CN116667115A - 多波长激光器 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种多波长激光器，包括：主波长激光源模块、多个次波长激光源模块、光束耦合系统和光束传输组件，其中主波长激光源模块和次波长激光源模块输出波长频率均不同的激光；光束耦合系统包括中心传输光纤和多个次级传输光纤，主波长激光源模块的输出端与中心传输光纤熔接；次波长激光源模块的输出端与多个次级传输光纤熔接；光束传输组件包括多折射率光纤和输出头，多折射率光纤包括中芯光纤和环形的环芯光纤，中心传输光纤耦合至中芯光纤，多根次级传输光纤一并耦合至环芯光纤。本申请提供的多波长激光器可以满足水下环境不同材料的焊接修复需求，由于多折射率光纤是单光纤，所以可以缩小体积，适合环境更广，便携性也更好。
Description
技术领域
本申请涉及激光器技术领域，特别是涉及一种多波长激光器。
背景技术
由于一些材料长期在海洋和核电等恶劣环境条件下服役，极易出现材料的腐蚀损伤与失效等重大问题，对材料的可靠性和使用寿命造成严重影响，进而会带来很大的安全隐患以及经济损失。采用激光焊接技术对水下材料进行修复具有很大的实用价值和应用前景。
光纤激光器具有灵活度高、兼容性好、免调节、免维护、与光纤耦合效率高等特点，广泛用于需要高功率和高光束质量的工业激光加工应用，比如激光切割、激光焊接等领域。
由于水下装备设计的材料种类多，由于不同材料对激光的吸收谱不同，同样的，不同波长的激光对材料的热反应和能量传递方式不同，多种波长可以更好地适应不同材料的焊接要求，因此采用多种波长激光进行焊接可以更好地实现对焊缝的宽度、深度和形状地控制。多波长激光器可以同时输出多个波长的激光束，在单次激光加工中实现多种不同工艺的处理。目前使用的第一种方法是常规的单波长光纤激光器，到水上来之后换光纤，以实现不同类型光束的输出，这种方法效率低且极易在光纤插拔过程中造成污染和接口损坏，可靠性不足。另一种是多光纤+复合头，每根光纤输出一种类型的光，通过复合头将多个光纤同时装载从而实现不同类型光束的输出，且避免了采用常规焊接头的上述限制。但这种方法存在的主要问题就是由于同一个焊接头上同时插入不同光纤，接口数、镜片组数成倍增加，焊接头冷却系统复杂程度也大幅增加，最终导致复合焊接头的尺寸无法缩小，不能满足核电厂水下修复狭窄空间的要求。
发明内容
基于此，有必要针对目前水下激光焊接修复的问题，提供一种多波长激光器。包括：
主波长激光源模块，能够输出第一激光；
多个次波长激光源模块，能够输出多种第二激光，多种第二激光与第一激光的波长和频率均不同；
光束耦合系统，包括中心传输光纤和多个次级传输光纤，主波长激光源模块的输出端至少与中心传输光纤熔接；多个次波长激光源模块的输出端一一对应地与多个次级传输光纤熔接；
光束传输组件，包括多折射率光纤和输出头，多折射率光纤和输出头连接，多折射率光纤包括中芯光纤和环形的环芯光纤，中芯光纤与环芯光纤同轴套设连接，且环芯光纤套设于中芯光纤外，中心传输光纤耦合至中芯光纤，多个次级传输光纤一并耦合至环芯光纤；第一激光和第二激光经光束耦合系统和多折射率光纤传输至输出头，输出头用于输出第一激光和第二激光。
在其中一个实施例中，主波长激光源模块的输出端还与多个次级传输光纤中的其中一个次级传输光纤中熔接，次波长激光源模块的输出端与剩下的多个次级传输光纤熔接。
在其中一个实施例中，中芯光纤与环芯光纤之间设有第一环形包层，第一环形包层采用第一含氟量的掺氟石英材料制成。
在其中一个实施例中，环芯光纤外设有第二环形包层，第二环形包层采用第二含氟量的掺氟石英材料制成。
在其中一个实施例中，第二环形包层外部设有铠装管。
在其中一个实施例中，多折射率光纤与输出头的光纤端帽部分熔接。
在其中一个实施例中，次级传输光纤设有六根，次波长激光源模块数量为五个，五个次波长激光源模块通过分束耦合输出激光至其中五根次级传输光纤中。
在其中一个实施例中，多波长激光器还包括水冷机，主波长激光源模块、次波长激光源模块和输出头三者的冷水接口分别与水冷机相连。
在其中一个实施例中，多波长激光器还包括隔离组件，隔离组件包裹在光束传输组件的外表面。
在其中一个实施例中，第一激光和第二激光均为连续激光，且能够通过调制手段实现输出脉冲激光。
