CN217115140U - 一种偏心高斯光束光纤激光器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种偏心高斯光束光纤激光器，利用光束少模偏心分布的特点，使光束在不同侧产生不同的光束能量分布形态，配合可控制的旋转式光学准直聚焦激光头、三维位移平台和可旋转的加工平台，可以实现加工面始终朝向选定固定的光束侧；并通过旋转光束，可以选择任意的光束加工侧面。由于少模偏心光束能量分布不均匀的特点，使不同的光束侧面能量分布均不相同，从而实现更多工艺应用可能。
Description
技术领域
本实用新型涉及光纤激光器领域，具体涉及一种偏心高斯光束光纤激光器。
背景技术
传统光纤激光器与加工方式为光纤光斑固定在激光头上，通过移动切割头实现对加工部件的加工，在平移过程中，光束保持一个固定方向，因此在多边形部件加工过程中，激光光束不同的侧向会对应不同方向的加工面。这样会带来如下问题：1、传统的激光光束光斑固定的加工方式，如果想要每个方向的加工面均保持在一个较好并较为一致的水平，那么对激光光束的均匀度与光斑圆度要求非常高，需要激光光束在每个侧面都保持较好并较为一致的能量分布与光斑圆度；2、为了解决激光光束均匀的问题，传统的解决方案是通过各种匀化手段降低激光光束中的主高斯光束峰值的强度，使激光光束保持较为均匀的能量分布状态即较好的均匀度，但这种通过降低能量密度使光束更加均匀的方式严重影响了激光的加工能力上限；3、能量利用率低，在激光应用过程中，如切割应用，真正高效影响加工面效果的仅为靠近加工表面这一侧的激光光束，其他侧面的激光能量仅起到低效辅助的作用。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提出一种偏心高斯光束光纤激光器，能够有效解决上述问题，并提升激光器的性能与效率。
为达到上述目的，本实用新型提供了一种偏心高斯光束光纤激光器，其包括激光器部分和激光应用设备部分；激光器部分包括激光产生装置、光纤输出光缆和激光器控制系统，光纤输出光缆使激光产生装置输出的单模或少模高斯光束产生定向偏心，生成的偏心高斯光束在不同侧面具有不同的能量密度，激光器控制系统用于控制激光器部分；激光应用设备部分包括旋转式光学准直聚焦激光头和激光头控制系统，旋转式光学准直聚焦激光头用于旋转光纤输出光缆输出的偏心高斯光束，激光头控制系统用于控制激光应用设备；激光器控制系统和激光头控制系统联动。
优选地，激光产生装置包括半导体泵浦激光器、增益腔和激光器冷却系统。
优选地，光纤输出光缆为能够使高斯光束产生定向偏心的多模光纤输出光缆或者偏心传输光纤。
优选地，激光应用设备部分还包括三轴位移平台和旋转式加工平台，旋转式光学准直聚焦激光头固定在三轴位移平台上，加工件固定在旋转式加工平台上。
优选地，半导体泵浦激光器的输出波长为976nm或915nm。
优选地，增益腔中采用Yb、Er、Th和Ho中一种或多种元素掺杂的有源光纤。
优选地，旋转式光学准直聚焦激光头是在固定式光学准直聚焦激光头的基础上增设一个能够进行360度的旋转的机械臂。
优选地，激光器部分和激光应用设备部分能够联动控制，使加工件的不同或相同加工面采用偏心高斯光束的同一侧面进行加工。
优选地，激光器部分和激光应用设备部分能够联动控制，使加工件的不同或相同加工面采用偏心高斯光束的不同侧面进行加工。
本实用新型的有益效果在于：
(1)光束旋转的激光应用方式可以保证每个方向的加工面均对应一个固定的激光光束侧面，这样可以保证所有加工表面的加工效果可以做到几乎完全一致，在高精加工领域有非常大的优势；
(2)偏心高斯光束光纤激光器，输出的光模式为偏心高斯(少模)光束，对比传统的对称高斯光束，本实用新型多了至少两种能量分布侧面，可对应不同的应用；而对比传统的多模光束，在同等输出功率条件下，本实用新型在高斯偏心侧有更高的能量密度，代表这用有更强的穿透力，在应用时可以选用能量集中的一侧靠近加工面，可以大大提高激光的性能与效率；
(3)将偏心高斯光束光纤激光器与光束旋转加工方式进行结合后，可以根据应用的需求，利用不同激光能量分布会产生不同的工艺效果的特点，选用任意激光光束的光束侧面对加工件实现不同的工艺加工。
附图说明
图1是激光器和激光应用设备的示意图。
图2是激光器与激光应用设备的控制系统。
图3是偏心高斯光束的示意图。
图4是采用光束侧面1进行板材切割的示意图。
图5是采用光束侧面2进行焊接加工的示意图。
