TW201710009A - 雷射處理裝置及其用途、以雷射束來處理工件的方法及用於組合及對準雷射束的光學構件 - Google Patents

Abstract

本發明是有關於一種雷射處理裝置及其用途。根據本發明，提供了提供第一光學饋送光纖（8）的第一雷射元件（6）及提供第二光學饋送光纖（9）的第二雷射元件（7）。連接至第一饋送光纖及第二饋送光纖並連接至多芯光纖（12）的束組合器件（11）適於藉由將第一光學饋送光纖（8）對準多芯光纖的第一芯並將第二光學饋送光纖對準多芯光纖（12）的至少一個第二芯而形成複合雷射束。所述第一芯及所述第二芯將複合雷射束（16）輸出至待處理工件（14）。控制單元（10）各別地控制所輸出的雷射束的功率密度。

Description

雷射處理裝置和方法及其光學構件

本發明是有關於一種雷射處理裝置及方法。具體而言，本發明是有關於藉由雷射處理來切割及焊接材料。

當以雷射束焊接金屬時，雷射束通常藉由聚光透鏡被聚集成100微米至500微米的點以提高能量密度，並即刻將工件加熱至1500度或高於1500度的金屬熔點以使工件熔融。同時，可饋送輔助氣體以防止熔融金屬的腐蝕。相較於來自CO₂ 雷射的處於有十微米波段的雷射束，來自固態雷射或光纖雷射的具有一微米波段的雷射束在金屬加工件上達成極高的光能強度及吸收率。然而，若與氧輔助氣體一起使用具有高斯束（Gaussian beam）的一微米波段雷射束來切割軟鋼板工件（mild steel sheet workpiece），則工件的頂面上的熔融寬度會不必要地變寬並削弱切口（kerf）控制。此外，可發生自燃而使雷射切割的品質劣化。

在EP2762263、US20110293215、US7348517、JP2013139039、EP0464213、EP2399703、EP2722127及WO2009003484中論述了用於切割材料的各種解決方案，所述解決方案基於環狀雷射束，所述環狀雷射束提供可被闡述為具有環形或「甜甜圈（doughnut）」式形狀的強度分佈曲線。已觀察到，在使用甜甜圈狀束而非更傳統的束分佈曲線時，可以低得多的功率來執行對具有給定厚度的金屬的切割，且在切割速度及品質方面可產生良好的結果。

US8781269揭露用以將雷射束引導至多包層（multi-clad）光纖來產生輸出雷射束的不同束分佈曲線特性的各種配置，其中輸入雷射束可選地耦合至內光纖芯（inner fiber core）中或外環芯（outer ring core）中。

先前技術材料處理應用致力於將雷射束的亮度最大化。亮度被定義為每單位立體角及每單位面積的功率。作為著重於亮度的實例，增大雷射束的亮度意味著雷射束可用以提高處理速度或增加材料厚度。可自例如光纖雷射及薄碟雷射（thin disc laser）獲得高亮度雷射束。直接二極體雷射的亮度亦已不斷地得到改良，但用於材料處理的商業直接二極體雷射尚未完全達到光纖雷射或薄碟雷射的亮度。

根據先前技術所執行的雷射處理存在某些重要缺陷。在焊接應用中，基於高功率雷射的所謂的鎖孔（keyhole）焊接技術易於產生過量的熱量，從而導致在冷卻期間焊縫過度硬化及變形。焊縫的形狀因雷射束的本質而在橫截面上為深且窄的，藉此在焊縫處產生大的溫度梯度及機械應力。在切割應用中，尤其是在厚的材料的切割應用中，為了蒸發及以其他方式移除熔融金屬，雷射束需要具有高強度及相對寬的焦點，以避免熔融金屬在雷射束之後再次將各件焊接於一起。此高功率切割使切割表面的形狀在某種程度上是不規則的。因此，需要用於雷射焊接及切割的改良的方法及元件。

