CN118106621A - 光纤输出混光式雷射系统 - Google Patents
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Abstract
一种光纤输出混光式雷射系统，包括至少一组蓝光雷射模组及红外光光纤雷射模组，以分别发出蓝光雷射光束与红外光雷射光束；光纤合束器合并所述的二种雷射光束，输出光学组件，则将光束予以准直并产生两个波长的聚焦点；其中，输出的蓝光雷射光束与红外光雷射光束为同轴且重合发光，以及BPP皆小于10mm x mrad；而蓝光的功率介于20～100W，红外光的功率介于500～5000W，且蓝光的焦点将形成在待加工件的表面，而红外光的焦点与其相距1～3mm并深入待加工件中，借以获得最佳的焊接及积层融覆效果。
Description
技术领域
本发明是有关一种雷射光加工，尤指应用两种波长的雷射光源，透过光纤合束使输出光束为同轴并重合发光，且借由光学组件产生两个波长的聚焦点，改善雷射加工制程稳定性的一种光纤输出混光式雷射系统。
背景技术
雷射光具有良好的指向性与集中性，且雷射加工没有刀具磨耗以及环境污染的问题，因此，以雷射进行金属焊接，是今日工业制造上的重要课题。但查，铜金银铝等高反射金属，在295K绝对温度时，对于各种波长的雷射光具有不同的表面吸收率，变化状态如图1所示；其中，铜材料(Cu)对于波长约1060nm的近红外光(Near-IR)雷射，其表面吸收率为5％，而铜材料(Cu)对于波长约450nm的蓝光(Blue)雷射，其表面吸收率可达65％。其次，图2所示，为应用红外光(IR)雷射加热铜材，材料温度相对于雷射功率的双稳态现象；其中，当铜材到达熔点，其融化温度(吸收率)将会增加5倍，此时必须很快减少红外光(IR)雷射的功率才能避免表面温度进入沸腾区域；此时表面虽有融池(液态金属)，但因雷射的功率变化，也有可能造成融池中断，因而影响焊接制程的稳定性。显然，若以红外光(IR)雷射进行铜材料的焊接，很容易造成融池中断、喷溅等质量不良的问题。
近几年来，国际上逐渐以蓝光雷射取代红外雷射进行铜片焊接的趋势；但蓝光雷射是由许多蓝光半导体雷射合束组成，功率越高需要合并的半导体雷射越多，其光束质量亦随之下降；例如500W级的蓝光雷射，其beam parameter product(BPP)已高达40mm xmrad，由于光束景深太小，无法进行厚度大于1mm的铜板焊接；一般雷射光束的质量状态可用光束参数乘积(BPP)来衡量，参阅图3所示，其中，BPP的数值由雷射光束发散角α与雷射光束最窄点半径R的乘积来取得；因此，BPP的数值不但可量化雷射光束的质量，同时也可以衡量雷射光束聚焦到一个小点的程度；由于半导体雷射在高功率状态下的BPP数值高达10以上，将使其光束的传播特性与变换特性受到限制。
基于前述问题，产业界也有应用数百瓦蓝光雷射与千瓦光纤雷射进行空间合束，但其成本高昂，且空间合束需要对光学镜片进行精密调整，因此具有稳定性不佳的缺点，其实用性受到业者质疑。
是以，发明人认知到若能应用蓝光雷射与光纤雷射二种不同波长的雷射光源，在降低雷射输出功率与BPP数值的情况下，使合并的雷射光束聚焦在焊接区，应可进一步改善铜焊接的制程稳定性；但，如何达成该项方案的效益便成为发明人所要积极思考的课题。
发明内容
