CN1299404C - 激光器系统 - Google Patents

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Abstract

将激光器系统构造成通过二色分束器合并由固体激光器装置发出的固体激光束和由振荡波长范围短于固体激光束的激光二极管发出的激光二极管光束，所得的光束在空间中被导向光纤，并且用合并的LD光束和固体激光束以彼此几乎匹配的光束绝对辐射位置和辐射形状辐射工件。由此可以解决激光器系统由于较低的能量转换效率所致的高成本和高功耗的问题，而较低的能量转换效率在高输出、高亮度固体激光器装置是个问题。

Description

激光器系统
技术领域
本发明涉及一种主要由高输出的高强度固体激光器装置构成并且有效功率有很大提高的激光器系统。
背景技术
近年来开发出了用于增大固体激光器装置的输出及强度的技术，并且已实现了满足上述两项性能的固体激光器装置。因此，可以进行高速的精细焊接和切割加工。高输出、高强度的固体激光器装置已经积极有效地用在了电气和电子部件的点焊和缝焊加工中以及用于金属、半导体、陶瓷等材料的刻划和切割加工中。
做为常规固体激光器装置的一个代表性实例，图3表示了一种LD(激光二极管)泵浦的脉冲式Nd:YAG激光器系统，其激光器的激活介质是棒式Nd:YAG晶体，其平均输出功率在300W量级，是市场上分布最广的一种激光器。
Nd:YAG晶体1由做为泵浦源的LD 2发出的LD光束3泵浦。从Nd:YAG晶体1发出的1.06μm波长的光在构成激光谐振腔4的全反射镜5和输出耦合反射镜6之间被选择性放大。放大的光从输出耦合反射镜6做为Nd:YAG激光束7出射。根据使用情况对Nd:YAG激光器输出的控制由电耦合到LD 2的DC稳定电源8执行。为了维持稳定的Nd:YAG激光输出，直接或通过冷却介质供给装置9提供的冷却介质控制Nd:YAG晶体1和LD2的温度，使得周围部件的温度成为恒定。
Nd:YAG激光束7由入射光会聚光学系统10会聚，从而满足用于传输的光纤11的传输条件，而光纤11具有0.3mm的纤芯直径。从光纤11发出的激光束由出射光会聚光学系统14整形并会聚，从而具有适于加工放置在CNC台12上的工件13的光束形状，并执行所需的激光加工。
但在常规的结构中，在执行激光加工的情形中从激光器系统发出的激光束由输入到用于泵浦的LD的电能转化的能量转换效率(以下称作“电-光转换效率”)是一个非常低的值，约为10～20％。分析该值表明，用于泵浦的LD的电光转换效率为30～50％，由LD泵浦光的能量向Nd/YAG激光束的能量转换效率(以下称作“光-光转换效率”)为35～50％。“电-光转换效率”是“LD的电-光转换效率”与“光-光转换效率”之积。
另外，如图4所示，在Nd:YAG激光束的振荡波长1.06μm处，关于普通工业材料铝(以下称作“Al”)、铜(以下称作“Cu”)和铁(以下称作“Fe”)的激光束的能量吸收率分别为5％、2％和26％(源自J.H.Weaver的“Physics Data-Optical Properties of Metal”)。
因此，实际输入到LD的电能中被工件吸收的能量比例较低。在Al的情况下该能量比例为0.5～1％，甚至在具有较高吸收率的Fe的情况下该能量比例为3.5～7％。
虽然把常规的固体激光器装置安置在其上的激光加工机可以获得高速、高精细的加工性能，但它有一个问题，即由于能量利用率很低，所以激光器系统的引进及操作成本很高。所有没被转移或转换成最终的Nd:YAG激光束的剩余能量都变成热量，用于冷却LD和Nd:YAG晶体的冷却介质被该热量加热。其结果是从冷却装置向周围排出热量。虽然激光器是没有问题的，但会出现第二个问题，即激光器向周围环境散发热量。