上述的多波长激光器，包括：主波长激光源模块、次波长激光源模块、光束耦合系统和光束传输组件，其中主波长激光源模块用于输出第一激光。次波长激光源模块用于输出第二激光；光束耦合系统包括中心传输光纤和多个次级传输光纤，主波长激光源模块的输出端至少与中心传输光纤熔接；次波长激光源模块的输出端与多个次级传输光纤熔接；光束传输组件包括多折射率光纤和输出头，多折射率光纤包括中芯光纤和环形的环芯光纤，中芯光纤与环芯光纤同轴连接，中心传输光纤耦合至中芯光纤，多根次级传输光纤一并耦合至环芯光纤；输出头用于输出第一激光和第二激光。本申请设有多种不同波长的激光源模块可以用来发射不同波长和不同频率的第一激光和第二激光，且经过与光束耦合系统熔接，第一激光和第二激光能够传输至多折射率光纤上，进而通过输出头输出，不同波长和不同频率的第一激光和第二激光可以满足水下环境不同材料的焊接修复需求，由于多折射率光纤是单光纤，所以可以缩小体积，适合环境更广，便携性也更好。
附图说明
图1为本申请其中一个实施例中多波长激光器的连接关系示意图。
图2为光束耦合系统的截面示意图。
图3为光束传输组件中多折射率光纤结构示意图及原理图。
附图标记：主波长激光源模块100；次波长激光源模块200；光束耦合系统300；中心传输光纤310；次级传输光纤320；光束传输组件400；多折射率光纤410；中芯光纤411；第一环形包层412；环芯光纤413；第二环形包层414；铠装管415；输出头420；水冷机500。
具体实施方式
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。
在本申请的描述中，需要理解的是，若有出现这些术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等，这些术语指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
此外，若有出现这些术语“第一”、“第二”，这些术语仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，若有出现术语“多个”，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，若有出现术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等，这些术语应做广义理解。例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，若有出现第一特征在第二特征“上”或“下”等类似的描述，其含义可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
需要说明的是，若元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。若一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。如若存在，本申请所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
参阅图1及图3，图1示出了本申请中多波长激光器的连接关系示意图，本申请提供一种多波长激光器，在其中一个实施例中，包括主波长激光源模块100、多个次波长激光源模块200、光束耦合系统300和光束传输组件400，其中，主波长激光源模块100用于输出第一激光。多个次波长激光源模块200用于输出多种第二激光，其中，多种第二激光的波长与频率均不同，具体的，次波长激光源模块可以调制发出的第二激光的波长和频率。第二激光与第一激光的波长和频率均不同，即第二激光的波长与第一激光的波长不同，且第二激光的频率与第一激光的频率不同。光束耦合系统300包括中心传输光纤310和多个次级传输光纤320，主波长激光源模块100的输出端至少与中心传输光纤310熔接，即：主波长激光源模块100的输出端可以仅与中心传输光纤310熔接，也可以除了与中心传输光纤310熔接外，还和次级传输光纤320熔接。次波长激光源模块200的输出端与多个次级传输光纤320熔接。光束传输组件400包括多折射率光纤410和输出头420，多折射率光纤410和输出头420连接，多折射率光纤410包括中芯光纤411和环形的环芯光纤413，中芯光纤411与环芯光纤413同轴套设连接，中心传输光纤310耦合至中芯光纤411，多个次级传输光纤320一并耦合至环芯光纤413；第一激光和第二激光经光束耦合系统300和多折射率光纤410传输至输出头420，输出头420用于输出第一激光和第二激光。