本发明所要解决的主要技术问题在于，克服现有技术存在的上述缺陷，而提供一种光纤输出混光式雷射系统，其可将高亮度蓝光模组与红外光光纤雷射进行混光，并由一条光纤输出；使输出的光束可以有效提高铜金属的吸收，且具有相对较高的光束质量，较低的加工成本，并改善铜焊接制程稳定性的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种光纤输出混光式雷射系统，包括：至少一组蓝光雷射模组，借由蓝光光纤发出蓝光雷射光束；红外光光纤雷射模组，借由红外光光纤发出红外光雷射光束；光纤合束器，用以嵌入该蓝光光纤与该红外光光纤，并借由输出光纤产生输出光束；输出光学组件，具有前后配置的准直透镜与聚焦透镜，其中，该准直透镜用以将该输出光束形成准直平行光束；且该聚焦透镜使通过的该平行光束产生两个波长的聚焦点，即第一焦点与第二焦点；以及该输出光纤所产生的输出光束，包括该蓝光雷射光束与该红外光雷射光束，为同轴并重合发光，且该蓝光雷射光束与该红外光雷射光束的光束参数乘积BPP皆小于10mm x mrad；而经由该聚焦透镜的调整，将使该蓝光雷射光束的该第一焦点形成在待加工材料的表面，并使该红外光雷射光束的该第二焦点深入该待加工材料中，且使该第一焦点与第二焦点的相距位置达1～3mm，借以获得最佳的焊接及积层融覆效果。
依据前揭特征，本发明中该蓝光雷射模组，具有至少7颗以上的蓝光雷射二极管，以激发至少7道波长为400nm～670nm的蓝光光束，光学镜片组件，包括至少7枚快轴准直镜、慢轴准直镜、反射镜，及聚焦镜，使该个别蓝光光束经过各该快轴准直镜、各该慢轴准直镜分别准直后，并经各该反射镜后，而在空间合并成蓝光雷射光束，且该蓝光雷射光束经由该聚焦镜的作用后可耦合至该蓝光光纤的纤核中。
依据前揭特征，本发明中该红外光光纤雷射模组，具有种子光源装置，其使用红外光雷射二极管，发出波长为1064nm的种子雷射光束，激发光源装置，其使用高功率半导体雷射，发出波长为800～980nm的激发雷射光束，合束器，将该种子雷射光束与该激发雷射光束进行耦合至该红外光光纤的纤核中，形成该红外光雷射光束，光纤放大器，则将该红外光雷射光束的能量进行放大。
依据前揭特征，本发明中该输出光纤，具有直径100μm的纤核及300μm的包层。
依据前揭特征，本发明中该输出光束中的蓝光雷射光束，其波长介于400nm～480nm，功率介于20～100W，该输出光束中的红外光雷射光束，其波长介于900nm～1100nm，功率介于500～5000W。
借助前揭特征，本发明『光纤输出混光式雷射系统』，应用至少一组蓝光雷射模组及红外光光纤雷射模组，以分别发出总功率小于1百瓦的蓝光雷射光束与总功率达千瓦的红外光雷射光束；光纤合束器合并所述的蓝光雷射光束与红外光雷射光束，输出光学组件，则将光束予以准直并产生两个波长的聚焦点；其中，输出的蓝光雷射光束与红外光雷射光束为同轴且重合发光，以及光束参数乘积BPP皆小于10mm x mrad；而蓝光的功率介于20～100W，红外光的功率介于500～5000W，且蓝光的焦点将形成在待加工件的表面，而红外光的焦点与其相距1～3mm并深入待加工件中，借以获得最佳的焊接及积层融覆效果；由于本发明应用的光纤合束相较于传统的空间合束，具有较低成本的效益；再者，输出的蓝光雷射光束与红外光雷射光束，其光束参数乘积BPP皆小于10mm x mrad，使合并的雷射光束聚焦在焊接区，其光束质量佳，可进一步改善铜焊接的制程稳定性。
本发明的有益效果是，其可将高亮度蓝光模组与红外光光纤雷射进行混光，并由一条光纤输出；使输出的光束可以有效提高铜金属的吸收，且具有相对较高的光束质量，较低的加工成本，并改善铜焊接制程稳定性的问题。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是现有不同波长雷射在各种金属表面吸收率的曲线图。
图2是现有以红外线加热铜材，材料温度v.s.雷射功率的双稳态示意图。
图3是现有雷射光束的参数乘积结构示意图。
图4是本发明中光纤输出混光式雷射系统实施例的结构示意图。
图5是本发明中光纤合束器的段面结构示意图。
图6是本发明中输出准直镜的结构示意图。
图7是本发明中双波长聚焦点的状态示意图。
图8是本发明中蓝光雷射模组的结构示意图。
图9是本发明中红外光光纤雷射模组的结构示意图。
图中标号说明：
10：蓝光雷射模组
10a：第一蓝光雷射模组