考虑到这一问题，人们已经尝试着利用电光转换效率为40％或更高的LD光束直接进行加工。但LD光束的聚光能力很低，难以用在通过小直径、0.3mm或更小的光纤进行普通加工所必需的传输300W量级的输出。
本发明提供了一种激光器系统，解决了存在于高输出高强度的固体激光器装置中的由于低能量转换效率所致的高成本和高功耗的问题。
发明概述
为解决上述问题，本发明提供了一项提高固体激光器光束吸收率并实现激光器系统的较高效率的技术，该技术利用光吸收率随金属材料的基础材料温度的升高而增大的物理现象通过另一个装置同时或提前加热固体激光器激光束的加工点。
如果不必加工的部分也被加热，则不能获得理想的加工精度，并且还造成能量损失。因此，必需集中加热加工点。为此目的，通过合并用于加热传输固体激光器激光束的光纤的光束，用固体激光器的激光束以及合并的光束辐射同一加工点。
用于传输固体激光器激光束的光纤的纤芯直径通常不大于0.3mm以便高精度地进行微加工。合并的光束必需经小直径光纤高效率地传输。因此，如果激光束不用作合并光，就不能实现本发明目的。
做为被合并的激光束，根据对图4所示普通金属材料的吸收特性的估计，如果把波长短于Nd:YAG激光束的振荡波长1.06μm的激光束用于联合激光器系统，则金属的吸收率增大。预先进行的工件加热效果也因而增强。
因此，做为用于联合激光器系统，选择激光二极管做为激光器系统，用于发射波长短于Nd:YAG激光束的波长并具有几乎与Nd:YAG激光束相同的光束会聚性的光束，该光束甚至具有激光器系统最高的振荡效率。
因为通常将LD用作常规结构的固体激光器装置的泵浦源，所以对于LD很难将光束会聚成小的形状。但是，当输出水平不大于50W时，通过进行光发射点的重新光分布并校正激光束扩展角，LD可以将光束会聚成直径小于0.3mm。
通过对本发明应用激光束合并和分解技术，可以不降低加工精度及高速度地大大提高激光加工效率，以致于可以减小固体激光器的输出。其结果是可以实现固体激光器装置的尺寸减小、即固体晶体尺寸的减小以及高成本部件数量的减少，如减少用于泵浦的LD的数量。而且还可以降低激光器系统的工作成本并大大改善对周围环境的影响。
附图简述
图1是表示根据本发明实施例的结构示图。图2是表示所示实施例中焊接加工特性的曲线。图3是常规技术的结构简图。图4是能量吸收率与材料波长的关系曲线。
执行本发明的最佳模式
下面参考附图描述本发明的实施例。
关于本发明的实施例，图1表示一种激光器系统的结构，其中主要处于Al激光焊接目的的激光器激活介质是棒状Yd:YAG晶体，该激光器系统主要由平均输出为300W量级的LD泵浦的脉冲式Nd:YAG激光器装置A(对应于本发明的固体激光器装置)构成。
棒直径为φ5mm、长度为116mm的Nd:YAG晶体1由LD泵浦装置2发出的LD光束3泵浦，而LD泵浦装置上安置60条在中心波长808nm处振荡的20W/条的LD。从Nd:YAG晶体1发出的1.06μm的光束在全反射镜5和反射率为70％的输出耦合反射镜6之间被选择放大，其中全反射镜5和输出耦合反射镜6构成一个谐振腔长度为400mm的激光谐振腔。放大的光做为Nd:YAG激光束7从输出耦合反射镜6出射(对应于本发明的固体激光器光束)。由电连结到LD2的DC稳定电源8执行对Nd:YAG激光器根据用途的输出控制。为了维持稳定的Nd:YAG激光输出，直接或通过纯净水冷却装置9供给的纯净水控制Nd:YAG晶体1和LD 2的温度，使得周围部件的温度变为恒定温度。在此结构中，当LD峰值电流为110A、脉宽为0.5msec、脉冲频率为200Hz、纯净水温度为11℃时获得Nd:YAG激光束7最大的平均激光输出290W。
