CN211361033U - 一种多波长高功率激光加工系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例提供了一种多波长高功率激光加工系统，所述加工系统输出具有不同波长的复合激光，可以利用第一波长激光对工件表面进行预加热形成较为平滑的熔池，利用第二波长激光在工件表面经过预加热的区域形成匙孔，得到较大的熔深，加工效果好。不需要利用额外的复合焊接头将两种光束合起来，可以降低加工成本。并且由于第一波长激光和第二波长激光在同一光纤传输，对加工方向原理上并无要求，可以简化加工工艺。

Description

一种多波长高功率激光加工系统

技术领域

本实用新型涉及激光技术领域，特别是涉及一种多波长高功率激光加工系统。

背景技术

随着光纤及半导体激光器制造技术的快速发展，光纤及半导体激光器输出功率大幅度增加，利用单激光分束或者多个激光复合而成两束或者多束激光的复合加工技术可以为高质量精密加工提供了一个可行的解决方向。

一种现有方案中，使用两台激光设备，通过复合加工头将两台激光设备通过两根光纤输出的光束合成输出。由于需要两台激光设备以及用于合束的光学器件导致成本高居不下，也大大增加的整个系统的光学及控制的复杂性而导致可靠性隐患，而且也导致系统的尺寸的过大而限制了在一些特殊应用场景，削弱了复合激光柔性化加工能力。

实用新型内容

鉴于上述问题，提出了本实用新型实施例以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种多波长高功率激光加工系统。

为了解决上述问题，本实用新型实施例公开了一种多波长高功率激光加工系统，

包括一多波长全光纤激光器、一单通道激光传能组件和一激光加工处理头；

所述多波长全光纤激光器沿同光轴输出至少一个第一波长激光和至少一个第二波长激光；

所述单通道激光传能组件包括一输出光纤和一激光输出头；

所述激光加工处理头设有单光纤接头，所述激光加工处理头的透过光谱覆盖所述多波长全光纤激光器输出的至少第一波长激光和第二波长激光的波长范围；

所述输出光纤与所述多波长全光纤激光器连接，所述激光加工处理头通过所述单光纤接头与所述激光输出头连接，所述单通道激光传能组件将所述所述第一波长激光和第二波长激光输出至所述激光加工处理头，所述激光加工处理头将所述第一波长激光和第二波长激光聚集至工件上。

可选地，还包括一与所述多波长全光纤激光器和及激光加工处理头中的至少一个连接的控制装置，所述控制装置根据获取的所述工件的材料参数和加工需求参数，控制所述第一波长激光和/或第二波长激光的功率值、离焦量以及位移量中的至少一种参数。

可选地，所述控制装置包括一与所述多波长全光纤激光器光源连接的功率调节模块，所述功率调节模块调整所述第一波长激光的功率值和/或所述第二波长激光的功率值，以调整聚焦到工件的光斑能量分布形态。

可选地，所述控制装置包括一与所述激光加工处理头连接的离焦量调节机构，所述离焦量调节机构调整所述第一波长激光和/或第二波长的离焦量，以调整聚焦到工件的光斑能量分布形态。

可选地，所述多波长全光纤激光器为单路输出激光，所述多波长全光纤激光器的光纤纤芯部分吸收激光器泵浦源输出的泵浦光，并放大转化为光纤激光传输出去形成第二波长激光，所述多波长全光纤激光器的光纤包层将未被纤芯吸收的泵浦光传输出去形成第一波长激光。

可选地，所述多波长全光纤激光器将所述光纤纤芯中放大后的光纤激光以及漏入纤芯的泵浦光传输出去形成第二波长激光，以及将光纤包层中未被吸收的泵浦光以及漏入包层的光纤激光传输出去形成第一波长激光，所述第一波长激光与所述第二波长激光系沿同一光轴单路输出的复合激光。

可选地，所述多波长全光纤激光器包括半导体激光泵浦光源，与所述半导体激光泵浦光源连接的有源光纤，设置在所述有源光纤两端构成谐振腔的光纤布拉格光栅（FiberBragg Grating，FBG），所述半导体激光泵浦光源包括至少一个泵浦光源和合束器，每个所述泵浦光源分别与所述合束器的输入光纤连接，所述合束器的输出光纤与一个所述光纤布拉格光栅连接。

所述多波长全光纤激光器包括半导体激光泵浦光源，与所述半导体激光泵浦光源连接的有源光纤，用于提供种子光的种子光源，所述半导体激光泵浦光源包括至少一个泵浦光源和合束器，每个所述泵浦光源和所述种子光源分别与所述合束器的输入光纤连接，所述合束器的输出光纤与所述有源光纤连接。

