CN203031123U - 采用2微米调q脉冲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微米调Q脉冲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，所述控制系统连接控制激光光源光纤放大系统或光学处理系统，所述激光光源为2微米波长调Q脉冲光纤激光器，所述光纤放大系统包括掺铥掺钬或光纤放大器,光学处理系统包括准直和聚焦系统，2微米波长调Q脉冲光纤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。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，在材料与仪器、器件的打标，激光微机械加工等工业领域有着十分广泛的应用。
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微米调Q脉冲高功率光纤激光器的激光加工系统。
背景技术
具有纳秒量级脉冲宽度的短脉冲高功率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，而纳秒量级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。相比采用超短脉冲激光的激光加工方法和系统，采用纳秒量级脉宽脉冲激光光源的精密激光加工系统造价更为低廉，技术更为简单。现有的用于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CN1638913A公开的一种激光加工方法；中国发明专利申请CN1674765A公开的一种UV激光钻孔方法；中国发明专利CN101332541A公开的一种金属表面的短脉冲激光清洗方法等。
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微米具有纳秒量级短脉冲宽度的激光光源主要是调Q固体激光器产生的，由于目前这些2微米高功率激光光源存在着稳定性与可靠性差、昂贵、需要复杂的维护等缺点，所以使得2微米波长高功率纳秒量级短脉冲宽度激光器在工业精密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微米调Q脉冲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微米调Q脉冲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，所述控制系统连接控制激光光源,光纤放大系统或光学处理系统，所述激光光源为2微米波长调Q脉冲光纤激光器，所述光纤放大系统包括稀土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微米波长调Q脉冲光纤激光器作为光纤放大系统的种子激光光源，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。所述稀土掺杂的高功率光纤放大器为掺铥或掺钬或铥/钬混和掺杂的高功率光纤放大器。
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，2微米波长调Q脉冲光纤激光器的平均功率为几十到上百瓦，脉宽为几个纳秒到几百纳秒，放大后的激光脉冲产生的峰值激光功率大于10千瓦，输出脉冲激光能量大于50微焦，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微米波长调Q脉冲光纤激光器由基于稀土掺杂增益光纤、泵浦激光器、泵浦/信号合束器、采用光纤耦合的电光调制器或声光调制器、光纤光栅对腔体反射镜组成，所述稀土掺杂增益光纤的芯径为4到40微米，数值孔径为0.02到0.30，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。所述稀土掺杂增益光纤为掺铥或掺钬或铥/钬混和掺杂增益光纤。
上述技术方案中，采用0.1到30瓦的高功率半导体激光器泵浦，通过恰当调节腔内声光或电光调制器Q开关的门宽，该调Q脉冲光纤激光器可以稳定地工作在0.5纳秒到几百纳秒脉冲宽度、光脉冲重复频率可以从1赫兹调到几兆赫兹。
上述技术方案中，所述光纤放大系统由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稀土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，数值孔径为0.1到0.8，长度为0.1米到10米，泵浦激光器为0.1到500瓦的高功率半导体激光器。
上述技术方案中，在2微米波长调Q脉冲光纤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，可在0.5纳秒到几百纳秒量级短脉冲工作，输出脉冲峰值激光功率大于10千瓦, 输出脉冲激光能量大于50微焦，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．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，特别是许多生物有机材料和含OH-的材料加工，并且该波长对人眼安全，绿色环保。
3．对材料加工，有时低重复率是必要的，有时需要高重复率，本实用新型光脉冲重复频率可以从1赫兹调到几兆赫兹，适用性广。
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微米波长的调Q脉冲光纤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微米调Q脉冲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，所述激光光源1为2微米波长调Q脉冲光纤激光器，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，有时还包括振镜，2微米波长调Q脉冲光纤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后，导向至加工工件上。
其中激光光源采用2微米波长的调Q脉冲光纤激光器种子源，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或掺钬或铥/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单模波长复用方式泵浦（由泵浦/信号合束器1-5实现）；增益光纤采用2W的半导体激光器1-4 进行单面或双面包层泵浦，激光器的一端采用高反射率光纤光栅1-2形成激光器的一个谐振腔，谐振腔的另一端低反射率的光纤光栅1-6作为激光器的输出端口和激光器的另一个谐振腔，在输出光纤光栅1-6与增益光纤1-1之间有一个光纤耦合的声光或电光调制器1-3作为激光器的调Q 元件产生纳秒激光脉冲，通过恰当调节腔内声光或电光调制器的门宽，该调Q 短脉冲光纤激光器可以工作在稳定的不同重复频率和脉冲宽度下，并输出激光脉冲。光脉冲重复频率可以从1赫兹调到几兆赫兹。
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单模波长复用2-4方式泵浦；增益光纤采用20W的高功率半导体激光器2-3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，各级放大器高功率半导体泵浦激光器2-3的激光功率分别为3-20瓦、5-50瓦、 10-500瓦。经过多级放大器放大后产生的峰值激光功率大于10千瓦; 输出脉冲激光能量大于50微焦。 在2微米波长的调Q 短脉冲光纤激光器种子源和与高功率激光光纤放大级之间和各高功率激光光纤放大级之间一般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毫米短焦距非球面透镜聚焦到加工工件上；振镜与控制系统是通过控制版与激光光源和加工工件连接，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微米调Q脉冲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)和光纤放大系统(2)，其特征在于：所述激光光源(1)为2微米波长调Q脉冲光纤激光器，所述光纤放大系统(2)包括高功率光纤放大器, 光学处理系统(3)包括准直和聚焦系统，2微米波长调Q脉冲光纤激光器作为光纤放大系统(2)的种子激光光源，光纤放大系统(2)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微米调Q脉冲高功率光纤激光器的激光加工系统，其特征在于：所述2微米波长调Q脉冲光纤激光器(1)由增益光纤、泵浦激光器、泵浦/信号合束器、采用光纤耦合的电光调制器或声光调制器、光纤光栅对腔体反射镜组成，所述增益光纤的芯径为4到40微米，数值孔径为0.02到0.30，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微米调Q脉冲高功率光纤激光器的激光加工系统，其特征在于：所述光纤放大系统(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，数值孔径为0.1到0.8，长度为0.1米到10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微米调Q脉冲高功率光纤激光器的激光加工系统，其特征在于：在2微米波长调Q脉冲光纤激光器(1)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微米调Q脉冲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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