本發明基於將鎖孔雷射切割或焊接與熱傳導焊接相結合的見解。當需要以較高的厚寬比（thickness to width aspect ratio）接合材料時，使用雷射鎖孔焊接。具有高強度的雷射束將材料加熱至高於蒸發溫度，從而在熔融金屬的前緣處形成被稱為鎖孔的深的毛細管。隨著熱源的前進，熔融金屬在所述孔後面進行填充以形成焊珠。惰性氣體遮蔽所述製程並在鎖孔焊接製程期間保護所述製程免於不需要的氧化。藉由發射具有極高脈衝強度的單脈衝，亦可例如在電子工業中所使用般達成點焊。

鎖孔雷射切割是熱源集中穿透工件的類似技術，且藉由某種方式移除熔融金屬以防止所述熔融金屬形成焊珠。

熱傳導焊接適用於具有高達近似2毫米的材料厚度的片材金屬。聚焦於接縫上的雷射束對材料進行加熱，且所述熱量快速地穿過片材進行傳導而使得所述片材熔融並彼此接合。聚焦光學元件在將雷射束聚焦至樣品的同時沿接縫移動，藉此產生高品質焊接。對於傳導焊接，可使用具有較低亮度的雷射，如直接二極體雷射。

在為發現可用於切割及焊接、且亦將消除如根據先前技術所執行的鎖孔焊接的某些缺點的雷射技術所作的努力中，發明者觀察到當以特別構型將鎖孔雷射源與傳導雷射源相組合時，會解決所述問題。

在隨附申請專利範圍中界定具體解決方案及其實施例。

根據本發明的一個態樣，一種雷射處理裝置包括： －至少一個第一雷射元件，分別為至少一個第一光學饋送光纖提供第一雷射束； －至少一個第二雷射元件，分別為至少一個第二光學饋送光纖提供第二雷射束； －束組合器件，連接至所述第一饋送光纖及所述第二饋送光纖並連接至多芯光纖，所述束組合器件適於藉由將所述至少一個光學饋送光纖對準所述多芯光纖的第一芯並將所述至少一個第二光學饋送光纖對準所述多芯光纖的至少一個第二芯而形成複合雷射束； －所述第一芯及所述第二芯，適於在雷射處理頭處將包括第一輸出雷射束及第二輸出雷射束的複合雷射束引導至待處理工件；以及 －控制單元，在功能上連接至所述第一雷射元件及所述第二雷射元件，以各別地控制所述第一輸出雷射束及所述第二輸出雷射束中的功率密度。

根據某些實施例，所述多芯光纖的所述第一芯具有圓形橫截面，且所述第二芯具有與所述第一芯同心的環形形狀。藉此，適於載送或導引第一雷射束的第一光學饋送光纖的中心可對準所述第一芯的中心，且適於載送或導引第二雷射束的至少一個第二光學饋送光纖的中心可對準於所述第二環形芯的內徑與外徑之間。在一個實施例中，所述第二光學饋送光纖為四個且對稱地介接所述第二環形芯的橫截面。

在某些實施例中，第一雷射元件是光纖雷射且第二雷射元件是二極體雷射。在某些其他實施例中，所述第一雷射元件及所述第二雷射元件二者可均為光纖雷射。

根據本發明的第二態樣，一種以雷射束來處理工件的方法包括以下步驟： －自連接至至少一個第一雷射元件的至少一個第一光學饋送光纖提供至少一個第一雷射束； －自連接至至少一個第二雷射元件的至少一個第二光學饋送光纖提供至少一個第二雷射束； －藉由以下方式將所述第一雷射束及所述第二雷射束組合於多芯光纖中：將所述至少一個第一光學饋送光纖對準所述多芯光纖的第一芯並將所述至少一個第二光學饋送光纖對準所述多芯光纖的第二芯； －將包括來自所述多芯光纖的第一輸出束及第二輸出束的複合雷射束引導至待處理工件；以及 －藉由在功能上連接至所述第一雷射元件及所述第二雷射元件的控制單元來各別地控制所述第一輸出束及所述第二輸出束中的功率密度。