可选地，所述第一波长激光的中心波长为915nm，所述第二波长的中心波长为1080nm。

所述激光加工系统用于激光焊接或激光熔覆，所述激光焊接为激光连续焊接。

本实用新型实施例包括以下优点：

本实用新型实施例的激光加工系统，通过一多波长全光纤激光器、一单通道激光传能组件和一激光加工处理头，所述激光加工处理头通过所述单光纤接头与所述多波长全光纤激光器连接，用于将所述多波长全光纤激光器输出的多波长复合激光聚集至工件上。在实际焊接或熔覆加工过程中，可以利用第一波长激光对工件表面进行预加热形成较为平滑的熔池，利用第二波长激光在工件表面经过预加热的区域形成匙孔，得到较大的熔深，加工效果好。不需要利用额外的复合焊接头将两种光束合起来，可以降低加工成本。并且由于第一波长激光和第二波长激光在同一光纤传输，对加工方向原理上并无要求，可以简化加工工艺。

附图说明

图1是本实用新型的多波长高功率激光加工系统实施例的示意图；

图2是本实用新型实施例中激光器的结构图；

图3是实际状态下一种复合激光能量分布示意图；

图4是理想状态一种复合激光能量分布示意图；

图5是一种示例中激光器的结构图；

图6是另一种示例中激光器的结构图；

图7是另一种示例中激光器的结构图。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

参照图1，示出了本实用新型的多波长高功率激光加工系统结构示意图，具体可以包括一多波长全光纤激光器10、一单通道激光传能组件20和一激光加工处理头30；

所述多波长全光纤激光器10用于沿同光轴输出包括至少一个第一波长激光和至少一个第二波长激光的复合激光束；

所述单通道激光传能组件10包括一输出光纤和一激光输出头；

所述激光加工处理头30设有单光纤接头31，所述激光加工处理头30的透过光谱覆盖所述多波长全光纤激光器10输出的至少第一波长激光和第二波长激光的波长范围；

所述输出光纤20与所述多波长全光纤激光器10连接，所述激光加工处理头30通过所述单光纤接头31与所述激光输出头连接，所述单通道激光传能组件10将所述所述第一波长激光和第二波长激光输出至所述激光加工处理头30，所述激光加工处理头30将所述第一波长激光和第二波长激光聚集至工件上50。

多波长高功率激光加工系统还包括一与所述多波长全光纤激光器10和激光加工处理头30中的至少一个连接的控制装置40，在启动多波长高功率激光加工系统进行加工处理操作之前，所述控制装置40获取外部输入的所述工件的材料参数和加工需求参数，用以控制所述第一波长激光和/或第二波长激光的功率值、离焦量以及位移量中的至少一种参数，满足加工需求，在加工过程中，所述第一波长激光对工件表面进行预加热形成熔池，所述第二波长在所述工件表面经过预加热的区域形成匙孔。

在本实用新型实施例中，所述控制装置40还包括一空间定位机构，可以分别控制多波长全光纤激光器和加工头在X轴、Y轴、Z轴三个方向上的位移量，从而控制所述第一波长激光输出光斑和所述第二波长激光输出光斑的移动。

在本实用新型实施例中，所述控制装置40包括一与所述多波长全光纤激光器10连接的功率调节模块，所述功率调节模块调整所述第一波长激光的功率值和/或所述第二波长激光的功率值，以调整聚焦到工件的光斑能量分布形态。

在本实用新型实施例中，所述控制装置40还包括一与所述激光加工处理头30连接的离焦量调节机构，用于调整所述第一波长激光的离焦量以调整第一波长激光聚焦到工件的光斑轮廓和能量分布，或，调整所述第二波长的离焦量以调整第二波长聚焦到工件的光斑轮廓和能量分布。

在本实用新型实施例中，所述激光加工处理头30设有单光纤接头31，所述多波长全光纤激光器10通过所述单通道激光传能组件20与所述激光加工处理头30连接，以将第一波长激光和第二波长激光引导至所述工件50上。

由于第一波长激光和第二波长激光都在一根光纤传输，因此只需要单光纤接头31就可以将第一波长激光和第二波长激光适配到激光加工处理头30。相比现有技术中两种波长的光束在两根光纤传输，需要双光纤接头适配激光加工处理头的方案，成本更低。