另一方面，用于发射与Nd:YAG激光器装置A发出的激光束7合并的合并LD(激光二极管)光束11的联合LD为连续输出式，并以808nm为中心波长地振荡。具有椭圆形状的合并的LD光束11穿过柱状准直透镜12的快轴和慢轴以减小扩展角，并经合并的LD光束入射光学系统13进入纤芯直径为0.2mm的折射率渐变式(以下称作SI式)光纤14以进行光束整形。该光束被整形并在光纤发射端做为在所有方向上有着几乎均匀的圆形形状的合并的LD光束15发射。联合LD 10固定在冷却水从中流过的冷却板16上。LD本身被间接地冷却。
具有圆形形状的合并的LD光束15被平凸准直透镜17准直成具有与Nd:YAG激光束7相同的形状。之后，通过Nd:YAG激光束7和二色分束器18合并激光输出。Nd:YAG激光束7分布在二色分束器18的相反侧，圆形的合并的LD光束15分布在发射端，再进行光轴调节，使得激光束7和15共轴重叠。之后，由入射光会聚光学系统19会聚合成的激光束，从而满足纤芯直径为0.3mm、传输距离为20m的SI式光纤20的传输条件，并进入传输光纤20。从传输用的光纤20发射的激光束被加工焦距为100mm的输出光会聚光学系统21会聚，从而获得适于加工的光束形状。用会聚的激光束辐射放置在CNC台22上的工件23并进行所需的激光加工。在输出光会聚光学系统21上安置一个光学部件，该部件在具有波长1.06μm的Nd:YAG激光束的波长区域中以及在具有波长808nm的合并LD光束的波长区域中具有不小于98％的透射率。
在辐射Nd:YAG激光束7之前或同时，用合并LD光束15辐射工件23。可以可变地独立控制联合LD 10的输出激光输出值、Nd:YAG激光输出值以及辐射的开/关。
图2表示在只使用Nd:YAG激光束7的情况下的焊接性能和在合并的LD光束15与激光束7合并的情况下的焊接性能的比较试验结果。在该试验中，做为测试件，JIS标准的#3003铝件，加工速度固定在20mm/sec，氮气(N2)做为加工点周围的屏蔽气体以10升/分钟的流速供给。
从简图中看到，在只使用Nd:YAG激光束7的情况下，当平均激光输出为250W时，以0.4mm的焊点点核直径获得0.74mm的最大穿透深度。当合并10W的合并LD光束15的激光输出时，与只利用Nd:YAG激光束7的情形相比，穿透深度变深5％。在LD光束15的激光输出为20W和30W的情况下，穿透量分别增加19％和46％。通过单个的Nd:YAG激光器装置A，当最大平均激光输出为290W时，获得1.0mm的最大穿透深度。在合并30W的LD光束15的情况下，以240W的激光输出做为单个Nd:YAG激光器装置A的平均输出，获得相同的穿透深度。因而可以减小单个Nd:YAG激光器装置A中大约50W的平均激光输出。
测量穿透深度为1.0mm时的功耗。结果是，在输出290W做为单个Nd:YAG激光器装置A的平均输出的情况下，功耗为2.015W。在合并LD光束15的30W并且单个Nd:YAG激光器装置A的输出为240W的情况下，功耗为1750W。即，可以以小于13％的能量执行相同的加工。
此时，在辐射Nd:YAG激光束7之前或同时，用合并的LD光束15辐射工件，并且独立可变地控制联合LD10的出射激光输出值、Nd:YAG激光器装置A的输出值和辐射的开/关。因此，通过适当地调节加工点的加热时间和程度，可以有效地追寻更高的效率。
特别是，在二色分束器18中与Nd:YAG激光束15合并之前，利用准直透镜12校正从联合LD10发出的合并LD光束11的扩展角，使得几乎在所有方向上均匀。之后，激光束进入用于光束整形的光纤14，在那里LD发射模式图案形成为圆形，并且径向光束量均匀，所得的光束在二色分束器18中与Nd:YAG激光束7合并。因此，用于加热的LD光束11可以会聚成直径小于0.3mm，可以有效地进行对加工点的高效加热。
