CN215989625U

CN215989625U - 激光器

Info

Publication number: CN215989625U
Application number: CN202122749432.0U
Authority: CN
Inventors: 王志源
Original assignee: Wuxi Ruike Fiber Laser Technology Co ltd
Current assignee: Wuxi Ruike Fiber Laser Technology Co ltd
Priority date: 2021-11-10
Filing date: 2021-11-10
Publication date: 2022-03-08
Anticipated expiration: 2031-11-10

Abstract

本申请实施例提供的激光器，包括连续型光纤激光模块以及半导体激光模块，连续型光纤激光模块设有光纤输出端，且连续型光纤激光模块与半导体激光模块通过光纤输出端连接。由连续型光纤激光模块和半导体激光模块连接所形成的激光器，可以通过改变激光器中连续型光纤激光模块和半导体激光模块的输出能量配比，以使输出的激光能量均匀且集中，从而避免焊接过程中出现焊接效果差、产生飞溅现象的问题，有效缓解当前激光器在焊接过程中无法在保证焊接效果的同时避免产生飞溅的技术问题。

Description

激光器

技术领域

本申请涉及激光技术领域，尤其涉及一种激光器。

背景技术

随着激光技术的不断发展，激光技术已在工业领域得到了广泛的应用。

激光焊接凭借其高效、精准的优势，成为工业焊接市场最青睐的焊接方式。当前通常采用独立的连续型光纤激光器或独立的半导体激光器作为激光焊接的仪器，然而，连续型光纤激光器输出的光束为高斯光束，使用高斯光束进行焊接的焊接效果优异，但是焊接过程的能量较为集中，容易出现飞溅现象；半导体激光器输出的光束为类高斯光束，使用类高斯光束进行焊接的焊接效果较差，但是焊接过程的能量较为分散，不易出现飞溅现象，因此，当前的激光器在焊接过程中无法在保证焊接效果的同时避免产生飞溅。