根據本發明的第三態樣，一種用於組合及對準雷射束的光學構件包括： －本體部，由熔合玻璃管組成； －所述玻璃管的輸入端，自至少兩個雷射元件接收由光學饋送光纖載送的雷射束； －所述玻璃管的相對的輸出端，遞送複合輸出雷射束，所述複合輸出雷射束由在同一方向上彼此對準的至少兩個雷射束組成； －其中在所述本體部中，在所述輸入端處進入的所述光學饋送光纖在毛細管孔中穿過所述本體部延伸至所述輸出端並與所述玻璃管熔合以形成由光導芯組成並包圍玻璃材料的構件，所述芯的折射率高於包圍所述芯的玻璃材料的折射率，以使光功率藉由全內反射而經由整個所述構件在所述芯中傳播。

根據某些實施例，所述光學構件中的第一光學饋送光纖的中心對準所述本體部的中心，以形成延伸穿過所述光學構件的第一中心光導芯。此外，至少一個第二光學饋送光纖的中心可形成延伸穿過所述光學構件的至少一個第二光導芯，以在所述輸出端處及在距所述第一中心光導芯預定距離處提供輸出束。在較佳實施例中，所述第二光導芯為四個且相對於所述中心芯對稱地排列，以在距所述第一中心光導芯所述預定距離處提供彼此之間具有90°的角度距離的輸出束。

根據本發明的第四態樣，使用本發明裝置用於雷射焊接。根據本發明的第五態樣，使用本發明裝置用於雷射切割。

藉由本發明會獲得相當多的優點，包括： －減少焊縫中的硬化效果，從而減少變形； －因切割表面較為清潔而使切割件具有寬鬆的容差； －大的點及小的鎖孔提供更佳的控制及功率； －更易於進行填充物材料饋送； －用於切割及焊接的一個雷射源； －達成同一結果的成本降低。

接下來，參照附圖更詳細地闡述本發明的實施例。

圖1示出用於解釋傳導鎖孔雷射處理與鎖孔雷射處理所產生影響的差異的示意性橫截面。由能夠進行傳導焊接或切割的二極體雷射所處理的金屬片材1影響金屬的相對淺但寬的點2。通常，此種二極體雷射具有2千瓦特的額定功率以及遠低於0,1百萬瓦特/平方公分的功率密度。點2的最大深度（及切割能力）通常為2毫米。

以參考編號3標記由高亮度雷射（例如，光纖雷射）造成的典型鎖孔圖案。對以此種雷射可切割多厚的金屬片材無實際限制，但此當然取決於雷射束強度及處理速度，即雷射束跨越金屬表面移動的速度。

光纖雷射可具有高達1至5千瓦特或更高的額定功率以及數百萬瓦特/平方公分的功率密度。鎖孔的直徑可處於小於1毫米的範圍中，例如為0.1毫米，且點2的直徑可處於例如數毫米（例如，3毫米）的範圍中。

圖2示出本發明混合雷射概念的實際效果的實例。在橫截面中示出了純鎖眼焊縫及本發明混合焊縫兩者。標號4a及標號4b示出具有分別為3公尺/分鐘及4公尺/分鐘的兩種不同處理速度的鎖孔焊縫。標號5a及標號5b示出具有相同速度的混合焊縫。可注意到，在標號5a及標號5b所示的焊縫中的穿透相較於標號4a及標號4b所示的對應焊縫中的穿透至少深20%，在標號4b及標號5b中的數值分別為例如1,5毫米對1,2毫米。由於本發明混合焊接的本質，焊縫當然亦較寬。混合焊縫的維氏硬度（Vickers Hardness, HV）值（HV245及255）亦低於鎖孔焊縫的HV值（HV300及335），此表示混合接縫中的硬化效果較小。自該些實例亦可看出，將鎖孔雷射處理與傳導雷射處理相組合的效果是相當大的。

圖3示出本發明裝置的一個實施例。高亮度光纖雷射6與光纖8連接至雷射束組合器11。同樣地，一或多個固態雷射或二極體雷射7與光纖9連接至束組合器11。一般而言，單雷射束組合器是此項技術中已知的。在此種情形中，組合器的任務是對所有進入的雷射束進行排列以使其可耦合至雙芯光纖12。因此，本發明雷射的混合本質是具有在單個雙芯光纖12內傳播的兩個雷射束的結果。光纖12內的兩個雷射束通常具有不同的亮度及強度分佈曲線，且甚至可具有不同的波長。此外，可藉由調整來自光纖雷射6及固態雷射或二極體雷射7的功率位凖而獨立並連續地控制兩個雷射束中的功率位凖。