可以理解的，在上述实施例中，主波长和次波长、中心和次级、中芯和环形均为相对词，在实际生产活动应用中，根据不同的需求，主波长激光源模块100输出的第一激光可以为使用频率和/或使用时长最高的激光，故将此激光源模块定为主波长激光源模块100。同样的，第一激光经中芯光纤411后从输出头420输出的能量位置位于激光光束中心高斯光斑区域，第二激光经环芯光纤413后从输出头420输出的能量位置位于激光光束环形光斑区域，根据不同的需求，第一激光也可以输出环形能量，第二激光也可以在中心高斯光斑区域输出能量。
在上述实施例中，多个次级传输光纤320至少为两个，第二激光可以为多种波长的激光而不限于有且只有一种波长的激光，所以次波长激光源模块200可以为多个，多个次波长激光源模块200分别与光束耦合系统300连接，以使本申请提供的多波长激光器输出三种及三种以上的激光，根据具体的使用需求，比如水下焊接的材料多达五种，则次级传输光纤320可以设置四个或更多，以使多波长激光器具有更广阔的使用范围。
优选的，在上述实施例中，多折射率光纤410的中芯光纤411的纤芯和环芯光纤413的纤芯，采用纯石英材料制造，以示传输效果更好。
优选的，本申请提供地多波长激光器中，主波长激光源模块100和多个次波长激光源模块200都是可独立控制的，就是说中芯激光的功率可以再从0～100％可调的同时，外环的激光功率也是0～100％可调，就可以实现中间没光、外环有光且功率可调的环形光斑，也可以实现中心有光且功率可调、外环没光的高斯光斑，还可以实现内外环都有光且功率比例任意的环芯光斑。
本申请提供地多波长激光器设有多种不同波长的激光源模块可以用来发射不同波长和不同频率的第一激光和第二激光，且经过与光束耦合系统300熔接，第一激光和第二激光能够传输至多折射率光纤410上，进而通过输出头420输出，不同波长和不同频率的第一激光和第二激光可以满足水下环境不同材料的焊接修复需求，由于多折射率光纤410是单光纤，所以可以缩小体积，适合环境更广，便携性也更好。
优选的，在上述实施例中，主波长激光源模块100是光纤激光器，可使得输出中心光束的光束质量更优。次波长激光源模块200的激光类型可选光纤激光器或半导体激光器。主波长激光源模块100和次波长激光源模块200可以分别控制其激光工作状态和工作参数，比如中芯光纤411不输出激光，环芯光纤413输出次波长激光，实现中空的环形光斑。由于激光源模块属于现有技术，故如何控制参数本文不再介绍。
参阅图1，在其中一个实施例中，主波长激光源模块100的输出端还与多个次级传输光纤320中的其中一个次级传输光纤320中熔接，次波长激光源模块200的输出端与剩下的多个次级传输光纤320熔接。比如次级传输光纤320有六根，则主波长激光源模块100的输出端不仅与中心传输光纤310熔接，也与其中一个次级传输光纤320中熔接，次波长激光源模块200的输出端则与剩下的五个次级传输光纤320熔接。这样主波长激光源模块100发射的第一激光不仅可以在中心高斯光斑区域输出能量，也可以输出中空的环形光斑能量。如此增加了一种激光器激光束输出模式，即在中心高斯光斑区域和外圈环形区域内输出能量，实现主波长的环芯光斑形式的能量输出。主波长作为单一激光波长，将其输出为环芯光斑激光，其好处在于，首先是其拥有环芯光斑普遍优势，即工艺窗口宽，用途丰富、低飞溅属性等优点；其次，输出单一波长激光，激光的稳定性和一致性更好，不会引入频段、相位差异等不稳定因素。
次波长激光源模块200输出的是中空的环形光斑能量，在仅使用次波长激光源模块200的情况下，只能输出第二激光，可以通过调制次波长激光源模块200实现不同频率的激光能量输出，即实现不同波长的能量输出。
参阅图3，图3示出了多折射率光纤410的截面图，在其中一个实施例中，中芯光纤411与环芯光纤413之间设有第一环形包层412，第一环形包层412采用第一含氟量的掺氟石英材料制成，掺氟可以降低第一环形包层412的折射率，使得内部石英光纤内传输的激光在第一环形包层412与纤芯界面全反射，实现激光高保真、高质量传输。第一环形包层412套设在中芯光纤411上。由位于中心的中芯光纤411传输主波长激光，即第一激光，第一环形包层412可以限制中芯光纤411中的第一激光外泄到外部的环芯光纤413内，同样的，位于外部环形的环芯光纤413传输次波长激光，即第二激光，并且通过第一环形包层412限制阻隔第二激光外泄到内部的中芯光纤411内，所以其掺氟量的数值需满足调控折射率足够低，使得第一激光和第二激光在其内外两个包层-纤芯界面处可以高质量传输而不外泄，具体数值范围可根据具体需求而定。