图6是采用动态光斑进行波纹面加工的示意图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本实用新型的技术方案。
如图1和2所示，偏心高斯光束光纤激光器包括激光器部分和激光应用设备部分。激光器部分包括半导体泵浦激光器、增益腔、激光器冷却系统、激光器控制系统和光纤输出光缆，半导体泵浦激光器为增益腔提供泵浦光源；增益腔将半导体泵浦激光器发出的泵浦光源进行增益放大，增益输出光束模式为单模；激光器冷却系统为半导体泵浦激光器与增益腔等发热部件进行冷却散热。激光器控制系统分为硬件与软件部分，对激光器部分进行输出控制。根据增益腔输出的单模激光波长，选择一种不会激发多模光束的大芯径多模光纤输出光缆，并通过光纤的调节等方法，使光纤输出光缆中的高斯光束产生定向偏心。
在一个实施例中，半导体泵浦激光器的输出波长为976nm。在其他实施例中，可以根据不同的增益光纤种类匹配不同输出波长的半导体泵浦激光器,如915nm等。
在一个实施例中，增益腔中采用的有源光纤是Yb，增益腔输出1070nm的激光。在其他实施例中，可以使用Er、Th或Ho掺杂光纤或其他一些组合，甚至在输出中通过非线性光学晶体、拉曼光纤等频移的光纤激光器。
在一个实施例中，采用多模光纤输出光缆进行光束传播。在其他实施例中，还可以采用特制的偏心传输光纤来实现偏心高斯光束输出的目的。
激光应用设备包括旋转式光学准直聚焦激光头、三轴位移平台、旋转式加工平台和激光头控制系统。旋转式光学准直聚焦激光头是在传统固定式光学准直聚焦激光头的基础上增设一个可以进行360度的旋转的机械臂，用来固定激光器的光纤输出光缆。在加工过程中，激光头可随由三个伺服电机配合旋杆式位移平台组成的三轴位移平台在X、Y、Z轴方向上运动。旋转式加工平台由一个或多个旋转电机与齿轮式加工平台组成，可以使工件配合激光头进行同步旋转加工。
激光头控制系统分为电路硬件与控制软件两部分组成，用来控制旋转式光学准直聚焦激光头、三轴位移平台与旋转式加工平台进行360度旋转、三轴位移运动与加工件配合旋转运动。激光头控制系统和激光器控制系统联动，以实现光束侧面和加工表面的匹配。
在一个实施例中，激光应用设备包括旋转式机械臂和齿轮式旋转平台。在其他实施例中，还可以采用多维机器人平台等作为旋转机构。
偏心高斯光束激光的产生过程过下：
通过激光器控制系统对半导体泵浦激光器发出指令，半导体泵浦激光器会发出的泵浦激光通过合束等方式进入增益腔中，增益腔对泵浦激光进行吸收，增益放大产生单模激光，单模激光再通过一种特定选型的多模光纤输出光缆进行传输，在传输过程中，光束模式始终保持较好的光束单模性(或少模)，使最终输出的光斑是一种偏心高斯不规则的光斑，在整个激光产生过程中，激光器冷却系统会采用水冷、风冷或其他制冷方式对整个激光器进行冷却散热。
偏心高斯光束激光的应用方法如下：
1、首先根据加工的工艺种类进行光束侧面选择，如板材切割，应选用高能量光束侧作为加工光束侧面；
2、将加工路径参数输入激光头控制系统中，系统会通过识别与计算，确认选定的光束侧面如何配合加工件进行移动与旋转，并形成指令，使旋转式光学准直聚焦激光头、三轴位移平台、旋转式加工平台配合实现计算得出的光束路径，最终可以实现固定光束侧面始终保持与加工面相对不变的工艺加工方式，这样可以最大限度地保证所有加工面的一致性，也可以根据选用不同特点的光束侧面，产生完全不同的加工侧面。
在一种实施方式中，其输出的光模式如图3所示，图中较暗处激光能量较大。本实施方式输出的偏心高斯(少模)光束，对比传统的对称高斯光束，多了至少两种能量分布侧面，可对应不同的应用。如图3所示，与光束侧面1不同，光束侧面2，更适合需要外围辅助光束的焊接等应用(如图5所示)，大大扩展了激光器的工艺应用范围。
对比传统的平顶多模激光光束，在同等输出功率条件下，偏心高斯光束在高斯偏心侧有更高的能量密度，这代表着激光拥有更强的穿透力。如图4所示，在应用时可以选用能量集中的一侧靠近加工面，可以大大提高激光的性能与效率。光束旋转的激光应用方式可以保证每个加工表面均对应一个固定的激光光束侧面，这样可以保证所有加工表面的加工效果可以做到几乎完全一致，在高精加工领域有非常大的优势。
如图4-6所示，将偏心高斯光束光纤激光器与光束旋转加工方式进行结合后，可以根据应用的需求，利用不同激光能量分布会产生不同的工艺效果的特点，选用任意激光光束的光束侧面对加工件实现不同的工艺加工。