為達成束的足夠亮度，高亮度光纖雷射6可由二極體激升（diode-pumped）單光纖雷射振盪器、二極體激升多光纖雷射振盪器、或主振盪器-功率放大器（master oscillator-power amplifier，MOPA）模組組成，所述組成元件例如各自由耦合至光纖諧振器的光纖耦合二極體雷射組成。高亮度雷射的其他實例為被來自二極體雷射的光激升的光纖耦合薄碟雷射（fiber-coupled thin-disc laser）或Nd-YAG雷射。現代雷射技術常常依賴於光作為能量轉移媒介，乃因諸多主動式固態光放大材料是絕緣體。二極體雷射因其較高的效率及較窄的光譜而已取代了先前使用的閃光燈。

雷射7通常為光纖耦合雷射，所述光纖耦合雷射亦可包括由二極體雷射激升的固態雷射諧振器，例如薄碟雷射諧振器（圖中未示出）。參見圖5，雙芯光纖12在其中心芯中載送來自光纖雷射6的雷射束，且在距中心芯某一距離處圍繞中心芯環形地排列的外芯中載送由一或多個第二雷射諧振器7產生的束。顯然，在本發明的一個實施例中，第一雷射及第二雷射兩者皆可為光纖雷射，其各自具有可獨立控制的功率位凖。某些雷射在構造上為光纖雷射，且固有地將光饋送入光纖，其他雷射需要光學地介接光纖以將雷射束對準至輸出光纖的芯。因此，在某些實施例中，雷射6及雷射7兩者皆可為光纖雷射，且在其他實施例中，光纖雷射與固態雷射或二極體雷射的任何組合或與固態雷射及二極體雷射兩者的任何組合可為二極體雷射。雷射裝置的用途及各別雷射模組的額定功率決定哪些種類的雷射將可行地連接至束組合器11。

雙芯光纖在其相對端連接至雷射處理頭13，雷射處理頭13將經組合或複合雷射束16向前導引至工件14。雷射處理頭13通常包括準直及聚焦透鏡（圖中未示出），從而以所需大小在工件14上產生具有自光纖12的末端發出的強度分佈曲線的影像，所述所需大小由透鏡的焦距確定。雷射頭13的任務亦可為向焊縫提供遮蔽氣體，或向切割線提供加壓氣體噴射。加壓氣體亦保護雷射頭13內的光學元件不會噴出熔融金屬，且亦自切割線移除熔融金屬以幫助保持切割線清潔。

在本發明的一個實施例中，所述裝置設置有控制單元10。所述控制單元亦可整合於雷射單元6或雷射單元7中的一者中。作為另一選擇，為方便及可靠起見，所有的單元6、7及10可被置於單個殼體中並在構造上彼此整合。控制單元10可自雷射頭13的使用者接收回饋15，或例如自光強度感測器接收自動回饋。然後使用所述回饋來控制雷射6及雷射7的功率以遵循預定目標，或根據在工件14處觀察到的所得焊接或切割結果而調整雷射功率。舉例而言，控制單元可由通用電腦組成。此種電腦可設置有恰當的軟體，以基於給定的輸入參數及所接收的回饋15來控制雷射6及雷射7。作為另一選擇，控制單元可包括微控制器，例如Renesas RL78或Toshiba TLCS-870微控制器或類似微控制器。

根據本發明，束組合器11是由熔合氧化矽構件製成，其中光功率經由整個組合器結構在熔合氧化矽內傳播，且所述組合器在輸入及輸出處具有光纖。因此，在本發明中，束組合器11可被稱為全玻璃光纖組合器。

