率的单束激光则性能较低不能满足使用。

现有技术出现了多束激光合并输出的激光器，但是，这些激光器一般都只是将多束激光进行聚拢，然后压缩光斑进行输出，当每个激光发生器的激光输出位置发生轻微位移或者发生器安装不准确，则合并后的激光光斑内，激光的功率分布并不均匀，其光功率在光斑分布范围内比不上单一的激光，从而影响激光器的实际使用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高功率光纤激光器，以解决上述背景技术中提出的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种高功率光纤激光器，包括聚光组件、若干发生器和调位组件，以聚光组件中轴线为光轴，发生器和调位组件分别以光轴为轴线圆周均布，发生器和调位组件数量相同并圆周角度位置一一对应，

发生器朝向聚光组件发射单束激光，调位组件调整穿过其的单束激光并调整相对于光轴的径向距离，通过调位组件后的所有激光束处于同一以光轴为轴的中心圆上，聚光组件将所有激光束圆周径向向内压缩后输出。

发生器向外发射单束的激光，单束激光功率较低，不能满足使用，而多个发生器分别发射激光进行收拢的话，容易出现激光光斑内功率不均匀的现象，因为若干个发生器在制造与安装时，很难保证发射出去的激光处于同一圆周上，而且，随着使用的进行，有时候激光器安装位置的一些振动也会导致单束激光轻微偏离预期位置，而聚光组件只会将其接收的激光径向收拢，不会去调整径向均匀性，所以，容易发生功率分布不均匀的情况，对于一些高精的激光切割、焊接场合，容易导致非预期的故障。本申请在每个发生器的光路后方设置调位组件，调位组件分别去调整每束激光相对于光轴的径向位置，让所有的激光束圆周分布均匀，从而在激光光斑上或者圆周均匀度，在本申请后续的分析过程中，未特殊注明的，径向在内、径向在外均指以光轴为轴线。

进一步的，调位组件包括平光透镜、转轴、安装座，平光透镜两端面分别设置转轴，转轴旋转安装在安装座上，转轴轴线与光轴垂直，转轴轴线还与所有调位组件所在的中心圆相切，

平光透镜的入光一面倾斜朝向发生器。

平光透镜转动安装，当平光透镜倾斜靠近发生器的一端进一步靠向发生器时，则发生器发出的单束激光在穿过该平光透镜后，该单束激光将向倾斜靠近发生器的一端平移一小段距离，如果所有的调位组件都是径向在外的一端靠近发生器，则上述调节使用在该单束激光需要径向向外平移一段距离的场合，平移距离与平光透镜转动的角度有关。

进一步的，调位组件还包括感光丝和感温簧片，感光丝有两根，感光丝、转轴处于同一平面上且该平面平行于平光透镜的入光平面，两根感光丝与转轴距离相等，

安装座朝向平光透镜的端面上设置两条弧形槽，弧形槽以转轴为轴线布置，感光丝延伸至弧形槽内，感温簧片分别设置在弧形槽内，感温簧片一端抵住弧形槽靠近发生器的一端，感温簧片另一端抵住感光丝端部。

感光丝可以在平光透镜内感受激光信号，靠近单束激光中心线的一根感光丝受热大，从而传导到相应的感温簧片上，以该束激光需要径向向外平移为例，径向在内感光丝受热大，从而与其接触的感温簧片受热胀开，平光透镜径向在外的一端朝向发生器转动，从而将穿过平光透镜的光径向向外平移一段距离，在平光透镜内重新形成的光路，该束激光的中心线与两根感光丝的距离相等，从而平光透镜在该处位置稳定。

进一步的，调位组件还包括复位弹簧和隔热垫，复位弹簧一端抵住弧形槽远离发生器的一端，复位弹簧另一端通过隔热垫抵住感光丝的端部。在激光器因为振动等原因而需要调整发生器发射激光的径向位置后，振动消除，则平光透镜也需要复位，两个复位弹簧和温度降低后的两个感温簧片在初始位置形成平衡。

进一步的，聚光组件包括一凸一凹的两个透镜，两个透镜各自远离发生器的焦点向重合，其中的凸透镜靠近发生器。若干束平行的激光先行通过聚光组件的凸透镜部分朝向其焦点聚焦，在穿过聚光组件凹透镜位置时重新转为平行光。

进一步的，激光器还包括平移收束透镜，平移收束透镜在光路上位于调位组件和聚光组件之间，平移收束透镜为带厚度的圆锥饼形，平移收束透镜的锥尖朝向发生器，平移收束透镜的回转轴为光轴。