在本实用新型实施例中，激光加工系统可以用于激光焊接或激光熔覆，由于采用了多波长全光纤激光器，激光输出功率高，可以实现激光连续焊接，激光连续焊接是区别于点焊的加工方式，激光加工系统可以连续输出激光对工件进行加工，其焊接机理是基于小孔效应的深熔焊，深宽比大，可达到5：1以上，焊接速度快，热变形小。

本实用新型实施例的激光加工系统，利用多波长全光纤激光器沿同一光轴输出第一波长激光和第二波长激光的光学特性，可以利用第一波长激光对工件表面进行预加热形成较为平滑的熔池，利用第二波长激光在工件表面经过预加热的区域形成匙孔，得到较大的熔深。

多波长全光纤激光器和单通道激光传能组件可以构成一个独立的激光器结构，后续以激光器结构来叙述本申请的具体实施方式。

本实用新型实施例中，多波长全光纤激光器10采用半导体激光泵浦光源，所述多波长全光纤激光器用于将光纤包层中未被吸收的泵浦光以及漏入包层的光纤激光传输出去形成第一波长激光，以及将所述光纤纤芯中放大后的光纤激光以及漏入纤芯的泵浦光传输出去形成第二波长。具体的，所述多波长全光纤激光器包括一有源光纤，所述有源光纤的纤芯用于部分吸收泵浦光，对光纤激光进行放大，所述有源光纤的纤芯用于传输光纤激光，所述有源光纤的包层用于传输未被吸收的泵浦光，将所述有源光纤输出的光束传输出去，得到具有第一波长激光和第二波长激光的复合激光。相比现有技术中通过两个激光模块生成两种波长光束的方案，本实用新型实施例通过激光器生成第一波长激光和第二波长激光，成本更低。

参照图2，示出了本实用新型的一种多波长全光纤激光器实施例一的结构图，具体可以包括：

半导体激光泵浦光源1，与所述半导体激光泵浦光源1电连接的功率调节模块6，与所述半导体激光泵浦光源连接的有源光纤2以及与所述有源光纤连接的单通道激光传能组件3；

所述半导体激光泵浦光源1用于提供泵浦光；

所述有源光纤2的纤芯用于部分吸收半导体激光泵浦光源输出的泵浦光。其中，所述有源光纤2的纤芯外的覆盖包层用于传输未能被纤芯中的增益元素所吸收的泵浦光；所述单通道激光传能组件3用于传输所述有源光纤2输出的多波长激光束。

所述功率调节模块6用来控制半导体激光泵浦光源1输出的泵浦激光的输出功率，并通过单通道激光传能组件3在外部工件上形成具有多种能量分布形态的复合光斑。所述功率调节模块6与所述高功率激光加工系统的控制装置40连接，所述控制装置40通过所述功率调节模块6实现对激光器输出激光的功率调节。具体的，功率调节模块6通过电平信号组合来控制泵浦光源的开关和设置各个泵浦光源的电流，电流大小与泵浦光输出功率呈一定的线性关系，从而控制泵浦光源的输出功率，例如，功率调节模块通过电平信号组合控制部分泵浦光源11的打开或关闭，或者增大或减小泵浦光源11的电流来增大或减小输出的泵浦光功率。

本实用新型实施例公开了一种激光器内部的器件通过光纤连接，或自带光纤进行连接的多波长全光纤激光器。相比于现有的光纤激光器中有源光纤长度一般在20-50米之间，本实用新型实施例中采用了更短的有源光纤长度。本实用新型实施例中，有源光纤2的长度范围可以介于0-20米之间。在一种示例中，有源光纤2的长度可以小于20米。在另一种示例中，有源光纤2的长度可以小于10米。在另一种示例中，所述有源光纤的长度范围为0-10米之间。

本实用新型实施例中，有源光纤包括一纤芯和覆盖在纤芯上的双层或多层外包层部分。

本实用新型实施例中，一方面，所述有源光纤2的纤芯传输光纤激光，另一方面，所述有源光纤2的纤芯还可以传输自外包层漏到纤芯的泵浦光，这种漏到纤芯的泵浦光数量极少，不超过泵源光总量的5%。

本实用新型实施例中，有源光纤的包层部分主要用于传输半导体激光泵浦光源输出未被纤芯吸收的的泵浦光，同时也传输自纤芯漏出的少量的光纤激光，所述自纤芯漏出的光纤激光数量不超过光纤激光输出量的5%。

在一种示例中，泵浦光和光纤激光的波长不同，光纤激光的中心波长可以为1010-2160nm，泵浦光的中心波长可以为910-1650nm，波长带宽范围为0.5nm到20nm。