在圖4中示出了自雷射處理頭發出至工件14的複合雷射束40的結構。環形外束42載送由雷射元件7提供的雷射功率，此將在工件上產生相對淺但寬的點，參見圖1。對應地，內束41載送由光纖雷射元件6提供的雷射功率，且將因其較高的亮度而在工件中產生鎖孔圖案。在所述束之間是環形形狀的地帶43，環形形狀的地帶43僅提供雜散的雷射輻照或根本不提供雷射輻照。

在圖5中示出了雙芯光纖50的橫截面，雙芯光纖50具有帶有主要包層54的中心芯51。外芯53在空間上由內包層54及外包層55形成。如對任意熟悉此項技術者而言顯而易見，包層被定義為具有較芯的折射率為低的折射率的材料。中心芯51的直徑可為70微米，且外芯53的內徑及外徑可分別為100微米及180微米。中心芯51及周緣芯53亦可採用不同於上述的其他形式。舉例而言，中心芯51可具有正方形或矩形形狀。周緣芯53亦可具有矩形邊界或由具有線性形狀或圓形形狀的多個區段構成。

以虛線示出來自束組合器的熔合饋送光纖56及57（在圖7中為光纖72及71）的端部的芯可如何與雙芯光纖50的橫截面對準。

雙芯光纖50的中心芯51中的雷射輻照具有位於中心的狹窄空間強度分佈曲線，而外芯53中的強度分佈呈甜甜圈形狀。此空間強度圖案進一步由雷射頭13中的處理光學元件成像至工件上。藉由此構型，在中心芯及外芯兩者中雷射束的束品質皆為相對高的。然而，由於形狀及橫截面積的差異，內芯可較外芯產生更佳的束品質，且因此更佳地針對在切割薄的材料及工件，或在切割厚的材料時進行刺穿。對於較厚的材料，由於外芯的環狀強度分佈，組合處理速度及焊縫或切割表面的清潔性的重要性超過由外芯產生的在某種程度上較低的束品質此一缺點。藉由調整發端雷射源的功率，內芯及外芯的功率強度可根據工件的需求而各別地調整。

現在參照圖6，圖6示出了光學雙芯光纖50的示例性折射率分佈曲線。芯51及53的折射率n₅₁ 及n₅₃ 必須高於分別具有包圍材料54及55的折射率n₅₄ 及n₅₅ 。如此一來，參照圖4，雷射束被導引至工件，以例如被切割而使環形強度分佈曲線的劣化以及每一芯中的光功率及強度的衰減最可能小。

可藉由對熔合氧化矽摻雜雜質而調整所述熔合氧化矽的折射率。以鍺(Ge)摻雜熔合氧化矽會使得折射率增大，而以氟(F)摻雜熔合氧化矽會使得折射率減小。因此，舉例而言，芯51及53可由摻雜有鍺或未經摻雜的熔合氧化矽製成，且芯51及53的主要包層54及55可由摻雜有氟的熔合氧化矽製成。

在圖7中示出光纖組合器11的關鍵光學構件70。光學構件70為多孔毛細管，具有由熔合氧化矽玻璃管77組成的本體部、以及用於自至少兩個雷射元件接收由光學饋送光纖71及72（例如，自元件6及7接收由光纖8及9）載送的雷射束（圖中未示出）的輸入端76。光學構件70亦具有用於遞送複合輸出雷射束的相對的輸出端74，所述複合輸出雷射束由在同一方向上彼此對準的至少兩個雷射束組成。

在輸入端76處進入的光學饋送光纖71、72在毛細管孔中穿過所述本體部延伸至所述輸出端74並與玻璃管77熔合以形成由光導芯71a、72a組成並包圍玻璃材料的構件。所述芯的折射率高於圍繞所述芯的包圍玻璃材料的折射率，以使光功率藉由全內反射而經由整個所述構件在所述芯中傳播。

