CN202506953U - 采用2微米锁模高功率光纤激光器的激光加工系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种采用2微米锁模高功率光纤激光器的激光加工系统，包括激光光源、光学处理系统和控制系统，所述激光光源为2微米波长超短脉冲种子激光器，所述光纤放大系统包括掺铥掺钬或或铥/钬混和掺杂的高功率光纤放大器,光学处理系统包括准直和聚焦系统，2微米波长超短脉冲种子激光器作为高功率光纤放大系统的种子激光光源，高功率光纤放大系统输出的激光脉冲经准直和聚焦系统导入至加工工件上。本实用新型具有系统设计简单，造价低廉，可靠性高、波长独特等优点，是一种具有实用价值的激光加工系统，在材料与器件的打标、激光微机械加工等工业领域有着广泛的应用。
Description
技术领域
本实用新型，涉及采用激光技术进行材料加工，特别是涉及一种采用2微米锁模高功率光纤激光器的激光加工系统，用于激光打标、切割、钻孔、焊接加工。
背景技术
高功率超短脉冲激光器在器件和材料的打标、切割、钻孔、焊接等激光加工等工业领域具有广泛的应用。
通常连续和长脉冲激光在进行激光加工过程中由于严重的热效应造成加工的精度比较差，而超短脉冲激光在与材料相互作用过程中具有比较小的热效应积累，因此具有更高的加工精度和更小的尺寸。现有的用于超短脉冲激光加工的激光波长主要是紫外、可见光和近红外的1微米和1.5微米，参见中国发明专利申请CN101327548A公开的一种高重复率光子晶体光纤紫外超短脉冲加工机，中国发明专利CN1970211A公开的不锈钢悬臂梁的飞秒激光加工方法，中国发明专利CN1671504A公开的使用超短脉冲激光的激光加工法和激光加工装置等。
有些加工材料如塑料器件、生物有机材料和含有OH- 的材料等，在2微米左右波长处具有高的吸收特性，因而，如果能使用2微米具有纳秒量级短脉冲宽度的高功率激光，相比前述几种激光波长在这些材料的激光加工（如打标、切割、钻孔、焊接等）中将具有更好的加工性能和加工效率；另外2微米是人眼安全波长。然而，现有2微米具有超短脉冲宽度的激光光源主要是锁模固体激光器和采用非线性光学方法（如OPO 和OPA及差频等）产生的，但由于目前这些2微米高功率激光光源存在着稳定性可靠性差、昂贵、需要复杂的维护等缺点，所以使得2微米波长高功率超短脉冲激光器在工业激光加工等领域的大规模使用几乎是一个空白。
发明内容
本实用新型的发明目的是提供一种采用2微米锁模高功率光纤激光器的激光加工系统，以弥补现有技术中激光加工波长的不足，满足一些对2微米波长激光有特殊吸收特性的材料与器件的激光加工的需求。
为达到上述发明目的，本实用新型采用的技术方案是：一种采用2微米锁模高功率光纤激光器的激光加工系统，包括激光光源、光纤放大系统、光学处理系统、和控制系统，所述激光光源为2微米波长超短脉冲种子激光器，所述光纤放大系统包括掺铥或掺钬或铥/钬混和掺杂的高功率大模场光纤器, 光学处理系统包括准直和聚焦系统，2微米波长超短脉冲种子激光器作为高功率光纤放大系统的种子激光光源，高功率光纤放大系统输出的激光脉冲经准直和聚焦系统后导入至加工工件上。
根据需要，所述光学处理系统有时还包括振镜。
上述技术方案的系统可用于打标、切割、钻孔、焊接等激光加工，放大后的激光脉冲形成高重复率、高功率的皮秒（10-12）到飞秒（10-15）激光脉冲序列，产生的峰值激光功率大于10kW，根据需要，可以设置承载加工工件的平台，激光加工系统和平台之间有相对运动的自由度，该相对运动可以通过设置驱动激光加工系统运动的驱动机构实现，也可以通过设置驱动平台的运动机构实现，还可以分别使激光加工系统和平台运动实现，控制系统同时用于控制光源与加工工件之间的相对位置。