平移收束透镜用作将圆周分布的激光束径向向内“平移收拢”，区别于透镜组实现的“压缩收拢”，圆锥饼形的平移收束透镜，单根光线在穿过平移收束透镜的穿过截面上，除去“死区”位置外，单根光平行于光轴进入，平行于光轴射出，死区是最靠近光轴的入光区域，平移收束透镜单个截面上将光平移导流的平移量决定了死区大小。

平移收拢可以在不压缩单束激光光斑的情况下，实现每束激光径向向内的平移。

进一步的，激光器还包括集束调节组件，集束调节组件设置在调位组件和平移收束透镜之间，集束调节组件用于调整圆周分布的若干束激光的中心圆半径。即，集束调节组件实现聚光组件相类似的聚光效果，但是，相比于聚光组件径向向内压缩量的不可调性，集束调节组件需要实现圆周分布的激光向内聚拢的聚拢量调整，以便将每束激光的聚拢到后续平移收束透镜的死区外，从而在穿过平移收束透镜后，每束激光平移聚拢后重合度最大。

进一步的，集束调节组件包括第一凸透镜、第二凸透镜、第一凹透镜，第一凸透镜、第二凸透镜、第一凹透镜从调位组件往平移收束透镜依次布置，第一凸透镜、第二凸透镜、第一凹透镜各自轴线与光轴重合，

第一凸透镜、第二凸透镜共同构成的透镜组在远离发生器一侧的焦点与第一凹透镜远离发生器一侧的焦点重合，第一凸透镜、第二凸透镜间距可调，第二凸透镜和第一凹透镜间距可调。

分别调整第一凸透镜、第二凸透镜、第一凹透镜之间的距离，可以让同一圆周激光束组聚拢成不同中心圆直径的激光束组，具体的压缩收窄光路分析可以结合现有技术凸透镜凹透镜进行分析，从而在后续平移收束透镜获得最大重合度的平移聚拢。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明通过调位组件分别感知发生器发出的激光，以单束激光的中心线为感知对象进行调整，分别将每束激光的中心线调整到同一个以光轴为轴线的中心圆上，之后，通过集束调节组件压缩聚拢激光束，调整中心圆直径，然后通过圆锥饼形的平移收束透镜进行激光的平移聚拢，在光轴线上附近获得最大的光斑重合度，合成的光斑具有均匀的光功率，然后通过聚光组件再次进行压缩聚拢并输出。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的光路流程示意图；

图2是图1中的A向视图；

图3是图1中的视图B-B；

图4是图3中的视图E-E；

图5是本发明平光透镜在安装座的运动示意图；

图6是图1中的视图C-C；

图7是本发明集束调节组件的结构示意图；

图8是图1中的视图D-D；

图9是本发明平移收束透镜的结构示意图；

图中：1-发生器、2-调位组件、21-平光透镜、22-感光丝、23-转轴、24-安装座、241-弧形槽、25-感温簧片、26-隔热垫、27-复位弹簧、3-集束调节组件、31-第一凸透镜、32-第二凸透镜、33-第一凹透镜、4-平移收束透镜、5-聚光组件、100-光轴、201-激光束一、202-激光束二、203-激光束三、204-激光束四。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-9，本发明提供技术方案：

一种高功率光纤激光器，包括聚光组件5、若干发生器1和调位组件2，以聚光组件5中轴线为光轴100，发生器1和调位组件2分别以光轴100为轴线圆周均布，发生器1和调位组件2数量相同并圆周角度位置一一对应，

发生器1朝向聚光组件5发射单束激光，调位组件2调整穿过其的单束激光并调整相对于光轴100的径向距离，通过调位组件2后的所有激光束处于同一以光轴100为轴的中心圆上，聚光组件5将所有激光束圆周径向向内压缩后输出。

如图1、2、3所示，发生器1向外发射单束的激光，单束激光功率较低，不能满足使用，而多个发生器1分别发射激光进行收拢的话，容易出现激光光斑内功率不均匀的现象，因为若干个发生器在制造与安装时，很难保证发射出去的激光处于同一圆周上，而且，随着使用的进行，有时候激光器安装位置的一些振动也会导致单束激光轻微偏离预期位置，而聚光组件5只会将其接收的激光径向收拢，不会去调整径向均匀性，所以，容易发生功率分布不均匀的情况，对于一些高精的激光切割、焊接场合，容易导致非预期的故障。本申请在每个发生器1的光路后方设置调位组件2，调位组件2分别去调整每束激光相对于光轴100的径向位置，让所有的激光束圆周分布均匀，从而在激光光斑上或者圆周均匀度。