在其中一个实施例中，环芯光纤413外设有第二环形包层414，第二环形包层414采用第二含氟量的掺氟石英材料制成，同样的，第二环形包层414可以限制第二激光外泄到外部环境中。
在上述实施例中，第一环形包层412和第二环形包层414采用不同掺氟量的掺氟石英材料制造，以调控多折射率光纤410各层的折射率及包层的折射率差，以实现不同波长激光的传输。第一环形包层412和第二环形包层414的材料折射率相较于中芯光纤411和环芯光纤413的纤芯更低，使得第一激光和第二激光仅在中芯光纤411和环芯光纤413的纤芯内部进行全反射传播，从而限制阻隔第一激光和第二激光外泄到外部。
参阅图3，在其中一个实施例中，第二环形包层414外部设有铠装管415，铠装管415可以为多折射率光纤410提供保护，降低多折射率光纤410受到外部损坏的概率。
在其中一个实施例中，多折射率光纤410与输出头420的光纤端帽部分熔接，以保护光纤端面不因功率密度过大而受损坏。
具体的，在上述实施例中，多折射率光纤410中的输出头420为QBH(Quartz BlockHead，一种采用瑞典Optoskand AB公司专利Quartz Block技术及模式剥离技术的光纤连接器)接头，内部装有光纤端帽，外部为保护壳体，装有水冷管道和温度传感器。此输出头420为标准件。
参阅图2，在其中一个实施例中，次级传输光纤320设有六根，次波长激光源模块200通过分束耦合进其中五根次级传输光纤320中，其中，分束耦合是指将每个次波长激光源模块200输出的激光束传输到对应的各个次级传输光纤320之中，这个过程需要使用光纤耦合器，以保证激光光束能够正确地进入次级传输光纤320的芯线。光束耦合系统300将“1+6”传输光纤以合束方式耦合至光束传输组件400。这样可以支持五个次波长激光源模块200分别与光束耦合系统300连接，使本申请提供的多波长激光器最多可以提供六种不同波长的激光。
在其中一个实施例中，多波长激光器还包括水冷机500，主波长激光源模块100、次波长激光源模块200和输出头420三者的冷水接口分别与水冷机500相连，水冷机500可以控制主波长激光源模块100、次波长激光源模块200和输出头420的温度，防止其温度过高损坏。
在其中一个实施例中，多波长激光器还包括隔离组件，隔离组件包裹在光束传输组件400的外表面。隔离组件具体由纯铅软丝和密封不锈钢波纹管组成，为光束传输组件400及部分水电气管线提供防水、辐射、腐蚀等方面的防护。
在其中一个实施例中，第一激光和第二激光均为连续激光，且能够通过调制手段实现输出脉冲激光，从而进一步集成和优化了多波长激光器，拓宽多波长激光器在水下加工领域的应用范围。
在具体使用时，主波长激光源模块100、次波长激光源模块200、光束耦合系统300和水冷机500位于陆地上，光束传输组件400位于水下环境，通过隔离组件为光束传输组件400提供保护。
在具体应用到核电厂中，具体到核电厂核反应堆相关设备，如反应堆压力容器及管嘴(接管)、反应堆内部构件、堆芯燃料组件、乏燃料水池及燃料格架、换料水池、堆芯热电偶导管接头等，本身及环境辐射剂量率较高，需充水覆盖以屏蔽，这样一旦异常需要处理时往往很难排水进行。当这些设备因为核辐射、应力、流致振动等作用而产生严重威胁电站安全运行的缺陷时，如腐蚀、裂纹、表面磨损等，需要采用水下焊接方法进行修复。而反应堆水下部件所处空间狭窄，环境复杂，以CPR1000机组控制棒导向筒(CRGT)锁紧杯点固焊缝为例，当控制棒导向筒(CRGT)更换时，中部锁紧杯事先焊接后，拧紧螺栓再夹紧锁紧杯，锁紧杯夹紧后焊缝可能出现异常，需要对其进行点焊修复，但其周围空间狭小，传统的水下焊接方法无法施展。
上述实施例中的多波长激光器，可以依靠单条光纤实现高斯光斑、环形光斑、混合光斑等不同模式激光输出，具备连续、脉冲等光束输出模式，进一步集成和优化了多波长光纤激光设备，拓宽多波长光纤激光设备在水下加工领域的应用范围。通过“1+6”光纤熔接方法耦合多波长激光器，通过设计多折射率光纤410传输多波长激光，通过包覆金属软管以实现光束传输组件400的防水、防辐射、防腐蚀，以单光纤条件下不同波长和输出模式光束的耦合输出与快速切换，以满足水下相关设施设备的激光焊接、修复需求。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种多波长激光器，其特征在于，包括：
主波长激光源模块(100)，能够输出第一激光；