在另一种示例中，光纤激光的中心波长可以为1080nm，泵浦光的中心波长可以为915nm，波长带宽范围为0.5nm到20nm。

采用不同的型号的有源光纤，采用同样的原理，可以产生不同的光纤激光波长的复合光斑，对应关系可以参考表1。

表1 有源光纤型号、泵浦波长和光纤激光波长对应关系表

本实用新型实施例中，泵浦光和光纤激光始终保持在单一光纤中传输，因此使得光纤的纤芯和外包层的能量传输形成一种类似由中心的一点以及围绕中心的一个或多个圆环的形状构成的能量分布模式。在一种示例中，中心部分的激光横截面除了呈点状外，也可以呈现出方形、圆形或类圆形的形状分布。

一种典型的符合上述能量分布的多波长复合光斑形状为帽型凸起，如图3所示为实际状态下一种复合波长激光束能量分布示意图。外沿环形部分激光即第一波长激光的能量分布呈现出一种在圆形区域内有几乎一致通量（能量密度）的激光光束分布，中心部分激光即第二波长激光的能量分布则呈高斯分布或类高斯形态分布。

如图4所示为理想状态一种复合波长激光束能量分布示意图。复合波长激光束包括中心部分激光即第二波长激光和外沿环形部分激光即第一波长激光，中心部分激光约95%比例是自有源光纤2的纤芯输出的高亮度光纤激光。在实际中，自有源光纤2的外部包层漏出的泵浦光也有可能进入到纤芯，这部分漏入的泵浦光占了总体比例不超过5%。围绕中心激光的外沿激光呈环状分布，外沿环形激光主要是来自有源光纤2的外部包层传输的未被增益介质所吸收的泵浦光，在实际应用操作中，自有源光纤2的纤芯向外部泄漏的光纤激光也可能传输到包层，但这部分所占的比例不超过5%。

如图3和图4示出了不同能量分布形态的复合波长激光束光斑输出。现有技术激光器一般输出的光斑能量分布为一个呈高斯分布的光斑，类似于图3中的中心部分激光能量分布，其不包括外沿环形部分激光。而本实施例中的复合波长激光束光斑包括外沿环形部分激光和中心部分激光，外沿环形部分激光包括没有被有源光纤吸收的泵浦光，中心部分激光包括光纤激光。且外沿环形部分激光和中心部分激光的能量比例可调，如可以设置外沿环形部分激光能量大于、小于或等于中心部分激光。如图4所示的复合波长激光束光斑中，中心部分激光能量大于外沿环形部分激光能量，这样就形成了一种能量分布形态的多波长复合激光束。在其他实施例中，中心部分激光能量小于外沿环形部分激光能量，这样就形成了另一种能量分布形态的多波长复合激光束。在其他实施例中，中心部分激光能量大于外沿环形部分激光能量，但是该实施例中的中心部分激光能量和外沿环形部分激光能量均大于图4中的中心部分激光能量和外沿环形部分激光能量，这样也形成了一种能量分布形态的多波长复合激光束。

外沿环形激光与中心部分激光相比，因为绝大部分激光没有经过增益放大，从肉眼观察即可发现外沿环形激光亮度低于中心部分激光亮度，通过测量也可以发现，外沿激光的功率密度也低于中心部分激光，当采用的激光器功率大于4000W时，外沿环形部分激光的光功率密度大致为0.5-3MW/cm²，而中心部分激光的光功率密度可以达到100-400MW/cm²。

在现有的普通光纤激光器中，为了得到尽可能多的高亮度光纤激光，有源光纤的吸收率一般为20dB，以实现尽可能多吸收泵浦光（一般对泵浦光的吸收率达到了99%），并将其转化为更多的光纤激光。在激光器中还设置有连接于有源光纤与单通道激光传能组件之间的剥离器，包层中没有被吸收的泵浦光以及纤芯泄漏至包层的光纤激光被剥离器损耗掉，以使经过剥离器的光纤只在纤芯中传输非常干净的光纤激光，所形成的光斑一般为类高斯光形状。

本实用新型实施例中，泵浦光首先进入有源光纤的包层，泵浦光在包层内多次反射穿过掺杂纤芯，纤芯中的掺杂元素就能吸收泵浦光了。本实施例的有源光纤的纤芯对泵浦光的吸收率较低，只会部分吸收泵浦光，没有被吸收的泵浦光继续在包层中传输，而被吸收的泵浦光经吸收放大后产生光纤激光，光纤激光在纤芯中实现全反射传输，未被所述纤芯吸收的剩余部分泵浦光和光纤激光按照各自的传输路径进行传输，最终实现泵浦光和光纤激光的分离和同时输出。由于泵浦光和光纤激光的亮度、功率密度和波长等多种参数不同，在后续应用中可实现一种激光器同时输出两种不同参数的光束，丰富激光的应用。