如图3所示，实线圆为发生器1发出的光斑、虚线圆为单束激光穿过调位组件2后预期的位置。

调位组件2包括平光透镜21、转轴23、安装座24，平光透镜21两端面分别设置转轴23，转轴23旋转安装在安装座24上，转轴23轴线与光轴100垂直，转轴23轴线还与所有调位组件2所在的中心圆相切，

平光透镜21的入光一面倾斜朝向发生器1。

如图3、4所示，平光透镜21转动安装，当平光透镜21倾斜靠近发生器1的一端进一步靠向发生器1时，则发生器1发出的单束激光在穿过该平光透镜21后，该单束激光将向倾斜靠近发生器1的一端平移一小段距离-即图4中的L2，如果所有的调位组件2都是径向在外的一端靠近发生器1，则上述调节使用在该单束激光需要径向向外平移一段距离的场合，平移距离L2与平光透镜21转动的角度有关。

调位组件2还包括感光丝22和感温簧片25，感光丝22有两根，感光丝22、转轴23处于同一平面上且该平面平行于平光透镜21的入光平面，两根感光丝22与转轴23距离相等，

安装座24朝向平光透镜21的端面上设置两条弧形槽241，弧形槽241以转轴23为轴线布置，感光丝22延伸至弧形槽241内，感温簧片25分别设置在弧形槽241内，感温簧片25一端抵住弧形槽241靠近发生器1的一端，感温簧片25另一端抵住感光丝22端部。

如图4、5所示，感光丝22可以在平光透镜21内感受激光信号，靠近单束激光中心线的一根感光丝22受热大，从而传导到相应的感温簧片25上，以该束激光需要径向向外平移为例，径向在内感光丝22-即图4、5中在下的一根感光丝22受热大，从而与其接触的感温簧片25受热胀开，平光透镜21径向在外的一端朝向发生器1转动，从而将穿过平光透镜21的光径向向外平移一段距离L2，在平光透镜21内重新形成的光路，该束激光的中心线与两根感光丝22的距离相等，从而平光透镜在该处位置稳定。

调位组件2还包括复位弹簧27和隔热垫26，复位弹簧27一端抵住弧形槽241远离发生器1的一端，复位弹簧27另一端通过隔热垫26抵住感光丝22的端部。如图5所示，在激光器因为振动等原因而需要调整发生器1发射激光的径向位置后，振动消除，则平光透镜21也需要复位，两个复位弹簧27和温度降低后的两个感温簧片25在初始位置形成平衡。

聚光组件5包括一凸一凹的两个透镜，两个透镜各自远离发生器1的焦点向重合，其中的凸透镜靠近发生器1。如图1所示，若干束平行的激光先行通过聚光组件5的凸透镜部分朝向其焦点聚焦，在穿过聚光组件5凹透镜位置时重新转为平行光。

激光器还包括平移收束透镜4，平移收束透镜4在光路上位于调位组件2和聚光组件5之间，

平移收束透镜4为带厚度的圆锥饼形，平移收束透镜4的锥尖朝向发生器1，平移收束透镜4的回转轴为光轴100。

如图8、9所示，平移收束透镜4用作将圆周分布的激光束径向向内“平移收拢”，区别于透镜组实现的“压缩收拢”，圆锥饼形的平移收束透镜4，单根光线在穿过平移收束透镜4的穿过截面上，除去“死区”位置外，单根光平行于光轴100进入，平行于光轴100射出，死区是最靠近光轴100的入光区域，平移收束透镜4单个截面上将光平移导流的平移量决定了死区大小。

平移收拢可以在不压缩单束激光光斑的情况下，实现每束激光径向向内的平移。

激光器还包括集束调节组件3，集束调节组件3设置在调位组件2和平移收束透镜4之间，集束调节组件3用于调整圆周分布的若干束激光的中心圆半径。

即，集束调节组件3实现聚光组件5相类似的聚光效果，但是，相比于聚光组件5径向向内压缩量的不可调性，集束调节组件3需要实现圆周分布的激光向内聚拢的聚拢量调整，以便将每束激光的聚拢到后续平移收束透镜4的死区外，从而在穿过平移收束透镜4后，每束激光平移聚拢后重合度最大。

集束调节组件3包括第一凸透镜31、第二凸透镜32、第一凹透镜33，第一凸透镜31、第二凸透镜32、第一凹透镜33从调位组件2往平移收束透镜4依次布置，第一凸透镜31、第二凸透镜32、第一凹透镜33各自轴线与光轴100重合，

第一凸透镜31、第二凸透镜32共同构成的透镜组在远离发生器1一侧的焦点与第一凹透镜33远离发生器1一侧的焦点重合，第一凸透镜31、第二凸透镜32间距可调，第二凸透镜32和第一凹透镜33间距可调。

