CN2904397Y - 一种用于并联机床的光纤输出激光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于并联机床的光纤输出激光器，其特征在于所述激光器包括箱体及其内安装的激光谐振腔和光纤耦合装置，所述激光谐振腔长度在385－580mm范围内可调，其内中间安装有Nd∶YAG激光棒、泵浦激光电源和水冷恒温器组件，组件的输出一侧安装有平面输出镜；组件的非输出一侧依次安装有声光Q开关和凹面全反镜；所述凹面全反镜、声光Q开关、Nd∶YAG激光棒、平面输出镜与光纤耦合装置的安装位置使它们之间构成激光通道；所述光纤耦合装置外接能量传输光纤，能量传输光纤的另一端连接光纤输出头，光纤输出头前安装有聚焦透镜。

Description

一种用于并联机床的光纤输出激光器

技术领域

本实用新型涉及光机电一体化中的光纤激光器技术，具体为一种特别适用于并联机床加工使用的光纤输出激光器，国际专利主分类号拟为Int.Cl⁷.G02B 6/00。

背景技术

现代光纤具有通频带很宽，理论可达30亿兆赫兹；重量轻，体积小；使用环境温度范围宽；耐化学腐蚀，使用寿命长等优点。和传统半导体激光器相比，光纤激光器的优越性主要体现在：光纤激光器是波导式结构，可容强泵浦，具有高增益、转换效率高、阈值低、输出光束质量好、线宽窄、结构简单、可靠性高等诸多特性，并且易于实现和光纤的耦合。因此光纤输出激光器技术是现代光电技术的研究热点之一。

并联机床技术又称虚似轴机床技术，是并联机器人机构与机床结合的产物，是空间机构学、机械制造、数控技术，计算机软硬件技术和CAD/CAM技术高度结合的高技术。并联机床技术是当今机械制造领域的主导技术，而激光技术是其获得新飞跃、实现新兴现代光机电制造的主要技术手段。

并联机床主要技术性能是运动精度高、移动路径复杂、多样并连续。因此并联机床要求其执行终端的加工装置具有较小的体积、良好的柔性、较小的惯性和很小的加工反作用力(如铣削力)等。目前国内外并联机床的执行终端都是采用并联铣刀、并联磨头等机械件，但并联铣刀、并联磨头等机械件执行终端存在着阻力大，加工点不精确等缺点，影响并联机床的性能和高质量产品的加工。在申请人已知的范围内，采用激光器技术作为并联机床执行终端的文献尚未见报道。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型要解决的技术问题是设计一种用于并联机床的光纤输出激光器。该激光器具有体积小、性能高等特点；该激光器特别适用于为并联机床配套，满足并联机床加工对执行终端加工装置的要求，具有体积小、柔性好、惯性低、加工反作用力微，并可实现加工的实时反馈控制，可进行超精密加工等特点。

本实用新型解决所述激光器技术问题的技术方案是：设计一种用于并联机床的光纤输出激光器，其特征在于所述的激光器包括箱体及其内安装的激光谐振腔和光纤耦合装置，所述激光谐振腔的长度在385-580mm范围内可调，其内中间安装有Nd:YAG激光棒、泵浦激光电源和水冷恒温器组件，组件的输出一侧安装有平面输出镜；组件的非输出一侧依次安装有声光Q开关和凹面全反镜；所述的凹面全反镜、声光Q开关、Nd:YAG激光棒、平面输出镜与光纤耦合装置的安装位置使它们之间构成激光通道；所述光纤耦合装置外接能量传输光纤，能量传输光纤的另一端连接光纤输出头，光纤输出头前安装有聚焦透镜。

与现有类似的激光器比较，本实用新型的光纤输出激光器利用了光纤的优点，成功地将Nd:YAG激光器和输出光纤连接起来，并对激光谐振腔的腔长、反射镜的凹面曲率半径以及后续输出光纤的耦合匹配等都做了优化设计，具有性能高、体积小，结构紧凑，方便应用等特点。