為示出光纖組合器的原理，未按比例繪示芯的尺寸及構件70的尺寸，且為清晰起見，僅以虛線示出了一對芯。

可例如藉由拉製（drawing）來製造光學構件70。在此實例中，在中心可存在光纖72的直徑為約300微米的較大的孔，且在中心孔72的周圍可存在光纖71的四個對稱放置的較小的孔。舉例而言，所述較小的孔可具有約150微米的直徑。毛細管的外徑可為1毫米。舉例而言，管的材料可為熔合氧化矽。塊體玻璃外包層（圖中未示出）已較佳地被至少部分地蝕刻掉的光纖被插入至中間孔中並被推動至毛細錐形管的腰部73。當光纖放置於定位時，在腰區段73處對毛細管70加熱以將光纖熔合至管並形成第一中心光導芯72a及第二光導芯71a，所述第一中心光導芯72a及所述第二光導芯71a皆延伸穿過光學構件70。

作為另一選擇，光纖71及光纖72可具有由純熔合氧化矽材料製成的內芯及由摻雜有氟的氧化矽製成的外包層。如此一來，由於光纖的光導芯固有地被具有較低折射率的材料環繞，因此光學構件70的熔合氧化矽玻璃管77可由純熔合氧化矽製造。此意味著即使毛細管的折射率與光纖芯中的折射率相同，光仍保持在芯71a及72a中。在此種情形中，塊體玻璃的外光纖包層可被向下蝕刻至摻雜有氟的包層，或甚至進一步地向下蝕刻，只要某些摻雜有氟的包層保持位於純的或摻雜有鍺的內光纖芯周圍即可。

然後將熔合芯71a及72a（以虛線示出）及管70切除或劈開以產生端表面74。然後可在端74處將雙芯光纖12（如同圖3中所示者）焊接至毛細管，從而產生接縫75。

在較佳實施例中，第一光學饋送光纖72的中心對準構件70的中心，且例如四個第二光學饋送光纖71的中心被定位成在輸出端74處在距第一中心光導芯72a預定距離R處提供輸出束。第二光導芯71a較佳地相對於中心芯72a對稱地排列，以提供彼此之間具有90°的角度距離的輸出束。

應理解，如相關技術中具有通常知識者將認識到，本發明所揭露的實施例並非僅限於本文中所揭露的特定結構、製程步驟或材料，而是擴展至所述特定結構、製程步驟或材料的等效形式。亦應理解，本文中所採用的術語僅用於闡述特定實施例，而並非旨在限制本發明。

本說明書通篇中所提及的「一個實施例」或「實施例」意指結合所述實施例所闡述的特定特徵、結構或特性包括於本發明的至少一個實施例中。因此，在本說明書通篇中各處出現的片語「在一個實施例中」或「在實施例中」未必皆指同一實施例。

在本文中，本發明的各種實施例及實例可與其各種構件的替代形式一起提及。應理解，此類實施例、實例及替代形式不應被解釋為彼此的實際等效形式，而是應被視為本發明的單獨及自主的表示形式。

此外，在一或多個實施例中，所闡述的特徵、結構或特性可以任何適當的方式進行組合。在說明中提供了眾多具體細節（例如長度、寬度、形狀等的實例）以提供對本發明實施例的透徹理解。然而，熟習相關技術者將認識到，無需所述具體細節中的一或多者亦可實踐本發明或以其他方法、構件、材料等亦可實踐本發明。在其他情形中，未詳細示出或闡述眾所習知的結構、材料或操作以免使本發明的態樣模糊不清。

儘管上述實例在一或多種特定應用中說明瞭本發明的原理，但對於此項技術中具有通常知識者將顯而易見，在不執行創造能力且不背離本發明的原理及概念的條件下可作出形式、使用及實作細節方面的諸多潤飾。因此，預期本發明除受下述申請專利範圍限制外將不受限制。