如图7所示，分别调整第一凸透镜31、第二凸透镜32、第一凹透镜33之间的距离，D1/D2/D4/D5，焦点位置从P1变为P2，可以让同一圆周激光束组聚拢成不同中心圆直径的激光束组F1/F2，从而在后续平移收束透镜4获得最大重合度的平移聚拢。

如图3、6、8所示，激光束依次经历三次位置改变，从发生器1出来的激光束一201变为精确圆周分布的激光束二202，激光束二202经过集束调节组件3压缩聚拢为激光束三203，激光束三203经过平移收束透镜4后平移聚拢为激光束四204，激光束四204导向聚光组件5，进一步聚集后成为输出光。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，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。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高功率光纤激光器，其特征在于：所述激光器包括聚光组件（5）、若干发生器（1）和调位组件（2），以所述聚光组件（5）中轴线为光轴（100），所述发生器（1）和调位组件（2）分别以光轴（100）为轴线圆周均布，发生器（1）和调位组件（2）数量相同并圆周角度位置一一对应，

所述发生器（1）朝向聚光组件（5）发射单束激光，所述调位组件（2）调整穿过其的单束激光并调整相对于光轴（100）的径向距离，通过调位组件（2）后的所有激光束处于同一以光轴（100）为轴的中心圆上，所述聚光组件（5）将所有激光束圆周径向向内压缩后输出；

所述调位组件（2）包括平光透镜（21）、转轴（23）、安装座（24），所述平光透镜（21）两端面分别设置转轴（23），所述转轴（23）旋转安装在安装座（24）上，所述转轴（23）轴线与光轴（100）垂直，转轴（23）轴线还与所有调位组件（2）所在的中心圆相切，

所述平光透镜（21）的入光一面倾斜朝向发生器（1）；

所述调位组件（2）还包括感光丝（22）和感温簧片（25），所述感光丝（22）有两根，感光丝（22）、转轴（23）处于同一平面上且该平面平行于平光透镜（21）的入光平面，两根感光丝（22）与转轴（23）距离相等，

所述安装座（24）朝向平光透镜（21）的端面上设置两条弧形槽（241），所述弧形槽（241）以转轴（23）为轴线布置，所述感光丝（22）延伸至弧形槽（241）内，所述感温簧片（25）分别设置在弧形槽（241）内，感温簧片（25）一端抵住弧形槽（241）靠近发生器（1）的一端，感温簧片（25）另一端抵住感光丝（22）端部；

所述调位组件（2）还包括复位弹簧（27）和隔热垫（26），所述复位弹簧（27）一端抵住弧形槽（241）远离发生器（1）的一端，复位弹簧（27）另一端通过隔热垫（26）抵住感光丝（22）的端部。

2.根据权利要求1所述的一种高功率光纤激光器，其特征在于：所述聚光组件（5）包括一凸一凹的两个透镜，两个透镜各自远离发生器（1）的焦点向重合，其中的凸透镜靠近发生器（1）。

3.根据权利要求1所述的一种高功率光纤激光器，其特征在于：所述激光器还包括平移收束透镜（4），所述平移收束透镜（4）在光路上位于调位组件（2）和聚光组件（5）之间，

所述平移收束透镜（4）为带厚度的圆锥饼形，平移收束透镜（4）的锥尖朝向发生器（1），平移收束透镜（4）的回转轴为光轴（100）。

平移收拢可以在不压缩单束激光光斑的情况下，实现每束激光径向向内的平移。

4.根据权利要求3所述的一种高功率光纤激光器，其特征在于：所述激光器还包括集束调节组件（3），所述集束调节组件（3）设置在调位组件（2）和平移收束透镜（4）之间，所述集束调节组件（3）用于调整圆周分布的若干束激光的中心圆半径。

5.根据权利要求4所述的一种高功率光纤激光器，其特征在于：所述集束调节组件（3）包括第一凸透镜（31）、第二凸透镜（32）、第一凹透镜（33），所述第一凸透镜（31）、第二凸透镜（32）、第一凹透镜（33）从调位组件（2）往平移收束透镜（4）依次布置，第一凸透镜（31）、第二凸透镜（32）、第一凹透镜（33）各自轴线与光轴（100）重合，

所述第一凸透镜（31）、第二凸透镜（32）共同构成的透镜组在远离发生器（1）一侧的焦点与第一凹透镜（33）远离发生器（1）一侧的焦点重合，所述第一凸透镜（31）、第二凸透镜（32）间距可调，所述第二凸透镜（32）和第一凹透镜（33）间距可调。

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