本实用新型实施例中，需要保留一定的泵浦光不被吸收，有源光纤的吸收率需要进行特定的设置，以达到控制泵浦光转化为光纤激光的设定比例。在一种示例中，有源光纤2的吸收率可以设置为小于20dB，在一种示例中，有源光纤2的吸收率可以设置为小于12dB。在另一种示例中，有源光纤2的吸收率可以设置为小于7dB，甚至小于5dB，更甚至小于3dB。

另一种可以帮助保留更多泵浦光的方式是，激光器不再专门设置用于剥离包层中没有被吸收的泵浦光和漏出在纤芯外的光纤激光的剥离器，从而使得更多的泵浦光能够在包层中传输，形成输出复合激光束的外沿环形激光。

在本实用新型实施例中，有源光纤2的纤芯中的激光功率与有源光纤2的包层中的激光功率的比例可通过有源光纤2对泵浦光的吸收率进行设定。然而，在实际应用操作中，由于有源光纤参数是固定的，一旦采用设定的有源光纤型号，激光功率的调整主要通过调整泵浦光出光功率或光纤激光出光功率来分别实现对多波长复合激光束中心部分激光的功率调节和环形激光的功率调节，从而增大或减小中心部分激光的出光功率和外沿部分激光的出光功率。

相比于现有技术中功率调整是受其他参数影响且不连续，本实用新型实施例中的功率调整是独立而连续的。在一个示例中，对于单谐振腔激光器，对泵浦光功率的输出可调范围为0-100%。对于主控振荡器的功率放大器（Master Oscillator Power-Amplifier，MOPA）激光器来说，可以独立地调整泵浦光输出功率和种子光输出功率，对泵浦光功率的输出百分比达到0-100%可调，对种子光输出功率的输出百分比达到0-100%可调。例如，可以独立地调整泵浦光输出功率的输出百分比为20%，种子光输出功率的输出百分比为64%。

本实用新型实施例中，所述多波长光纤激光器还包括一反射光监控系统，可用于监控同时自待加工件上反射回来的光纤激光和泵浦光的反射功率。在一个示例中，通过在激光输出头一端设置光电探测器（Photodetector，PD），用于监控光纤激光和泵浦光的反射功率，并将监测到的信息返回到一控制单元，该控制单元可以根据PD信号大小控制激光器的开关，以保护激光器。

本实用新型实施例中，单通道激光传能组件3包括一输出光纤和与所述输出光纤连接的一激光输出头，所述输出光纤为双包层或多包层结构的单通道光纤，对应的激光输出头为单光纤输出头。

本实用新型实施例中，输出光纤的包层用于传输有源光纤2中未被吸收的泵浦光，输出光纤的纤芯用于传输有源光纤2中的光纤激光。

本实用新型实施例中，输出光纤的包层用于传输有源光纤2中未被吸收的泵浦光以及漏入包层的光纤激光，输出光纤的纤芯用于传输有源光纤2中的光纤激光以及漏入纤芯的泵浦光。

在本实用新型实施例中，如图5和图6所示，半导体激光泵浦光源1可以包括多个泵浦光源11和合束器12。多波长全光纤激光器还可以包括：连接于有源光纤2与单通道激光传能组件3之间的第二光纤4，以及连接于合束器12与有源光纤2之间的第三光纤5。

第二光纤4和第三光纤5可以为双包层或多包层光纤，第二光纤4与有源光纤2和单通道激光传能组件3的输出光纤匹配。具体的，第二光纤4的纤芯可以用于传输光纤激光，第二光纤4的包层可以用于传输未被吸收的泵浦光。具体的，第二光纤4的纤芯还用于传输漏入纤芯的泵浦光，第二光纤4的包层还用于传输漏入包层的光纤激光。

在本实用新型实施例中，复合波长激光束的外沿环形部分激光的光斑形状和光斑大小与第二光纤4和单通道激光传能组件3中的输出光纤的包层直径和数值孔径（Numerical Aperture，NA），以及合束器参数有关。

合束器参数是指合束器的工艺参数，合束器在制作时，根据所要连接的输入光纤和输出光纤来制作，针对所要连接的输入光纤和输出光纤设置制作工艺参数。在本实用新型实施例中，合束器参数可以根据连接泵浦光源的输入光纤和第三光纤5来设定，因此第三光纤5对激光器输出激光的影响，可以归结到合束器参数，合束器参数可以包括泵浦光源的输入光纤的参数和第三光纤5的参数。