目前使用的并联铣刀、并联磨头等并联机床加工执行机件本身的刀尖面积比较大，不能进行超精密加工，并且机械件的阻力大，动力系统体积大，是技术升级的瓶颈。与现有技术相比，本实用新型的光纤输出激光器创新性地用于并联机床，通过能量传输光纤将激光能量传输到并联机床的加工执行终端(即激光器的光纤输出头)上，彻底去除了铣刀、磨头等机械件，因此具有系统体积小、柔性好、惯性低、加工反作用力微，并可实现超精密加工和激光加工的实时反馈控制等特点。

附图说明

图1为本实用新型用于并联机床的光纤输出激光器一种实施例的整体光路结构设计示意图；

图2为本实用新型用于并联机床的光纤输出激光器配装并联机床一种实施例的示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及其附图详细叙述本实用新型，但本实用新型不受实施例的限制：

本实用新型用于并联机床的光纤输出激光器(以下简称激光器，参见图1)，其特征在于所述的激光器包括箱体14及其内安装的激光谐振腔13和光纤耦合装置6，所述激光谐振腔13的长度在385-580mm范围内可调，其内中间安装有Nd:YAG激光棒4、泵浦激光电源3和水冷恒温器12组件，组件的输出一侧安装有平面输出镜5；组件的非输出一侧依次安装有声光Q开关2和凹面全反镜1；所述的凹面全反镜1、声光Q开关2、Nd:YAG激光棒4、平面输出镜5与光纤耦合装置6的安装或可调位置使它们之间构成激光通道；所述光纤耦合装置6外接能量传输光纤7，能量传输光纤7的另一端连接光纤输出头8，光纤输出头8前安装有聚焦透镜9。

本实用新型激光器一种实施例的设计为：外型尺寸设计为500×240×260mm，激光谐振腔13的优化长度为416mm，并且在385-580mm范围内可调；所述的Nd:YAG激光棒4实施例的直径是φ6mm，并且要把Nd:YAG激光棒4的圆柱面打毛，两端镀有的增透膜，所谓增透膜是一种使玻璃镜片的透光性能更好的玻璃加工工艺，其厚度为光在其中波长的1/4，实施例为1064nm；在激光谐振腔13内的一端设置所述的凹形全反射镜1，另一端设置所述的平面输出镜5；所述的声光Q开关2设置在所述Nd:YAG激光棒4与凹形全反射镜1之间垂直于所述Nd:YAG激光棒4轴线的位置上；所述水冷恒温器12配置在Nd:YAG激光棒4的下面，而Nd:YAG激光棒4组件安装在声光Q开关2与平面输出镜5之间；所述激光谐振腔13内的各部件安装在激光通用导轨(图中未画出)上，并且它们的安装或可调位置应使它们之间构成激光通道；所述的平面输出镜5后配置所述的光纤耦合装置6，光纤耦合装置6与能量传输光纤7的一端相连接，能量传输光纤7的另一端连接光纤输出头8，光纤输出头8前安装有聚焦透镜9，实施例优化设计的聚焦透镜9的直径为20mm，焦距30mm。本实用新型实施例所述的水冷恒温器12、能量传输光纤7、光纤输出头8。泵浦激光电源3、声光Q开关2、平面输出镜5等为现有技术产品，可按设计需要购买或定制；所述的能量传输光纤7、光纤输出头8、聚焦透镜9、凹面全反镜1的半径及激光谐振腔13的长度等为本实用新型优化设计特别定制。

本实用新型激光器实施例所述的凹形全反射镜1和平面输出镜5的直径均为20mm。所述凹面全反镜1与平面输出镜5的镜片在激光谐振腔13内均采用径向调整式支撑架(图中未画出)安装。该支撑架系实用新型人的专利(参见“径向调整式的激光光学镜片支撑架”，专利号CN00264981.0)。这种设计的好处是轴向尺寸小，调整方便。所述的凹形全反射镜1经优化处理，即按最大模式体积优化设计凹形全反射镜1的凹面曲率半径R。R的数学范围很大，应通过实验和计算得出最优值。实施例的凹形全反射镜1的最优凹面曲率半径R为3.25m，实施例即按此参数定做凹形全反射镜1。其余定制元器件雷同。