1‧‧‧金屬片材
2‧‧‧點
3‧‧‧鎖孔圖案
4a‧‧‧鎖孔焊縫
4b‧‧‧鎖孔焊縫
5a‧‧‧混合焊縫
5b‧‧‧混合焊縫
6‧‧‧高亮度光纖雷射/光纖雷射/雷射單元/光纖雷射元件
7‧‧‧固態雷射或二極體雷射/第二雷射諧振器/雷射單元/雷射元件
8‧‧‧光纖/光纖
9‧‧‧光纖
10‧‧‧控制單元
11‧‧‧雷射束組合器/光纖組合器
12‧‧‧雙芯光纖/光纖/雙芯光纖
13‧‧‧雷射處理頭/雷射頭
14‧‧‧工件
15‧‧‧回饋
16‧‧‧複合雷射束
40‧‧‧複合雷射束
41‧‧‧內束
42‧‧‧環形外束
43‧‧‧環形形狀的地帶
50‧‧‧雙芯光纖/雙芯光纖
51‧‧‧中心芯
53‧‧‧外芯/周緣芯
54‧‧‧主要包層/內包層/包圍材料
55‧‧‧外包層/包圍材料/主要包層
56‧‧‧熔合饋送光纖
57‧‧‧熔合饋送光纖
70‧‧‧光學構件
71‧‧‧光學饋送光纖/光纖
71a‧‧‧光導芯/第二光導芯/熔合芯
72‧‧‧光學饋送光纖/光纖/中心孔/第一光學饋送光纖
72a‧‧‧光導芯/第一中心光導芯/熔合芯/中心芯
73‧‧‧腰部/腰區段
74‧‧‧輸出端/端表面/端
75‧‧‧接縫
76‧‧‧輸入端
77‧‧‧熔合氧化矽玻璃管
n₅₁、n₅₃、n₅₄、n₅₅‧‧‧折射率
R‧‧‧預定距離

以下，參照附圖詳細闡述本發明，在附圖中： 圖1示出傳導雷射處理及鎖孔雷射處理所產生影響的示意性橫截面。 圖2示出鎖孔焊縫與本發明混合焊縫之間在橫截面中的差異。 圖3示出本發明裝置的實例。 圖4在橫截面中示出根據本發明的複合雷射束。 圖5示出本發明耦合器件的接收端的橫截面。 圖6說明在本發明耦合器件的輸出處的折射率分佈曲線。 圖7示意性地示出根據本發明的光學構件。

6‧‧‧高亮度光纖雷射/光纖雷射/雷射單元/光纖雷射元件

7‧‧‧固態雷射或二極體雷射/第二雷射諧振器/雷射單元/雷射元件

8‧‧‧光纖/光纖

9‧‧‧光纖

10‧‧‧控制單元

11‧‧‧雷射束組合器/光纖組合器

12‧‧‧雙芯光纖/光纖/雙芯光纖

13‧‧‧雷射處理頭/雷射頭

14‧‧‧工件

15‧‧‧回饋

16‧‧‧複合雷射束

Claims (17)

