CN203012192U

CN203012192U - 光学系统及激光熔覆设备

Info

Publication number: CN203012192U
Application number: CN 201220722018
Authority: CN
Inventors: 扈金富; 余勤跃
Original assignee: WENZHOU FANBO LASER CO Ltd
Current assignee: WENZHOU FANBO LASER CO Ltd
Priority date: 2012-12-24
Filing date: 2012-12-24
Publication date: 2013-06-19
Anticipated expiration: 2022-12-24

Abstract

本实用新型实施例提供的一种光学系统，用于激光熔覆，包括：半导体模块组，包括至少两个半导体模块，用于产生激光光源；传输光纤组，包括至少两根光纤，光纤用于耦合传输所述激光；准直阵列，包括至少两个光学准直透镜，光学准直透镜准直经所述光纤的激光；聚焦透镜，用于聚焦准直后的激光；半导体模块、光纤及光学准直透镜数量相等，且分别沿激光的传播方向对应设置。该光学系统体积紧凑，经该光学系统形成的聚焦光斑能量分布均匀，提高了熔覆均匀性。另外，本实用新型还提供了一种激光熔覆设备。

Description

光学系统及激光熔覆设备

技术领域

本实用新型涉及激光熔覆的技术，尤其涉及一种光学系统及激光熔覆设备。

背景技术

激光诞生于上个世纪的60年代，经过50多年的发展，激光技术层出不穷，被广泛应用到科研、国防、通讯、医疗、工业制造、娱乐等领域。激光技术在不断地取代传统技术，不断地改善和丰富我们的生活。近些年来，科学技术快速更新，激光技术也发展迅速，应用范围愈加扩大。在工业加工制造方面，激光加工技术主要被应用于激光打标、激光焊接、激光切割、激光熔覆，激光快速成型、激光淬火等。

激光熔覆是指以一定的添料方式在被熔覆基体表面上添加涂层材料，经激光辐照使之和基体表面的一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低、与基体成冶金结合的表面涂层。激光熔覆能够显著改善基体表面的耐磨性、耐蚀性、耐热性、抗氧化性，从而达到表面改性或修复的目的，既满足了对材料表面特定性能的要求，又节约了大量的贵重元素。激光熔覆技术已成为新材料制备、金属零部件快速直接制造、失效金属零部件绿色再制造的重要手段之一，已广泛应用于航空、石油、汽车、机械制造、船舶制造、模具制造等行业，市场应用前景广阔。

现有的高功率半导体熔覆技术采用多个半导体模块作为激光光源，采用多条光纤耦合传输各个半导体模块，在多条光纤的出光端共用单个光学透镜或透镜组来准直半导体激光，最后用聚焦透镜来聚焦半导体激光。这种光学技术，准直前的光源为多点光源，即使对准直透镜和聚焦透镜进行优化设计，聚焦后的光斑仍然是由多点的小光斑合成的聚焦光斑。由于这几个小光斑不是叠加到同一个点上，小光斑与小光斑之间是存在微小的空隙的，聚焦光斑的能量分布不均匀，在激光加工的时候容易产生沙眼和气泡，造成不良品的增加或者增加后期处理的可能性和成本。

因此，有必要在现有熔覆设备中的光学系统基础上，设计一种熔覆光斑均匀的光学系统及其激光熔覆设备是目前亟待解决的问题。

实用新型内容

基于此，有必要针对上述熔覆设备中的光学系统存在的缺陷，提供一种熔覆均匀的光学系统。

一种光学系统，用于激光熔覆，其特征在于，包括：半导体模块组，包括至少两个半导体模块，用于产生激光光源；传输光纤组，包括至少两根光纤，所述光纤用于耦合传输所述激光；准直阵列，包括至少两个光学准直透镜，所述光学准直透镜准直经所述光纤的激光；及聚焦透镜，用于聚焦准直后的所述激光；所述半导体模块、光纤及光学准直透镜数量相等，且分别沿所述激光的传播方向对应设置。