实用新型内容

本申请实施例提供一种激光器，能有效缓解当前激光器在焊接过程中无法在保证焊接效果的同时避免产生飞溅的技术问题。

本申请实施例提供一种激光器，其特征在于，包括：

连续型光纤激光模块；

半导体激光模块；

所述连续型光纤激光模块设有光纤输出端；

所述连续型光纤激光模块与所述半导体激光模块通过所述光纤输出端连接。

在本申请一些实施例中，所述连续型光纤激光模块包括泵浦模块、光纤模块以及光栅模块；

所述光栅模块包括输入光栅以及输出光栅，所述输入光栅、所述泵浦模块、所述光纤模块以及所述输出光栅依次连接；

所述光纤输出端位于所述输入光栅至所述输出光栅的延伸方向，所述输出光栅与所述半导体激光模块通过所述光纤输出端连接。

在本申请一些实施例中，所述输入光栅与所述输出光栅构成光学谐振腔；

所述泵浦模块以及所述光纤模块位于所述光学谐振腔内。

在本申请一些实施例中，所述泵浦模块包括高功率泵浦源以及泵浦合束器；

所述泵浦合束器的一端与所述高功率泵浦源连接；

所述泵浦合束器的另一端与所述输入光栅连接。

在本申请一些实施例中，所述高功率泵浦源包括至少一个高功率子泵浦源，所述泵浦合束器包括至少一个泵浦合束分支；

所述至少一个高功率子泵浦源与所述至少一个泵浦合束分支对应连接；

所述至少一个泵浦合束分支交于所述泵浦合束器的另一端。

在本申请一些实施例中，所述光纤模块包括掺杂光纤；

所述掺杂光纤与所述泵浦合束器的另一端连接。

在本申请一些实施例中，所述掺杂光纤包括双包层掺镱有源光纤。

在本申请一些实施例中，所述半导体激光模块包括半导体激光装置以及耦合器；

所述耦合器的一端与所述半导体激光装置连接；

所述耦合器的另一端与所述输出光栅通过所述光纤输出端连接。

在本申请一些实施例中，所述半导体激光装置包括至少一个半导体激光器，所述耦合器的一端设有至少一个耦合分支；

所述至少一个半导体激光器与所述至少一个耦合分支对应连接；

所述至少一个耦合分支交于所述耦合器的另一端。

在本申请一些实施例中，所述激光器还包括光纤端帽；

所述耦合器的另一端与所述光纤端帽连接。

本申请实施例提供的激光器，包括连续型光纤激光模块以及半导体激光模块，连续型光纤激光模块设有光纤输出端，且连续型光纤激光模块与半导体激光模块通过光纤输出端连接。由于连续型光纤激光模块在焊接过程中具有焊接效果佳、容易产生飞溅现象的特点，半导体激光模块在焊接过程中具有焊接效果差、不易产生飞溅现象的特点，因此，将连续型光纤激光模块和半导体激光模块进行连接所形成的激光器，可以通过改变连续型光纤激光模块和半导体激光模块的输出能量配比，以使输出的激光能量均匀且集中，从而避免焊接过程中出现焊接效果差、产生飞溅现象的问题，有效缓解当前激光器在焊接过程中无法在保证焊接效果的同时避免产生飞溅的技术问题。

附图说明

图1为本申请实施例提供的激光器的结构示意图。

图2为本申请实施例提供的连续型光纤激光模块的结构示意图。

图3为本申请实施例提供的半导体激光模块的结构示意图。

图4为本申请实施例提供的激光器的另一结构示意图。

具体实施方式

这里所公开的具体结构和功能细节仅仅是代表性的，并且是用于描述本申请的示例性实施例的目的。但是本申请可以通过许多替换形式来具体实现，并且不应当被解释成仅仅受限于这里所阐述的实施例。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“横向”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。另外，术语“包括”及其任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

这里所使用的术语仅仅是为了描述具体实施例而不意图限制示例性实施例。除非上下文明确地另有所指，否则这里所使用的单数形式“一个”、“一项”还意图包括复数。还应当理解的是，这里所使用的术语“包括”和/或“包含”规定所陈述的特征、整数、步骤、操作、单元和/或组件的存在，而不排除存在或添加一个或更多其他特征、整数、步骤、操作、单元、组件和/或其组合。

下面结合附图和实施例对本申请作进一步说明。

如图1所示，图1为本申请实施例提供的激光器的结构示意图，包括：连续型光纤激光模块1、半导体激光模块2，其中，连续型光纤激光模块1设有光纤输出端(图中未标出)，且连续型光纤激光模块1与半导体激光模块2通过光纤输出端连接。

现有技术中，通常采用独立的连续型光纤激光器或独立的半导体激光器作为激光焊接的仪器，然而，连续型光纤激光器输出的光束为高斯光束，使用高斯光束进行焊接的焊接效果优异，但是焊接过程的能量较为集中，容易出现飞溅现象；半导体激光器输出的光束为类高斯光束，使用类高斯光束进行焊接的焊接效果较差，但是焊接过程的能量较为分散，不易出现飞溅现象，因此，当前的激光器在焊接过程中无法在保证焊接效果的同时避免产生飞溅。

在本实施例中，将连续型光纤激光模块1和半导体激光模块2进行连接，以改变连续型光纤激光模块1和半导体激光模块2的输出能量配比，以使输出的激光具有不同的能量比例，从而避免焊接过程中出现焊接效果差、产生飞溅现象的问题，有效缓解当前激光器在焊接过程中无法在保证焊接效果的同时避免产生飞溅的技术问题。

具体地，如图2所示，图2为本申请实施例提供的连续型光纤激光模块的结构示意图。其中，连续型光纤激光模块1包括泵浦模块11、光纤模块12以及光栅模块(图中未标出)，光栅模块包括输入光栅131以及输出光栅132，且输入光栅131、泵浦模块11、光纤模块12以及输出光栅132依次连接，光纤输出端(图中未标出)位于输入光栅131至输出光栅132的延伸方向，且光纤输出端设置在输出光栅132背离光纤模块12的一侧。

可选地，输入光栅131和输出光栅132为反射光栅，用于反射光束。在实际应用过程中，可在具有高反射率的金属(例如，金、铜或钼)表面镀上一层金属膜，并在该金属膜上刻画多条平行、等宽且等距的刻线，以形成反射光栅。

进一步地，泵浦模块11包括高功率泵浦源(图中未标出)以及泵浦合束器(图中未标出)，泵浦合束器的一端与高功率泵浦源连接，另一端与输入光栅131连接。其中，高功率泵浦源包括至少一个高功率子泵浦源111，泵浦合束器包括至少一个泵浦合束分支112，各高功率子泵浦源111与各泵浦合束分支112对应连接，且各泵浦合束分支112交于泵浦合束器的另一端。