在实际中，可以根据实际需要，设置第二光纤4的包层直径、数值孔径NA和合束器参数以及输出光纤参数，从而设置激光器输出的复合波长激光束的外沿环形部分激光的光斑参数。第二光纤4可以与第三光纤5设置相同的光纤参数。

在本实用新型实施例中，所述多波长全光纤激光器还可以包括与半导体激光泵浦光源连接的功率调节模块6，所述功率调节模块6用于控制泵浦光的输出功率，以形成不同能量分布形态的复合波长激光束光斑输出。所述功率调节模块6与所述高功率激光加工系统的控制装置40连接，所述控制装置40根据接收到的外部加工指令，通过所述功率调节模块6控制泵浦光的输出功率，从而控制具有不同能量分布形态的复合波长激光光斑的输出。如图2和图3示出了不同能量分布形态的复合波长激光束光斑输出。现有技术激光器一般输出的光斑能量分布一个为呈高斯分布的光斑，类似于图2中的中心部分激光能量分布，不包括外沿环形部分激光。而本实施例中的复合波长激光束光斑包括外沿环形部分激光和中心部分激光，且外沿环形部分激光和中心部分激光的能量比例可调，如可以设置外沿环形部分激光能量大于、小于或等于中心部分激光，具体可以通过调节环形部分激光和中心部分激光功率大小实现。如图3所示的复合波长激光束光斑中，中心部分激光能量大于外沿环形部分激光能量，这样就形成了不同能量分布形态的多波长复合激光束。

例如，如图5所示，半导体激光泵浦光源1包括多个泵浦光源11（图中示出了2个泵浦光源），功率调节模块6可以分别与各个泵浦光源11连接，可以分别控制各个泵浦光源11输出的泵浦光功率。具体的，功率调节模块6通过电平信号组合来控制泵浦光源的开关和设置各个泵浦光源的电流，电流大小与泵浦光输出功率呈一定的线性关系，从而控制泵浦光源的输出功率，例如，功率调节模块控制部分泵浦光源11打开或关闭，或者增大或减小泵浦光源11的来增大或减小输出的泵浦光功率。

本实用新型实施例的一种示例中，多波长全光纤激光器还可以包括：设置在所述有源光纤两端构成谐振腔的光纤布拉格光栅FBG7。参照图6所示为一种示例中激光器的结构图。

其中，半导体激光泵浦光源1可以包括多个泵浦光源11和合束器12。

合束器12可以为高功率的N+1：1合束器，包括多个输入光纤和一个输出光纤，每个泵浦光源11可以与一个输入光纤连接，由合束器12将多个泵浦光源输出的泵浦光耦合并从输出光纤输出。

泵浦光源11可以为半导体泵浦光源，也可以为任何光纤输出的激光光源。例如，多个泵浦光源11可以包括半导体激光、直接半导体激光和短波长光纤激光中的至少一种。如多个泵浦光源11可以都是半导体激光，或者部分泵浦光源可以为直接半导体激光，剩余部分泵浦光源可以为短波长光纤激光。可以根据实际需要设置泵浦光源的种类。

多个泵浦光源11可以为相同波长的泵浦光源，也可以为不同波长的泵浦光源。使用不同波长的泵浦光源11，可以生成不同波长组合的多波长复合激光束。

光纤布拉格光栅FBG7可以包括高反射器（High Reflector，HR） FBG和输出耦合器（Out Coupler，OC）FBG，HR FBG设置在半导体激光泵浦光源1的合束器12与有源光纤2之间，OC FBG设置在有源光纤2与单通道激光传能组件3之间，HR FBG和OC FBG构成谐振腔。光纤布拉格光栅是光纤纤芯中折射率按照周期变化形成的光纤型元件，这两个光纤布拉格光栅构成的谐振腔，纤芯中的掺杂元素部分吸收泵浦光后，发出的辐射激光在谐振腔来回反射，谐振腔选择选择频率一定、方向一致的光不断往返运行产生振荡，运行时不断与受激粒子相遇而产生受激辐射，沿轴线运行的光子将不断增殖，而将不需要的频率和方向的光进行抑制，很快逸出谐振腔腔外，不再与掺杂元素接触。泵浦光在谐振腔中传输，一部分被有源光纤2吸收，从而生成光纤激光，另一部分从谐振腔中输出。单通道激光传能组件3将从谐振腔中输出的激光输出。