在本实施例中，所述半导体模块、光纤及光学准直透镜的数量均为七个。

在本实施例中，所述半导体模块的功率为1500瓦，所述半导体模块产生激光波长为805~985纳米。

在本实施例中，所述光纤的直径为1毫米，数值孔径为0.22。

在本实施例中，所述准直透镜的入光面和出光面均镀有对所述激光高透射的介质膜。

在本实施例中，所述准直透镜在横切面上呈蜂窝式排列。

在本实施例中，所述光学准直透镜离所述光纤的距离为所述光学准直透镜的焦距。

在本实施例中，所述光学准直透镜由光学熔石英材料制成。

在本实施例中，所述聚焦透镜由单片光学透镜或多片光学透镜组成。

在本实施例中，所述聚焦透镜的入光面和出光面均镀有对激光高透射的介质膜。

在本实施例中，所述聚焦透镜由光学熔石英材料制成。

在本实施例中，所述聚焦透镜的焦距为250~400毫米。

另外，本实用新型还提供了一种激光熔覆设备，所述激光熔覆设备包括上述的光学系统

上述用于激光熔覆的光学系统，沿始于其光路的传输方向上依次设置所述半导体模块、光纤、光学准直透镜及聚焦透镜，且由于所述半导体模块、光纤及光学准直透镜数量相等，所述半导体模块产生的激光分别依次经对应的光纤、光学准直透镜传输后，由所述聚焦透镜聚焦形成聚焦光斑。该光学系统体积紧凑，经该光学系统形成的聚焦光斑能量分布均匀，提高了熔覆均匀性。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的激光熔覆设备的光学系统的示意图；

图2为本实用新型实施例提供的准直阵列的结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的熔覆光斑能量分布轮廓图。

图标说明：

100光学系统 110半导体模块组

120传输光纤组 121光纤

130准直阵列 131光学准直透镜

140聚焦透镜

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型实施例提供的一种光学系统，用于激光熔覆，包括：半导体模块组，包括至少两个半导体模块，用于产生激光光源；传输光纤组，包括至少两根光纤，光纤用于耦合传输所述激光；准直阵列，包括至少两个光学准直透镜，光学准直透镜准直经所述光纤的激光；及聚焦透镜，用于聚焦准直后的激光；半导体模块、光纤及光学准直透镜数量相等，且分别沿激光的传播方向对应设置。

本实用新型实施例还提供了一种包括上述光学系统的激光熔覆设备。

本实用新型实施例提供的光学系统体积紧凑，经该光学系统形成的聚焦光斑能量分布均匀，提高了熔覆均匀性。

请参阅图1，图1为本实施例提供的光学系统的示意图。

用于激光熔覆的光学系统100包括半导体模块组110、传输光纤组120、准直阵列130及聚焦透镜140。

半导体模块组110包括至少两个半导体模块（图未示）。半导体模块组110用于为激光熔覆提供激光光源。在实施例中，半导体模块内均包括激光二极管阵列及相关的空间耦合激光二极管阵列用的准直光学元件及聚焦光学元件。由于半导体模块组110不含CO₂激光器、YAG激光器等这些体积较大的器件，使得半导体模块组110具有体积紧凑的特点。在实施例中，半导体模块优选为七个，其中，每个半导体模块的功率为1500瓦，每个半导体模块产生激光波长为805~985纳米。可以理解，根据实际应用的需要，半导体模块组110的功率可以集成到万瓦级，这样可以熔覆更深的基体材料，具有更深的熔覆深度。

传输光纤组120包括至少两根光纤121。光纤121用于耦合传输激光。在本实施例中，光纤121的数量与半导体模块的数量相等，每个半导体模块产生的激光分别由对应的光纤121耦合传输。在本实用新型提供的实施例中，光纤121的数量优选为七根，其中，每根光纤的直径为1毫米，数值孔径为0.22。可以理解，光纤121的纤芯大小、数值孔径以及长度均可以由实际应用要求确定。在本实用新型中，光纤121优选为阶跃型光纤。

准直阵列130包括至少两个光学准直透镜131，光学准直透镜131准直经光纤121耦合传输的半导体激光。在实施例中，光学准直透镜131的数量与半导体模块的数量相等。可以理解，经光纤121耦合传输的半导体激光分别经对应的光学准直透镜131一一准直。请参阅图2，为本实用新型实施例提供的准直阵列130的结构示意图，光学准直透镜131优选为七个，且横切面为蜂窝式排列，外围的六个光学准直透镜131的圆心形成一个正六边形，而中间的一个光学准直透镜131与外围的六个光学准直透镜131形成内切，这种排列方式紧凑。在实施例中，准直透镜131的入光面和出光面均镀有对激光高透射的介质膜，这样减少了对激光的插入损耗；且准直透镜131的材料优选为光学熔石英，有利于高功率激光的传输。在实施例中，光学准直透镜131离光纤121的距离优选为光学准直透镜131的焦距，这样能够获得更好的准直效果，可以理解，具体工程应用时，该距离可稍加微调。