1. 一種雷射處理裝置，包括： －至少一個第一雷射元件（6），分別為至少一個第一光學饋送光纖（8）提供第一雷射束； －至少一個第二雷射元件（7），分別為至少一個第二光學饋送光纖（9）提供第二雷射束； －束組合器件（11），連接至所述第一饋送光纖及所述第二饋送光纖並連接至多芯光纖（12；50），所述束組合器件適於藉由將所述至少一個光學饋送光纖（72；56）對準所述多芯光纖（50）的第一芯（51）並將所述至少一個第二光學饋送光纖（71；57）對準所述多芯光纖（50）的至少一個第二芯（53）而形成複合雷射束（16）； －所述第一芯及所述第二芯，適於在雷射處理頭（13）處將包括第一輸出雷射束及第二輸出雷射束（41，42）的複合雷射束（16；40）引導至待處理工件（14）；以及 －控制單元（10），在功能上連接至所述第一雷射元件及所述第二雷射元件（6，7），以各別地控制所述第一輸出雷射束及所述第二輸出雷射束中的功率密度。
2. 如申請專利範圍第1項所述的雷射處理裝置，其中所述多芯光纖（50）的所述第一芯（51）具有圓形橫截面，且所述第二芯（53）具有與所述第一芯同心的環形形狀。
3. 如申請專利範圍第2項所述的雷射處理裝置，其中適於導引所述第一雷射束的所述第一光學饋送光纖（72；56）的中心對準所述多芯光纖（50）的所述第一芯（51）的中心。
4. 如申請專利範圍第2項或第3項所述的雷射處理裝置，其中適於導引所述第二雷射束的所述至少一個第二光學饋送光纖（71；57）的中心對準於所述多芯光纖（50）的所述第二環形芯（53）的內徑與外徑之間。
5. 如申請專利範圍第4項所述的雷射處理裝置，其中所述第二光學饋送光纖（71；57）為四個且對稱地介接所述多芯光纖的所述第二環形芯（53）的橫截面。
6. 如申請專利範圍第1項至第5項中任一項所述的雷射處理裝置，其中所述至少一個第一雷射元件（6）是光纖雷射。
7. 如申請專利範圍第1項至第6項中任一項所述的雷射處理裝置，其中所述至少一個第二雷射元件（7）是二極體雷射。
8. 如申請專利範圍第1項至第6項中任一項所述的雷射處理裝置，其中所述第一雷射元件（6）及所述第二雷射元件（7）二者為光纖雷射。
9. 一種以雷射束來處理工件的方法，包括以下步驟： －自連接至至少一個第一雷射元件（6）的至少一個第一光學饋送光纖（8）提供至少一個第一雷射束； －自連接至至少一個第二雷射元件（7）的至少一個第二光學饋送光纖（9）提供至少一個第二雷射束； －藉由以下方式將所述第一雷射束及所述第二雷射束組合於多芯光纖（12；50）中：將所述至少一個第一光學饋送光纖（72；56）對準所述多芯光纖（50）的第一芯（51）並將所述至少一個第二光學饋送光纖（71；57）對準所述多芯光纖（50）的第二芯（53）； －將包括來自所述多芯光纖的第一輸出束（41）及第二輸出束（42）的複合雷射束（16；40）引導至待處理工件（14）；以及 －藉由在功能上連接至所述第一雷射元件（6）及所述第二雷射元件（7）的控制單元（10）來各別地控制所述第一輸出束及所述第二輸出束中的功率密度。
10. 如申請專利範圍第9項所述的以雷射束來處理工件的方法，更包括以下步驟： －將所述第一饋送光纖（72；56）的中心對準位於所述多芯光纖（50）的橫截面中的中心處的所述第一芯（51）的中心； －將第二饋送光纖（71；57）的中心對準於與所述第一芯同心的環形的所述第二芯（53）的內徑與外徑之間。
11. 一種用於組合及對準雷射束的光學構件，包括： －本體部，由熔合玻璃管（77）組成； －所述玻璃管的輸入端（76），自至少兩個雷射元件接收由光學饋送光纖載送的雷射束； －所述玻璃管的相對的輸出端（74），遞送複合輸出雷射束，所述複合輸出雷射束由在同一方向上彼此對準的至少兩個雷射束組成； －其中在所述本體部中，在所述輸入端（76）處進入的所述光學饋送光纖（71，72）在毛細管孔中穿過所述本體部延伸至所述輸出端（74）並與所述玻璃管（77）熔合以形成由光導芯（71a，72a）組成並包圍玻璃材料的構件，所述芯的折射率高於包圍所述芯的材料的折射率，以使光功率藉由全內反射而經由整個所述構件在所述芯中傳播。
12. 如申請專利範圍第11項所述的光學構件，其中第一光學饋送光纖（72）的中心對準所述本體部的中心，以形成延伸穿過所述光學構件的第一中心光導芯（72a）。
13. 如申請專利範圍第12項所述的光學構件，其中至少一個第二光學饋送光纖（71）的中心形成延伸穿過所述光學構件的至少一個第二光導芯（71a），以在所述輸出端（74）處及在距所述第一中心光導芯（72a）預定距離處提供輸出束。
14. 如申請專利範圍第13項所述的光學構件，其中所述第二光導芯（71a）為四個且相對於所述中心芯（72a）對稱地排列，以在距所述第一中心光導芯（72a）所述預定距離處提供彼此之間具有90°的角度距離的所述輸出束。
15. 一種如申請專利範圍第11項至第14項中任一項所述的光學構件，應用在如申請專利範圍第1項至第8項中任一項所述的裝置中。
16. 一種如申請專利範圍第1項至第8項所述的裝置的用途，係用於雷射焊接。
17. 一種如申請專利範圍第1項至第8項所述的裝置的用途，係用於雷射切割。