具体来说，图6中，每个泵浦光源11输出泵浦光，经过合束器12耦合后输出至谐振腔中的有源光纤2的包层中，泵浦光在包层内多次反射穿过掺杂纤芯，有源光纤的纤芯吸收部分泵浦光，没有被吸收的泵浦光继续在包层中传输，而被吸收的泵浦光经吸收放大后产生辐射激光，辐射激光在纤芯中实现全反射传输，经过谐振腔作用后，从纤芯输出光纤激光至单通道激光传能组件，没有被吸收的泵浦光从包层输出至单通道激光传能组件。

本实用新型实施例的另一种示例中，多波长全光纤激光器还可以包括：用于提供种子光的种子光源。含有种子光源的激光器可以称为MOPA激光器。

参照图7所示为另一种示例中MOPA激光器的结构图。种子光源8输出的种子光和半导体激光泵浦光源1输出的泵浦光传耦合输到有源光纤2，有源光纤2的纤芯部分吸收泵浦光并对种子光进行放大，生成光纤激光。

在该示例中，每个泵浦光源11和种子光源8可以分别与合束器12的一个输入光纤连接，由合束器12将多个泵浦光源输出的泵浦光和种子光源8输出的种子光耦合，并从合束器12的输出光纤输出。

可以通过有源光纤2接收从合束器12的输出光纤输出的泵浦光和种子光，由有源光纤2的纤芯部分吸收泵浦光并对种子光进行放大。

具体来说，图7中，每个泵浦光源11输出泵浦光，种子光源8输出种子光，泵浦光和种子光经过合束器12耦合后，输入至有源光纤2中，其中，泵浦光输入至有源光纤的包层中，种子光输入至有源光纤的纤芯中，泵浦光在包层内多次反射穿过掺杂纤芯，有源光纤的纤芯吸收部分泵浦光并对种子光进行放大产生光纤激光，光纤激光在纤芯中实现全反射传输，没有被吸收的泵浦光继续在包层中传输。光纤激光从纤芯输出至单通道激光传能组件，没有被吸收的泵浦光从包层输出至激光传能组件。

在一种MOPA激光器可选实施方式中，有源光纤的长度可以设置为0，即形成将光纤激光和泵浦光直接用合束器集成输出的结构，通过输出光纤和合束器不同的匹配来选择最终的光斑输出特性。

种子光源8可以包括单谐振腔光纤激光器，或光纤耦合的薄片激光器，或二极管泵浦固体激光器（例如钇铝石榴石晶体（Neodymium-doped Yttrium Aluminium Garnet，Nd-YAG）激光器），或半导体激光器。

在该示例中，所述激光器还包括与种子光源连接的功率调节模块9，所述功率调节模块9用于调节种子光源的输出功率，以形成不同能量分布形态的复合波长激光束光斑输出。

在该示例中，与种子光源8连接的功率调节模块9和与泵浦光源连接的功率调节模块6可以是同一个功率调节模块，也可以是不同的功率调节模块。

在该示例中，复合波长激光束中心部分激光的波长和边沿部分激光的波长，可以根据种子光源8的波长、泵浦光源11的波长和有源光纤2的掺杂元素设置。

复合波长激光束中心部分激光的功率，与种子光源功率、泵浦功率和有源光纤参数（包括芯径、数值孔径NA、吸收率，掺杂物质，长度）有关。

在实际使用激光器时，由于有源光纤参数是固定的，可以通过独立且连续的调整种子光源功率或泵浦功率来调整中心部分激光的功率和外沿部分激光的功率，从而形成不同能量分布形态的光斑输出。

本实用新型实施例中，所述激光器还包括指示光源，如红光指示光源。所述指示光源与合束器连接，用于将红光耦合后输出，用于指示光斑位置。

本实用新型实施例中，所述有源光纤以及其他光纤（除泵浦源与合束器质之间的光纤）包括纤芯、内包层和外包层。所述纤芯的折射率比所述内包层的折射率至少高10%，且所述内包层的折射率比所述外包层的折射率至少高10%。

本实用新型实施例中，所述有源光纤以及其他光纤（除泵浦源与合束器质之间的光纤）的纤芯直径大于20微米。可选的，纤芯直径为大于20微米小于400微米。

本实用新型实施例中，所述有源光纤以及其他光纤（除泵浦源与合束器质之间的光纤）的内包层直径大于400微米。

本实用新型实施例中，所述有源光纤以及其他光纤（除泵浦源与合束器质之间的光纤）的外包层直径大于440微米。

本实用新型实施例中，由于部分泵浦激光没有被吸收，而是直接作为最终加工用激光自有源光纤包层中输出，同时包层中也有部分光纤激光自有源光纤的纤芯中逸出，也可以作为最终加工用激光被直接利用。相较于现有的光纤激光器插墙效率仅为30%-40%，本实施例中的多波长全光纤激光器插墙效率可以达到50%-85%，光电转换效率远大于传统的光纤激光器，同时融合了直接半导体激光和光纤激光器的优点，却不需要再另外配置一个独立的半导体激光器模块。