多个次波长激光源模块(200)，能够输出多种第二激光，多种所述第二激光与所述第一激光的波长和频率均不同；
光束耦合系统(300)，包括中心传输光纤(310)和多个次级传输光纤(320)，所述主波长激光源模块(100)的输出端至少与所述中心传输光纤(310)熔接；所述次波长激光源模块(200)的输出端与多个所述次级传输光纤(320)熔接；
光束传输组件(400)，包括多折射率光纤(410)和输出头(420)，所述多折射率光纤(410)和所述输出头(420)连接，所述多折射率光纤(410)包括中芯光纤(411)和环形的环芯光纤(413)，所述中芯光纤(411)与所述环芯光纤(413)同轴连接，且所述环芯光纤(413)套设于所述中芯光纤(411)外，所述中心传输光纤(310)耦合至所述中芯光纤(411)，多个所述次级传输光纤(320)一并耦合至所述环芯光纤(413)；所述第一激光和所述第二激光经所述光束耦合系统(300)和所述多折射率光纤(410)传输至所述输出头(420)，所述输出头(420)用于输出所述第一激光和所述第二激光。
2.根据权利要求1所述的多波长激光器，其特征在于，所述主波长激光源模块(100)的输出端还与所述多个次级传输光纤(320)中的其中一个所述次级传输光纤(320)中熔接，多个所述次波长激光源模块(200)的输出端一一对应地与剩下的多个所述次级传输光纤(320)熔接。
3.根据权利要求1所述的多波长激光器，其特征在于，所述中芯光纤(411)与所述环芯光纤(413)之间设有第一环形包层(412)，所述第一环形包层(412)采用第一含氟量的掺氟石英材料制成。
4.根据权利要求1所述的多波长激光器，其特征在于，所述环芯光纤(413)外设有第二环形包层(414)，所述第二环形包层(414)采用第二含氟量的掺氟石英材料制成。
5.根据权利要求4所述的多波长激光器，其特征在于，所述第二环形包层(414)外部设有铠装管(415)。
6.根据权利要求1所述的多波长激光器，其特征在于，所述多折射率光纤(410)与所述输出头(420)的光纤端帽部分熔接。
7.根据权利要求1所述的多波长激光器，其特征在于，所述次级传输光纤(320)设有六根，所述次波长激光源模块(200)数量为五个，五个所述次波长激光源模块(200)通过分束耦合输出激光至其中五根所述次级传输光纤(320)中。
8.根据权利要求1所述的多波长激光器，其特征在于，所述多波长激光器还包括水冷机(500)，所述主波长激光源模块(100)、所述次波长激光源模块(200)和所述输出头(420)三者的冷水接口分别与所述水冷机(500)相连。
9.根据权利要求1所述的多波长激光器，其特征在于，所述多波长激光器还包括隔离组件，所述隔离组件包裹在所述光束传输组件(400)的外表面。
10.根据权利要求1所述的多波长激光器，其特征在于，所述第一激光和所述第二激光均为连续激光，且能够通过调制手段实现输出脉冲激光。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310693362.2A CN116667115A (zh) | 2023-06-12 | 2023-06-12 | 多波长激光器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310693362.2A CN116667115A (zh) | 2023-06-12 | 2023-06-12 | 多波长激光器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116667115A true CN116667115A (zh) | 2023-08-29 |
Family
ID=87715020
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310693362.2A Pending CN116667115A (zh) | 2023-06-12 | 2023-06-12 | 多波长激光器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116667115A (zh) |
-
2023
- 2023-06-12 CN CN202310693362.2A patent/CN116667115A/zh active Pending
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