本实用新型激光器实施例的主要设计参数为：驱动功率为100W(激光器的能量传输光纤7传输到光纤输出头8的平均输出功率达100W)，工作频率为27MHz，静态透过率为98.5％(对1064nm波长)，衍射效率为20.5％，调制频率为1-50kHz，激光脉冲宽度135ns。调整声光Q开关2的调制频率，获得重复频率为20.4kHz、脉冲宽度135ns、平均功率为100W输出。但本实用新型理想设计的激光器输出功率可实现几十毫瓦到100W。所述水冷恒温器12可根据激光器功率的大小配套选取，实施例的水冷恒温器12的制冷量为5000W，流量50L/H，工作温度20-30℃，实施例工作温度25±1℃，为定购产品。在此状态下，调整激光谐振腔13内的激光介质Nd:YAG激光棒4的位置及腔长，可实现激光谐振腔13的优化设计。实施例激光谐振腔13的优化腔长为416mm，激光谐振腔13形成一个望远镜稳定腔，激光的输出功率最大，并可实现高功率、高稳定性运转，不稳定性小于1.03％，重复频率在1-35KHz可调。本实用新型激光器可广泛应用于激光直写高密度电路板、复杂形状的立体刻蚀等精密制造领域中。

本实用新型未述及的适用于现有技术。

本实用新型激光器工作原理如下：由泵浦激光电源3去抽运Nd:YAG激光棒4的Nd离子，其跃迁辐射为1064nm波长的光子，经凹—平腔结构的激光谐振腔13形成1064nm的激光，用声光Q开关2(即声光调制器)予以调制，并由声光系统实现激光器高输出功率的准连续输出运转。所述的激光谐振腔13的一端为优化的凹形全反射镜1，另一端设置1064nm平面输出镜5，1064nm激光从平面输出镜5输出后，经与谐振腔13连接的光纤耦合装置6耦合进入能量传输光纤7，再经能量传输光纤7传输到光纤输出头8，经所述的聚焦透镜9聚焦后输出。聚焦透镜9完成激光能量的稳定输出。所述的能量传输光纤7应有一定的长度，以便使工作范围广阔和方便。实施例的能量传输光纤7为2m长，并选用输出功率大、衰减少的石英光纤。

本实用新型实施例的激光器特别适用于并联机床的激光加工。本实用新型激光器所述的光纤输出头8可按并联机床11的加工执行终端10的加装要求设计，并与之直接配装(参见图2)，可完成加工信号的精确传输，并利用所述能量传输光纤7、光纤输出头8和聚焦透镜9完成激光器柔性无阻力地移动跟随，实现并联机床11的高精度激光加工。

Claims (2)

1.一种用于并联机床的光纤输出激光器，其特征在于所述的激光器包括箱体及其内安装的激光谐振腔和光纤耦合装置，所述激光谐振腔的长度在385-580mm范围内可调，其内中间安装有Nd:YAG激光棒、泵浦激光电源和水冷恒温器组件，组件的输出一侧安装有平面输出镜；组件的非输出一侧依次安装有声光Q开关和凹面全反镜；所述的凹面全反镜、声光Q开关、Nd:YAG激光棒、平面输出镜与光纤耦合装置的安装或可调位置使它们之间构成激光通道；所述光纤耦合装置外接能量传输光纤，能量传输光纤的另一端连接光纤输出头，光纤输出头前安装有聚焦透镜。

2.根据权利要求1所述的用于并联机床的光纤输出激光器，其特征在于所述的激光谐振腔的长度经优化设计为416mm；所述Nd:YAG激光棒的的直径为φ6mm，且圆柱面要打毛，两端镀有1064nm增透膜；所述凹形全反射镜和平面输出镜的直径均为φ20mm，凹形全反射镜的凹面曲率半径R按最大模式体积优化设计为3.25m；所述聚焦透镜的直径为φ20mm，焦距30mm；所述凹面全反镜与平面输出镜的镜片在激光谐振腔内均采用径向调整式支撑架安装。