另外，本实施例中的Nd:YAG激光器装置是一种利用LD泵浦装置2做为泵浦源的固体激光器装置。用于发射与固体激光器泵浦LD发射的光束相同波长的光束的LD10也用作联合激光二极管。因此，联合LD的可靠性很高，并且可以方便地获得LD。
因为只加热必需的加工点而不加热不必要的部件，所以当用随时间恒定的连续发射激光输出的连续模式代替从联合LD10发出的合并LD光束11的发射模式时，不出现问题。因而可以有效地增大加工点的激光束吸收率。
本发明不限于前述实施例的每个部件的具体结构。
例如，在本实施例中，把用于发射与泵浦Nd:YAG激光器的激光二极管发射的光束具有相同波长的激光束的激光二极管用作联合激光二极管，其中泵浦的Nd:YAG激光器处于不大于±3nm的波段中。如果用于联合激光二极管的波段是不大于用于泵浦的激光二极管波段的±50，则从要加工的金属和陶瓷材料的吸收特性来看，一般地可以预期达到与实施例相同的效果。
虽然连续输出式激光二极管在本实施例中用作用于合并的激光二极管，但对于脉冲输出式激光二极管来说可以预期有类似于本实施例的效果。
另外，在前述实施例中描述了激光激活介质为Nd:YAG晶体的Nd:YAG激光器的情形。在激光激活介质为单个固体晶体、如Yb:YAG或Nd:YVO4的情形中，也可以预期效果与本实施例相同的固体晶体或陶瓷晶体的组合。
在不脱离本发明实质的前提下也可以改进其它的结构。
工业实用性
本发明可以提供一种具有上述结构的激光器系统，可以无需降低激光器加工精度和高速度地实现较大的功率减小以及更加环保。另外，还可以实现激光器系统更小的大小，以致于可以提供一种有利于更小设备的激光器系统。

Claims (7)

1.一种激光器系统，其特征在于通过二色分束器合并由固体激光器装置发出的固体激光和由振荡波长范围短于固体激光的激光二极管发出的激光二极管光，然后将其导向可以传输固体激光的传输用光纤，并且用该激光二极管光和固体激光以彼此几乎匹配的光绝对辐射位置和辐射形状来辐射工件，并且，在将所述激光二极管光聚光成比所述传输用光纤的纤芯的直径还要细小的光的基础上，将其与所述固体激光合并，并使该合并光入射到所述传输用光纤中。
2.如权利要求1所述的激光器系统，其特征在于将所述激光二极管光聚光成比所述传输用光纤的纤芯的直径还要细小的光是通过用于整形的光纤执行的。
3.如权利要求1所述的激光器系统，其特征在于在用固体激光辐射之前或同时，用所述的合并激光二极管光辐射工件，并且可变地独立控制激光二极管的输出激光的输出值、固体激光器的输出值以及辐射的开/关。
4.如权利要求2所述的激光器系统，其特征在于在二色分束器中与固体激光束合并之前，通过利用单个柱状透镜或多个柱状透镜校正从所述激光二极管发出的用于合并的激光二极管光束的扩展角，从而使光束在所有方向上几乎均匀，之后，将所得的激光束引向上述用于整形的光纤，实施激光二极管发射模式图案的圆形化以及径向光束品质的均匀化之后，在二色分束器中与固体激光合并。
5.如权利要求1所述的激光器系统，其特征在于所述的固体激光器装置是一种利用激光二极管作为泵浦源的固体激光器装置，并利用发射的激光与用于在不大于±50nm的波长范围内泵浦固体激光器的激光二极管的激光具有相同波长的激光二极管作为用于合并的激光二极管。
6.如权利要求1所述的激光器系统，其特征在于用于合并的来自激光二极管的激光发射模式是一种连续发射相对于时间恒定的激光输出的连续模式，或是一种脉冲输出模式，其中激光输出随时间变化。
7.如权利要求1所述的激光器系统，其特征在于固体激光器装置的激光激活介质是一种Nd:YAG、Yb:YAG或Nd:YVO4的单个的固体晶体、单个固体晶体的组合或是陶瓷晶体。
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