具体地，高功率子泵浦源111的作用在于对激光工作物质进行激励，以将激活粒子从基态抽运到高能级，从而实现粒子数反转，进而产生泵浦光，泵浦合束分支112的作用在于将各高功率子泵浦源111产生的泵浦光整合至泵浦合束器中。

进一步地，输入光栅131与输出光栅132构成了光学谐振腔，使得泵浦模块11以及光纤模块12位于该光学谐振腔内。其中，当泵浦模块11产生泵浦光，通过输入光栅131将泵浦光反射至光纤模块12中，以利用光纤模块12中的掺杂离子吸收泵浦光，吸收了光子能量的掺杂离子发生能级跃迁，并实现粒子数反转，反转后的粒子进入输入光栅131与输出光栅132构成的光学谐振腔内，由激发态跃迁回基态，并释放能量，以形成稳定的激光。

其中，光纤模块12输出激光后，在输出光栅132的反射作用下，使得激光在光学谐振腔内来回反射，且在该来回反射的过程中，光纤模块12中的掺杂离子作为增益介质，对激光起到了增益作用，也即对频率一定、方向一致的激光优先进行放大，同时，对其他频率和方向的激光进行抑制，以使从输出光栅输出的激光频率及方向均一致，使激光所产生的能量更为集中，从而在一定程度上保证了后续焊接的深度，进而保证了后续的焊接效果。

可选地，光学模块12为掺杂光纤，该掺杂光纤与泵浦合束器的另一端连接，掺杂光纤的作用在于对泵浦光起到吸收效果，为了使掺杂光纤对泵浦光起到较佳的吸收效果，在实际应用过程中，可将稀土离子(例如，铒离子(Er3+)、镱离子(Yb3+)、钍离子(Tm3+)或者镨离子(Pr3+))掺杂至光纤中以形成掺杂光纤。

进一步地，考虑到相较于单模光纤，双包层光纤更适合作为掺杂光纤。其中，双包层光纤由同心的纤芯、内包层、外包层以及保护层组成，内包层和外包层具有同心的圆截面结构，纤芯的折射率较大，用于传输单模信号光，内包层的折射率处于纤芯和外包层之间，用于传输多模信号光，外包层的折射率最小。

具体地，双包层光纤的内包层和纤芯构成一个大的纤芯，当泵浦光通过时，泵浦光以折线方式反复穿过纤芯并被掺杂离子吸收，吸收了光子能量的掺杂离子发生能级跃迁，并实现粒子数反转，反转后的粒子进入光学谐振腔内，由激发态跃迁回基态，并释放能量，以形成稳定的激光，如此往复，使得纤芯中传输的激光的质量较佳，从而使得从双包层光纤输出的激光能量更大。在本实施例中，将双包层掺镱有源光纤作为掺杂光纤，其中，双包层掺镱有源光纤是通过将镱离子掺杂至双包层光纤中而形成。

连续型光纤激光模块1输出激光的光束质量主要由光纤模块12中的纤芯直径和数值孔径决定，由于光纤模块12占有较大的表面积与体积比值，因此，很容易对其在高功率输出时的热效应进行有效地管理，同时，由于其占有较大的表面积与体积比值，使得其散热性能优良，因此，几乎不存在热透镜效应。

连续型光纤激光模块在高功率输出时可达到接近衍射极限的高光束质量，且连续型光纤激光模块输出的光束为高斯光束，使用高斯光束进行焊接的焊接深度较大，使得焊接效果优异，但是由于激光光束的能量较为集中，容易出现飞溅现象。在电光转换效率方面，连续型光纤激光模块的电光转换效率可以高达28％，远高于半导体泵浦的YAG激光器15％的电光转换效率、CO2激光器10％的电光转换效率以及碟片机用激光器的20％的电光转换效率，另外，连续型光纤激光模块的器件结构简单，体积小巧，使用灵活方便。

在本实施例中，由于采用柔软的掺杂光纤本身作为激光的增益介质，且采用了体积小巧且易于模块化的高功率泵浦源，因此，使得连续型光纤激光模块在使用过程中的稳定性好，体积小，使用灵活方便。