上述技术方案中，所述2微米波长超短脉冲种子激光器采用基于掺铥或掺钬或铥/钬混和掺杂光纤、锁模的光纤激光器，由基于掺铥或掺钬或铥/钬混和掺杂增益光纤、可饱和吸收体或半导体可饱和吸收镜、色散光纤补偿器组成，所述掺铥或铥/钬混和掺杂增益光纤的芯径为4到30微米，数值孔径为0.02到0.30，包层直径为50到400微米，包层数值孔径为0.1到0.8，长度为0.1米到10米，采用0.1到30瓦的高功率半导体激光器作为泵浦激光器。通过调节腔内色散补偿，该锁模激光器可以工作在全孤子、展宽脉冲锁模和全正色散区。
上述技术方案中，所述高功率大模场光纤放大系统由1到3级放大器构成，每一级放大器包括大模场高掺杂浓度的掺铥或掺钬或铥/钬混和掺杂增益光纤和泵浦激光器，光纤的芯径为6到100微米，数值孔径为0.02到0.30，包层直径为50到400微米，包层数值孔径为0.1到0.8，长度为0.1米到8米，泵浦激光器为0.1到500瓦的高功率半导体激光器。根据需要，可以采用单级或多级高功率光纤放大器放大。
上述技术方案中，在2微米波长超短脉冲种子激光器和放大器之间及各级放大器之间设有法拉第光学隔离器。
准直和聚焦系统采用对2微米激光高透射率的光学透镜系统。
由于上述技术方案运用，本实用新型与现有技术相比具有下列优点：
1．本实用新型激光器采用全光纤结构，超短脉冲工作，脉冲宽度是从飞秒到皮秒，具有结构简单、稳定性可靠性高、运行费用低和高功率的特点，适合工业大规模使用；
2．本实用新型重复率可以达到几十兆赫兹，所用激光脉冲重复率越高，加工的图案就越平滑，即加工质量越高，加工的效率也越高。
3．由于采用2微米调Q脉冲激光，尤其适合对2微米波长有特征吸收材料的激光加工，特别是含有有机成分和含OH-的材料加工，并且该波长对人眼安全，绿色环保。
附图说明
图1是本实用新型实施例一的激光加工系统结构原理示意图。
图2是图1中2微米波长锁模光纤种子激光器的结构原理示意图。
图3是图1中高功率光纤放大器的结构原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述：
实施例一：一种采用2微米锁模高功率光纤激光器的激光加工系统，用于打标、切割、钻孔、焊接等激光加工，参见附图1所示，包括激光光源1、光纤放大系统2、光学处理系统3和控制系统4，所述激光光源为2微米波长超短脉冲种子激光器，所述光纤放大系统2包括掺铥或掺钬或铥/钬混和掺杂的高功率光纤放大钬混和掺杂的高功率光纤放大器, 光学处理系统3包括准直和聚焦系统，有时还包括振镜，2微米波长超短脉冲种子激光器作为高功率光纤放大系统2的种子激光光源，高功率光纤放大系统2输出的激光脉冲经准直和聚焦系统导入至加工工件上。
其中激光光源采用半导体可饱和吸收镜锁模的2微米锁模光纤种子激光器，具体结构示意图参见附图2所示。其中，增益介质是采用基于掺铥掺钬或或铥/钬混和掺杂的光纤1-1，增益光纤的芯径为10微米，数值孔径为0.1，外包层直径为125微米，数值孔径为0.5，长度为2米，可以采用复层泵浦，也可以在增益光纤的两端焊上适当长度的单模光纤采用波长复用方式泵浦（由泵浦/信号合束器1-5实现）；增益光纤采用10W的高功率半导体激光器1-4 进行单面或双面包层泵浦，谐振腔的一端采用全光纤耦合的半导体可饱和吸收镜1-2 作为锁模激光脉冲形成元件，谐振腔的另一端引入大色散量的色散光纤补偿器1-3，通过调节腔内色散补偿和光脉冲压缩，该锁模激光器可以工作在全孤子、展宽脉冲和全正色散锁模区，输出激光重复率可以达到几十兆赫兹、脉冲宽度为皮秒到飞秒的激光脉冲。