以上结合具体实施例描述了本实用新型的技术原理。这些描述只是为了解释本实用新型的原理，而不能以任何方式解释为对本实用新型保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本实用新型的其它具体实施方式，这些方式都将落入本实用新型的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种偏心高斯光束光纤激光器，其特征在于，所述偏心高斯光束光纤激光器包括激光器部分和激光应用设备部分；所述激光器部分包括激光产生装置、光纤输出光缆和激光器控制系统，所述光纤输出光缆使所述激光产生装置输出的单模或少模高斯光束产生定向偏心，生成的偏心高斯光束在不同侧面具有不同的能量密度，所述激光器控制系统用于控制所述激光器部分；所述激光应用设备部分包括旋转式光学准直聚焦激光头和激光头控制系统，所述旋转式光学准直聚焦激光头用于旋转所述光纤输出光缆输出的偏心高斯光束，所述激光头控制系统用于控制所述激光应用设备；所述激光器控制系统和激光头控制系统联动。
2.根据权利要求1所述的偏心高斯光束光纤激光器，其特征在于，所述激光产生装置包括半导体泵浦激光器、增益腔和激光器冷却系统。
3.根据权利要求1所述的偏心高斯光束光纤激光器，其特征在于，所述光纤输出光缆为能够使高斯光束产生定向偏心的多模光纤输出光缆或者偏心传输光纤。
4.根据权利要求1所述的偏心高斯光束光纤激光器，其特征在于，所述激光应用设备部分还包括三轴位移平台和旋转式加工平台，所述旋转式光学准直聚焦激光头固定在所述三轴位移平台上，加工件固定在所述旋转式加工平台上。
5.根据权利要求2所述的偏心高斯光束光纤激光器，其特征在于，所述半导体泵浦激光器的输出波长为976nm或915nm。
6.根据权利要求2所述的偏心高斯光束光纤激光器，其特征在于，所述增益腔中采用Yb、Er、Th和Ho中一种或多种元素掺杂的有源光纤。
7.根据权利要求1所述的偏心高斯光束光纤激光器，其特征在于，所述旋转式光学准直聚焦激光头是在固定式光学准直聚焦激光头的基础上增设一个能够进行360度的旋转的机械臂。
8.根据权利要求1所述的偏心高斯光束光纤激光器，其特征在于，所述激光器部分和激光应用设备部分能够联动控制，使加工件的不同或相同加工面采用偏心高斯光束的同一侧面进行加工。
9.根据权利要求1所述的偏心高斯光束光纤激光器，其特征在于，所述激光器部分和激光应用设备部分能够联动控制，使加工件的不同或相同加工面采用偏心高斯光束的不同侧面进行加工。
Priority Applications (1)
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| CN202123425760.1U CN217115140U (zh) | 2021-12-31 | 2021-12-31 | 一种偏心高斯光束光纤激光器 |
Applications Claiming Priority (1)
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| CN202123425760.1U CN217115140U (zh) | 2021-12-31 | 2021-12-31 | 一种偏心高斯光束光纤激光器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN217115140U true CN217115140U (zh) | 2022-08-02 |
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ID=82591831
Family Applications (1)
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| CN202123425760.1U Active CN217115140U (zh) | 2021-12-31 | 2021-12-31 | 一种偏心高斯光束光纤激光器 |
Country Status (1)
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|---|---|
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2021
- 2021-12-31 CN CN202123425760.1U patent/CN217115140U/zh active Active
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