聚焦透镜140用于聚焦经准直阵列130准直后的激光。可以理解，由七个光学准直透镜131准直后的准直光斑被聚焦透镜140聚焦后，叠加形成一个聚焦光斑，通过对聚焦透镜140进行光学设计能够形成一个能量分布比较均匀的聚焦光斑，提高了熔覆的均匀性。在本实施例中，聚焦透镜140由单片光学透镜或多片光学透镜组成，可以理解，为了获得均匀的熔覆光斑，聚焦透镜140可根据实际要求和像差大小选用单片或多片光学透镜；聚焦透镜140的入光面和出光面均镀有对激光高透射的介质膜，减少了激光的反射损耗；聚焦透镜140由光学熔石英材料制成，利于高功率激光的聚焦；为获得直径大的熔覆光斑，聚焦透镜140焦距优选为250-400毫米。

以下结合具体实施例对本实用新型提供的光学系统的技术方案进行进一步说明。

实施例

本实施例中的半导体模块组110包含七个半导体模块，每个半导体模块的最高功率为1500瓦，半导体的波长为805-985纳米。传输光纤组120包含七根阶跃型传输光纤121，阶跃型传输光纤121的芯径为1毫米，数值孔径为0.22。准直阵列130由七个熔石英光学准直透镜131组成，这七个光学准直透镜131呈蜂窝式排列，光学准直透镜131的直径为38毫米，焦距为120毫米，光学准直透镜131的进光端和出光端都镀有对半导体激光高透射的介质膜。聚焦透镜140材料为熔石英，焦距为250毫米，进光端和出光端都镀有对半导体激光高透射的介质膜。

请参阅图3，为上述实施例提供的熔覆光斑能量分布轮廓图。其中横坐标为熔覆光斑的半径，纵坐标为激光光强。从图3中看出，该能量分布呈超高斯分布，熔覆光斑均匀程度高。

另外，本实用新型还提供了一种包括上述光学系统的激光熔覆设备。

上述用于激光熔覆的光学系统，沿始于其光路的传输方向上依次设置半导体模块、光纤、光学准直透镜及聚焦透镜，且半导体模块、光纤及光学准直透镜数量相等，半导体模块产生的激光分别依次经对应的光纤及光学准直透镜传输后，由聚焦透镜聚焦形成聚焦光斑。该光学系统体积紧凑，经该光学系统形成的聚焦光斑能量分布均匀，提高了熔覆均匀性，减少了不良品的产生。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案内容，依据本实用新型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，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims

1.一种光学系统，用于激光熔覆，其特征在于，包括：

半导体模块组，包括至少两个半导体模块，用于产生激光光源；

传输光纤组，包括至少两根光纤，所述光纤用于耦合传输所述激光；

准直阵列，包括至少两个光学准直透镜，所述光学准直透镜准直经所述光纤的激光；及

聚焦透镜，用于聚焦准直后的所述激光；

所述半导体模块、光纤及光学准直透镜数量相等，且分别沿所述激光的传播方向对应设置。

2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述半导体模块、光纤及光学准直透镜的数量均为七个。

3.根据权利要求2所述的光学系统，其特征在于，所述半导体模块的功率为1500瓦，所述半导体模块产生激光波长为805~985纳米。

4.根据权利要求2所述的光学系统，其特征在于，所述光纤的直径为1毫米，数值孔径为0.22。

5.根据权利要求2所述的光学系统，其特征在于，所述准直透镜的入光面和出光面均镀有对所述激光高透射的介质膜。

6.根据权利要求2所述的光学系统，其特征在于，所述准直透镜在横切面上呈蜂窝式排列。

7.根据权利要求2所述的光学系统，其特征在于，所述光学准直透镜离所述光纤的距离为所述光学准直透镜的焦距。

8.根据权利要求2所述的光学系统，其特征在于，所述光学准直透镜由光学熔石英材料制成。

9.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述聚焦透镜由单片光学透镜或多片光学透镜组成。

10.根据权利要求10所述的光学系统，其特征在于，所述聚焦透镜的入光面和出光面均镀有对激光高透射的介质膜。

11.根据权利要求10所述的光学系统，其特征在于，所述聚焦透镜由光学熔石英材料制成。

12.根据权利要求10所述的光学系统，其特征在于，所述聚焦透镜的焦距为250~400毫米。

13.一种激光熔覆设备，其特征在于，包括权利要求1~12任一项所述的光学系统。