尽管已描述了本实用新型实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本实用新型实施例范围的所有变更和修改。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

以上对本实用新型所提供的一种多波长高功率激光加工系统，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (10)

1.一种多波长高功率激光加工系统，其特征在于，包括一多波长全光纤激光器、一单通道激光传能组件和一激光加工处理头；

所述多波长全光纤激光器沿同光轴输出至少一个第一波长激光和至少一个第二波长激光；

所述单通道激光传能组件包括一输出光纤和一激光输出头；

所述激光加工处理头设有单光纤接头，所述激光加工处理头的透过光谱覆盖所述多波长全光纤激光器输出的至少第一波长激光和第二波长激光的波长范围；

所述输出光纤与所述多波长全光纤激光器连接，所述激光加工处理头通过所述单光纤接头与所述激光输出头连接，所述单通道激光传能组件将所述第一波长激光和第二波长激光输出至所述激光加工处理头，所述激光加工处理头将所述第一波长激光和第二波长激光聚集至工件上。

2.根据权利要求1所述的多波长高功率激光加工系统，其特征在于，还包括一与所述多波长全光纤激光器和激光加工处理头中的至少一个连接的控制装置，所述控制装置根据获取的所述工件的材料参数和加工需求参数，控制所述第一波长激光和/或第二波长激光的功率值、离焦量以及位移量中的至少一种参数。

3.根据权利要求2所述的多波长高功率激光加工系统，其特征在于，所述控制装置包括一与所述多波长全光纤激光器连接的功率调节模块，所述功率调节模块调整所述第一波长激光的功率值和/或所述第二波长激光的功率值，以调整聚焦到工件的光斑能量分布形态。

4.根据权利要求2所述的多波长高功率激光加工系统，其特征在于，所述控制装置包括一与所述激光加工处理头连接的离焦量调节机构，所述离焦量调节机构调整所述第一波长激光和/或第二波长激光的离焦量，以调整聚焦到工件的光斑能量分布形态。

5.根据权利要求1所述的多波长高功率激光加工系统，其特征在于，所述多波长全光纤激光器为单路输出激光，所述多波长全光纤激光器的光纤纤芯部分吸收激光器泵浦源输出的泵浦光，并放大转化为光纤激光传输出去形成第二波长激光，所述多波长全光纤激光器的光纤包层将未被纤芯吸收的泵浦光传输出去形成第一波长激光。

6.根据权利要求5所述的多波长高功率激光加工系统，其特征在于，所述多波长全光纤激光器将所述光纤纤芯中放大后的光纤激光以及漏入纤芯的泵浦光传输出去形成第二波长激光，以及将光纤包层中未被吸收的泵浦光以及漏入包层的光纤激光传输出去形成第一波长激光，所述第一波长激光与所述第二波长激光系沿同一光轴单路输出的复合激光。

7.根据权利要求1所述的多波长高功率激光加工系统，其特征在于，所述多波长全光纤激光器包括半导体激光泵浦光源，与所述半导体激光泵浦光源连接的有源光纤，设置在所述有源光纤两端构成谐振腔的光纤布拉格光栅FBG，所述半导体激光泵浦光源包括至少一个泵浦光源和合束器，每个所述泵浦光源分别与所述合束器的输入光纤连接，所述合束器的输出光纤与一个所述光纤布拉格光栅连接。

8.根据权利要求1所述的多波长高功率激光加工系统，其特征在于，所述多波长全光纤激光器包括半导体激光泵浦光源，与所述半导体激光泵浦光源连接的有源光纤，用于提供种子光的种子光源，所述半导体激光泵浦光源包括至少一个泵浦光源和合束器，每个所述泵浦光源和所述种子光源分别与所述合束器的输入光纤连接，所述合束器的输出光纤与所述有源光纤连接。

9.根据权利要求1所述的多波长高功率激光加工系统，其特征在于，所述第一波长激光的中心波长为915nm，所述第二波长激光的中心波长为1080nm。

10.根据权利要求1所述的多波长高功率激光加工系统，其特征在于，所述激光加工系统用于激光焊接或激光熔覆，所述激光焊接为激光连续焊接。

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