进一步地，如图3所示，图3为本申请实施例提供的半导体激光模块的结构示意图。其中，半导体激光模块2包括光纤耦合模块21，光纤耦合模块21包括半导体激光装置(图中未标出)以及耦合器(图中未标出)，耦合器的一端与半导体激光装置连接。

其中，光纤耦合模块21中的半导体激光装置以半导体材料作为工作物质，在工作过程中，在半导体材料的激励作用下产生激光，然而，由于半导体激光装置输出的激光光束为椭圆形且不对称的类高斯光束，其激光光束的发散角较大，且光斑极不均匀，因此，在实际应用过程中，通常需要对其输出的激光光束进行整形或者光斑均匀化处理。

为了避免半导体激光装置输出的激光光束的发散角大、光斑不均匀等问题，在本实施例中，半导体激光装置包括至少一个半导体激光器211，耦合器的一端设有至少一个耦合分支212，且各半导体激光器211与分别与各耦合分支212对应连接，各耦合分支212交于耦合器的另一端，通过耦合器的各个耦合分支212将各半导体激光器211输出的激光光束进行耦合处理，从而使得输出的光斑为对称的圆形，且改善了光斑的均匀度(即分散激光能量)，进而改善了半导体激光模块2输出的激光光束的质量。

通过上文可知，连续型光纤激光模块输出的光束为高斯光束，使用高斯光束进行焊接的焊接效果优异，但是焊接过程的能量较为集中，容易出现飞溅现象；半导体激光模块输出的光束为类高斯光束(即呈椭圆形且不对称的激光光束)，其输出的激光光束的发散角较大且光斑极不均匀，使用类高斯光束进行焊接的焊接效果较差，但是焊接过程的能量较为分散，不易出现飞溅现象，因此，在实际应用过程中，无论是单独使用连续型光纤激光模块还是单独使用半导体激光模块进行焊接，都无法在保证焊接效果的同时避免飞溅现象的出现。

在本实施例中，将连续型光纤激光模块1和半导体激光模块2进行连接，在实际使用过程中，可以根据实际情况改变连续型光纤激光模块1和半导体激光模块2的输出能量配比，以使输出的激光具有不同的能量比例，从而避免焊接过程中出现焊接效果差、产生飞溅现象的问题，有效缓解当前激光器在焊接过程中无法在保证焊接效果的同时避免产生飞溅的技术问题。

具体地，在本实施例中，将耦合器212的另一端与输出光栅132通过光纤输出端连接，以使半导体激光模块2与输出光栅132连接，从而使得连续型光纤激光模块1和半导体激光模块2进行连接。

如图4所示，图4为本申请实施例提供的激光器的另一结构示意图，具体地，在实际应用过程中，当泵浦模块11产生泵浦光，通过输入光栅131将泵浦光反射至光纤模块12中，以利用光纤模块12中的掺杂离子吸收泵浦光，吸收了光子能量的掺杂离子发生能级跃迁，并实现粒子数反转，反转后的粒子进入输入光栅131与输出光栅132构成的光学谐振腔内，由激发态跃迁回基态，并释放能量，以形成稳定的激光，随即在输出光栅132的反射作用下，使得激光在光学谐振腔内来回反射，且在该来回反射的过程中，光纤模块12中的掺杂离子作为增益介质，对激光起到了增益作用，也即对频率一定、方向一致的激光优先进行放大，同时，对其他频率和方向的激光进行抑制，以使从输出光栅输出的激光频率及方向均一致，使激光所产生的能量更为集中。

接下来，激光进入半导体激光模块2，与此同时，半导体激光模块2的光纤耦合模块21中的半导体激光装置亦产生激光，为了使由连续型光纤激光模块1和半导体激光模块2连接所构成的激光器输出的激光功率可调控，在本实施例中，将上文半导体激光模块2中的耦合器替换为特定的功率合束器，该功率合束器可以将连续型光纤激光模块1和半导体激光模块2输出的激光功率进行耦合，从而实现激光能量以及光斑模式的复合，另外，用户在焊接时可以通过控制功率合束器，以对连续型光纤激光模块1和半导体激光模块2输出的激光功率进行调控。