10b：第二蓝光雷射模组
11：蓝光光纤
11a：第一蓝光光纤
11b：第二蓝光光纤
12：蓝光雷射二极管
13：光学镜片组件
131：快轴准直镜
132：慢轴准直镜
133：反射镜
134：聚焦镜
20：红外光光纤雷射模组
21：红外光光纤
22：种子光源装置
23：激发光源装置
24：合束器
25：光纤放大器
30：光纤合束器
31：输出光纤
40：输出光学组件
41：准直透镜
42：聚焦透镜
90：待加工材料
100：光纤输出混光式雷射系统实施例
F：聚焦点
F1：第一焦点
F2：第二焦点
L1：蓝光雷射光束
L11：蓝光光束
L1a：第一蓝光雷射光束
L1b：第二蓝光雷射光束
L2：红外光雷射光束
L21：种子雷射光束
L22：激发雷射光束
L3：输出光束
L31：平行光束
ΔZ：相距位置
具体实施方式
以下是借由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟习此技艺的人可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明亦可借由其他不同的具体实施例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不悖离本发明的精神下进行各种修饰与变更。
首先，本发明『光纤输出混光式雷射系统』实施例100的结构，其如图4所示，包括：至少一组蓝光雷射模组10，借由蓝光光纤11发出蓝光雷射光束L1；本实施例中，该蓝光雷射模组10具有二组，故而本实施例包括第一蓝光雷射模组10a连结第一蓝光光纤11a发出第一蓝光雷射光束L1a，与第二蓝光雷射模组10b连结第二蓝光光纤11b发出第二蓝光雷射光束L1b；红外光光纤雷射模组20，借由红外光光纤21发出红外光雷射光束L2；光纤合束器30，用以嵌入该蓝光光纤11与该红外光光纤21，并借由输出光纤31，其具有直径100μm的纤核及300μm的包层，产生输出光束L3；本实施例中，该光纤合束器30中嵌入第一蓝光光纤11a、第二蓝光光纤11b与该红外光光纤21，如图5所示；输出光学组件40，请参阅图6所示，具有前后配置的准直透镜41与聚焦透镜42，其中，该准直透镜41用以将该输出光束L3形成准直平行光束L31；且该聚焦透镜42使通过的该平行光束L31产生两个波长的聚焦点F，即第一焦点F1与第二焦点F2；以及该输出光纤31所产生的输出光束L3，包括该蓝光雷射光束L1，其波长介于400nm～480nm，功率介于20～100W；与该红外光雷射光束L2，其波长介于900nm～1100nm，功率介于500～5000W；两道光束为同轴并重合发光，且该蓝光雷射光束L1与该红外光雷射光束L2的光束参数乘积BPP皆小于10mm x mrad；而经由该聚焦透镜42的调整，将该蓝光雷射光束L1的该第一焦点F1形成在待加工材料90的表面，并使该红外光雷射光束L2的该第二焦点F2深入该待加工材料90中，且使该第一焦点F1与第二焦点F2的相距位置ΔZ达1～3mm，如图7所示，借以获得最佳的焊接及积层融覆效果。
本发明中，该蓝光雷射模组10，如图8所示，具有至少7颗以上的蓝光雷射二极管，本应用中为9颗蓝光雷射二极管12，激发9道波长可为400nm～670nm的蓝光光束L11，光学镜片组件13，包括至少7枚快轴准直镜131、慢轴准直镜132、反射镜133，本应用中则各为9枚，及聚焦镜134，使该个别蓝光光束L11经过各该快轴准直镜131、各该慢轴准直镜132分别准直后，并经各该反射镜133的反射后，在空间合并成蓝光雷射光束L1，且该蓝光雷射光束L1经由该聚焦镜134的聚焦后耦合至该蓝光光纤11的纤核中。