高功率大模场光纤放大系统2的具体结构示意图如图3所示。高功率光纤激光放大器的增益介质是采用基于掺铥或掺钬或铥/钬混和掺杂的大模场光纤2-1，增益光纤的芯径为20微米，数值孔径为0.07，外包层直径为200微米，数值孔径为0.5，长度为2米，可以采用复层泵浦，也可以在增益光纤的两端焊上适当长度的单模光纤采用WDM 2-5 方式泵浦；增益光纤采用20W的高功率半导体激光器2-4 进行单面或双面覆层泵浦；整个放大系统采用1-3级上述单级高功率激光放大的方式，增益介质采用上述掺铥或掺钬或铥/钬混和掺杂的大模场光纤2-1，各级放大器增益光纤的长度分别为2-5米、1-3米、0.2到2米，增益光纤的芯径分别为10-20微米、20-40微米、30到100微米，各级放大器的高功率半导体泵浦激光器2-4的功率分别为3-20W、5-50W、 10-100W。放大器后采用色散补偿器2-3，经过多级放大器放大后产生的峰值激光功率大于10 kW;在2微米锁模光纤激光器种子源和与高功率光纤放大级之间和各高功率光纤放大级之间可以放置法拉第隔离器2-2，以防止反馈激光返回种子激光器。
激光准直与聚焦系统可以由焦距为10到20毫米的非球面透镜对激光准直，然后经过5到20毫米短焦非球面透镜聚焦到加工工件上；控制系统是通过控制版与激光光源和加工工件联结，实现激光光源和加工工件二者之间的同步和加工控制。
Claims (5)
1. 一种采用2微米锁模高功率光纤激光器的激光加工系统，包括激光光源(1)、光纤放大系统(2)、光学处理系统(3)、和控制系统(4)，所述控制系统(4)连接控制激光光源(1)、光纤放大系统(2)和光学处理系统(3)，其特征在于：所述激光光源为2微米波长超短脉冲种子激光器，所述光纤放大系统(2)包括掺铥或掺钬或铥/钬混和掺杂的高功率光纤放大器, 光学处理系统(3)包括准直和聚焦系统，2微米波长超短脉冲种子激光器作为高功率光纤放大系统的种子激光光源，高功率光纤放大系统输出的激光脉冲经准直和聚焦系统后导向至加工工件上。
2. 根据权利要求1所述的一种采用2微米锁模高功率光纤激光器的激光加工系统，其特征在于：所述2微米波长超短脉冲种子激光器由基于掺铥或掺钬或铥/钬混和掺杂增益光纤、可饱和吸收体或半导体可饱和吸收镜、色散光纤补偿器组成，所述掺铥或掺钬或铥/钬混和掺杂增益光纤的芯径为4到30微米，数值孔径为0.02到0.30，包层直径为50到400微米，包层数值孔径为0.1到0.8，长度为0.1米到10米，采用0.1到30瓦的高功率半导体激光器作为泵浦激光器。
3. 根据权利要求1所述的一种采用2微米锁模高功率光纤激光器的激光加工系统，其特征在于：所述高功率光纤放大系统(2)由1到3级放大器构成，每一级放大器包括大模场高掺杂浓度的掺铥或掺钬或铥/钬混和掺杂增益光纤和泵浦激光器，光纤的芯径为6到100微米，数值孔径为0.02到0.30，包层直径为50到400微米，包层数值孔径为0.1到0.8，长度为0.1米到8米，泵浦激光器为0.1到500瓦的高功率半导体激光器。
4. 根据权利要求1所述的一种采用2微米锁模高功率光纤激光器的激光加工系统，其特征在于：在2微米波长超短脉冲种子激光器和放大器之间及各级放大器之间设有法拉第光学隔离器。
5. 根据权利要求1所述的一种采用2微米锁模高功率光纤激光器的激光加工系统，其特征在于：所述光学处理系统(3)还包括振镜。
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2012
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