例如，在焊接过程中，激光器输出的激光功率较大且较为集中，使得焊接深度较深，但是飞溅现象较为严重，此时，用户可通过功率合束器增大半导体激光模块2输出的激光功率，使得输出的光斑趋近于对称的圆形，从而改善了光斑的均匀度(即均匀激光能量)，进而使输出的激光能量均匀且集中，在保证焊接深度的同时，有效避免了飞溅现象。

具体地，功率合束器包括至少一个功率合束分支213，各功率合束分支213的一端与各半导体激光器211对应连接，各功率合束分支213交于功率合束器的另一端，从而使得由各半导体激光器211输出的激光光束经过各功率合束分支213进行耦合。

进一步地，在功率合束器的另一端的延伸方向还设有光纤端帽31，光纤端帽31是针对高功率光纤激光器和放大器输出端面处理设计的高功率器件，通过对输出的激光光束的扩束，以降低输出端的光功率密度，同时，由于光纤端帽31采用了特别的端面角度设计，大幅度降低了端面的回波反射。光纤端帽31通常应用在高峰值功率或者高平均功率的激光器(放大器)的输出端，使得输出的激光光束的畸变很小。

由于石英(主要矿物成分为SiO2)是一种坚硬、耐磨、化学性质以及物理性质均稳定的硅酸盐矿物，在本实施例中，采用由石英为原材料制成的石英端帽作为光纤端帽31，以在降低输出端的光功率密度的同时，在一定程度延长了激光器的使用寿命。可选地，还可采用由其他材料制成的端帽作为光纤端帽31，在此不对光纤端帽31的材料作出具体限定。

本申请实施例提供的激光器，包括连续型光纤激光模块以及半导体激光模块，连续型光纤激光模块设有光纤输出端，且连续型光纤激光模块与半导体激光模块通过光纤输出端连接。由于连续型光纤激光模块在焊接过程中具有焊接效果佳、容易产生飞溅现象的特点，半导体激光模块在焊接过程中具有焊接效果差、不易产生飞溅现象的特点，因此，将连续型光纤激光模块和半导体激光模块进行连接，以改变连续型光纤激光模块和半导体激光模块的输出能量配比，以使输出的激光能量均匀且集中，从而避免焊接过程中出现焊接效果差、产生飞溅现象的问题，有效缓解当前激光器在焊接过程中无法在保证焊接效果的同时避免产生飞溅的技术问题。

综上，虽然本申请已以优选实施例揭露如上，但上述优选实施例并非用以限制本申请，对于本领域的普通技术人员，在不脱离本申请的精神和范围内，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，因此本申请的保护范围以权利要求界定的范围为准。

Claims

1.一种激光器，其特征在于，包括：

连续型光纤激光模块；

半导体激光模块；

所述连续型光纤激光模块设有光纤输出端；

2.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述连续型光纤激光模块包括泵浦模块、光纤模块以及光栅模块；

3.根据权利要求2所述的激光器，其特征在于，所述输入光栅与所述输出光栅构成光学谐振腔；

所述泵浦模块以及所述光纤模块位于所述光学谐振腔内。

4.根据权利要求3所述的激光器，其特征在于，所述泵浦模块包括高功率泵浦源以及泵浦合束器；

所述泵浦合束器的一端与所述高功率泵浦源连接；

所述泵浦合束器的另一端与所述输入光栅连接。

5.根据权利要求4所述的激光器，其特征在于，所述高功率泵浦源包括至少一个高功率子泵浦源，所述泵浦合束器包括至少一个泵浦合束分支；

所述至少一个泵浦合束分支交于所述泵浦合束器的另一端。

6.根据权利要求4所述的激光器，其特征在于，所述光纤模块包括掺杂光纤；

所述掺杂光纤与所述泵浦合束器的另一端连接。

7.根据权利要求6所述的激光器，其特征在于，所述掺杂光纤包括双包层掺镱有源光纤。

8.根据权利要求2所述的激光器，其特征在于，所述半导体激光模块包括半导体激光装置以及耦合器；

所述耦合器的一端与所述半导体激光装置连接；

9.根据权利要求8所述的激光器，其特征在于，所述半导体激光装置包括至少一个半导体激光器，所述耦合器的一端设有至少一个耦合分支；

所述至少一个耦合分支交于所述耦合器的另一端。

10.根据权利要求9所述的激光器，其特征在于，所述激光器还包括光纤端帽；

所述耦合器的另一端与所述光纤端帽连接。