本发明中，该红外光光纤雷射模组20，如图9所示，具有种子光源装置22，其使用红外光雷射二极管，发出波长可为1064nm的种子雷射光束L21，激发光源装置23，其使用高功率半导体雷射，发出波长可为800～980nm的激发雷射光束L22，合束器24，将该种子雷射光束L21与该激发雷射光束L22进行耦合至该红外光光纤21的纤核中，形成该红外光雷射光束L2，光纤放大器25，则将该红外光雷射光束L2的能量进行放大。
本发明『光纤输出混光式雷射系统』，应用至少一组蓝光雷射模组10及光纤雷射模组20，以分别发出总功率小于1百瓦的蓝光雷射光束L1与总功率达千瓦的红外光雷射光束L2；光纤合束器30合并所述的蓝光雷射光束L1与红外光雷射光束L2，输出光学组件40，则将光束予以准直并产生两个波长的聚焦点F；其中，输出的蓝光雷射光束L1与红外光雷射光束L2为同轴且重合发光，以及光束参数乘积BPP皆小于10mm x mrad；而蓝光的功率介于20～100W，红外光的功率介于500～5000W，且蓝光的第一焦点F1将形成在待加工件90的表面，而红外光的第二焦点F2与其相距1～3mm并深入待加工件90中，借以获得最佳的焊接及积层融覆效果；由于本发明应用的光纤合束相较于传统的空间合束，具有较低成本的效益；再者，输出的蓝光雷射光束L1与红外光雷射光束L2，其光束参数乘积BPP皆小于10mm x mrad，使合并的雷射光束聚焦在焊接区，其光束质量佳，可进一步改善铜焊接的制程稳定性。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (5)
1.一种光纤输出混光式雷射系统，其特征在于，包括：
至少一组蓝光雷射模组，借由蓝光光纤发出蓝光雷射光束；
红外光光纤雷射模组，借由红外光光纤发出红外光雷射光束；
光纤合束器，用以嵌入该蓝光光纤与该红外光光纤，并借由输出光纤产生输出光束；
输出光学组件，具有前后配置的准直透镜与聚焦透镜，其中，该准直透镜用以将该输出光束形成准直平行光束；且该聚焦透镜使通过的该平行光束产生两个波长的聚焦点，即第一焦点与第二焦点；以及
该输出光纤所产生的输出光束，包括该蓝光雷射光束与该红外光雷射光束，为同轴并重合发光，且该蓝光雷射光束与该红外光雷射光束的BPP皆小于10mm x mrad；而经由该聚焦透镜的调整，将该蓝光雷射光束的该第一焦点形成在待加工材料的表面，并使该红外光雷射光束的该第二焦点深入该待加工材料中，且使该第一焦点与第二焦点的位置相距达1～3mm，借以获得最佳的焊接及积层融覆效果。
2.根据权利要求1所述的光纤输出混光式雷射系统，其特征在于，所述蓝光雷射模组，具有至少7颗以上的蓝光雷射二极管，以激发至少7道波长为400nm～670nm的蓝光光束，光学镜片组件，包括至少7枚快轴准直镜、慢轴准直镜、反射镜，及聚焦镜，使该个别蓝光光束经过各该快轴准直镜、各该慢轴准直镜分别准直后，并经各该反射镜后，而在空间合并成蓝光雷射光束，且该蓝光雷射光束经由该聚焦镜的作用后可耦合至该蓝光光纤的纤核中。
3.根据权利要求1所述的光纤输出混光式雷射系统，其特征在于，所述红外光光纤雷射模组，具有种子光源装置，其使用红外光雷射二极管，发出波长为1064nm的种子雷射光束，激发光源装置，其使用高功率半导体雷射，发出波长为800～980nm的激发雷射光束，合束器，将该种子雷射光束与该激发雷射光束进行耦合至该红外光光纤的纤核中，形成该红外光雷射光束，光纤放大器，则将该红外光雷射光束的能量进行放大。
4.根据权利要求1所述的光纤输出混光式雷射系统，其特征在于，所述输出光纤，具有直径100μm的纤核及300μm的包层。
5.根据权利要求1所述的光纤输出混光式雷射系统，其特征在于，所述输出光束中的蓝光雷射光束，其波长介于400nm～480nm，功率介于20～100W，该输出光束中的红外光雷射光束，其波长介于900nm～1100nm，功率介于500～5000W。
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