专利名称：纤维激光束处理装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种使用激光束进行激光束处理的纤维激光束处理装置。
背景技术：
最近，通过将由纤维激光产生的激光束施加到待处理的产品上，纤维激光束处理装置已被实用地用于进行需要的激光束处理。
传统的纤维激光束处理装置使用具有双层铠层结构的双铠层纤维(DCF)作为振荡的光导纤维，其中，该双层铠层结构包括内铠层和外铠层；通过在铠层之间的交界面上的全反射，促使激励光束在内铠层中沿限制光束的轴向方向传播；并且从芯的端面沿轴向发出具有预定波形的振荡光束或纤维激光束。所述装置使用激光二极管(LD)作为激励光源，并用于将LD的激励激光束通过光学透镜会聚和入射到DCF的端面上。
除了上述LD端面激励方案的DCF激光外，传统纤维激光束处理装置还使用称为“引线方案”的纤维激光，该“引线方案”具有以下结构多个光学引导(例如光导纤维)已树枝形式从振荡光导纤维的侧面分支，且用于激励的LD被集成连接到所述每个引导的顶端。
如上所述，使用小而亮且具有高发光效率的LD激光束作为纤维激光激励光束。然而，LD光束在光束模式和会聚方面具有较差质量。因此，在传统纤维激光束处理装置中的LD端面激励方案的DCF激光具有激励LD和DCF之间的低光学耦合效率，结果，很难使用DCF激光获得高输出纤维激光束。根据引线方案，来自LD用于激励的激光束通过光导纤维(分支型)被施加至用于振荡的光导纤维。从而，其耦合效率或激励效率高，并可相对容易地获得高输出纤维激光束。相反，激励单元(光学引导和用于激励的LD)复杂且笨重。另外，由于所述单元被物理集成连接至用于振荡的光导纤维，会出现以下问题很难对其中的组件(尤其是用于激励的LD)进行维护和修理。
发明内容
本发明是为了解决上述传统技术中的上述问题，且其目的是提供一种其上安装有纤维激光器的纤维激光束处理装置，所述纤维激光器具有简单且小巧的结构，并具有良好的可维护性，另外，可容易地获得适用于激光束处理的高输出激光束。
为了达到以上目的，根据本发明的主要方面，提供一种纤维激光束处理装置，其包括用于振荡的光导纤维，其包括包括发光元件的芯，围绕芯的铠层，围绕铠层的气体层，以及围绕和支撑气体层的支撑；激励光源，其产生激励光束以激励用于振荡的光导纤维的芯；光学透镜，其会聚来自激励光源的光束并将激励光束入射到用于振荡的光导纤维的一个端面或两个端面上；以及激光束发射单元，其将用于振荡的光导纤维产生的激光束会聚并施加到要处理的产品的处理点上。
为了光学激励所述用于振荡的光导纤维，本发明采用端面激励方案，通过该方案，可有助于简化激励单元和缩小激励单元的尺寸，且其微小型良好。即，来自激励光源的激励光束通过光学透镜被会聚和入射到用于振荡的光导纤维的端面上。在该用于振荡的光导纤维中，激励光束在铠层中沿轴向传播，且重复在铠层和空气层之间的交界面上的全反射。在端面激励方案中，用于振荡的纤维能够接收激励光束的最大入射角或数值孔径由铠层的折射率和铠层周围的材料的折射率确定，随着所述系数变得相对较大，数值孔径变大，且激励光束可进入铠层的端面的入射角的范围变得更宽。本发明采用以下结构用具有极小折射率的空气层围绕铠层，从而可使得激励光束的数值孔径显著增加，且可以高效耦合将激励光束施加至用于振荡的光导纤维。从而，在端面激励方案中，可轻松且简单地实现激光束的输出的增加，并且可以很好地进行需要的激光束焊接处理。
根据本发明的优选方面，芯由掺有稀土元素的粒子的石英玻璃制成以作为发光元件，且铠层由石英玻璃制成。
根据本发明的另一优选方面，气体层由具有等于或接近铠层的折射率的材料制成并密集地设置在周边方向的中空纤维构造而成。当铠层为石英玻璃时，中空纤维的材料优选为石英。
根据另一优选方面，光学共振器树脂成用于振荡和放大由芯产生的具有预定波形的振荡线。作为一优选方面，光学振荡器构造成包括一反射镜，该反射镜面对通过光学透镜用于振荡的光导纤维的端面。在这种情况下，所述光学透镜会聚从用于振荡的光导纤维的端面射出成平行光束的振荡线，并会聚被反射镜反射和回到用于振荡的纤维的端面上的振荡线。
根据另一优选方面，激励光源由激光二极管构成。激光二极管的数量时任意的，并且可采用阵列结构或层叠结构。
作为另一优选方面，实时能量反馈控制机构由以下单元构成设定单元，其设定用于激光束的激光输出的预期参考值或参考波形；激光输出测量单元，其测量由用于振荡的光导纤维振荡和输出的激光束的激光输出；以及激光能量源单元，其驱动激励光源以使得从激光输出测量单元获得的激光输出测量值与参考值或参考波形一致。即使出现任何激励光源的减弱、波形的变化等时，激光束的激光输出也被保持在设定值，且通过能量反馈控制机构的操作的设定可精确执行任意波形的控制。
根据另一优选方面，由用于振荡的波形纤维产生的纤维激光束通过用于传输的被传输到激光束发射单元。在这个结构中，纤维激光束的光束模式和激光输出都稳定，因此，向用于传输的光导纤维上的会聚良好，且入射数值孔径(NA)和发射NA稳定。因此，可以实现高精度和高效率的纤维传输，且可改善远距离的激光束处理的质量。另外，用于振荡的光导纤维或纤维激光振荡器可从处理位置移走，从而可保护纤维激光振荡器不受处理位置产生的影响，如振动、热、环境光等的影响。
根据本发明的纤维激光束处理装置，由于以上结构和作用，可以简单且小巧的结构轻松获得具有优良维护性且适用于激光束处理的高输出纤维激光束。
本发明的上述和其它目的、方面、特点和优点将通过下面结合附图的详细描述而更加显见。所述附图中图1描绘了本发明实施例中的纤维激光束处理装置的结构；图2描绘了该实施例中用于振荡的光导纤维的结构的简化示意性截面图；图3描绘了该实施例中，光束在用于振荡的光导纤维中的传播的机械结构；
图4描绘了根据该实施例的修改例的用于振荡的光导纤维的结构的简化示意性截面图；以及图5描绘了比较例中，光束在用于振荡的光导纤维结构中的传播的机械结构。
具体实施例方式
现在参考
本发明的优选实施例。
图1描绘了本发明实施例中的纤维激光束处理装置的结构。纤维激光束处理装置构造成包括纤维激光振荡器10、激光能量源单元12、激光束入射单元14、纤维传输系统16、激光束发射单元18、加工台20等。
纤维振荡器10包括用于振荡的光导纤维(在下文中称“振荡纤维”)22；电气光学激励单元24，其将用于光学激励的激励光束MB施加至振荡纤维22的端面上；以及一对通过振荡纤维22彼此光学相对的光学共振器26、28。
电气光学激励单元24包括激光二极管(LD)30和聚光的光学透镜32。LD30被来自激光能量源单元12的激励电流开启和驱动，并振荡和输出用于激励的激光束MB。可任选构成LD30的LD元件的数量，且可采用阵列结构或叠置结构。光学透镜32将来自LD30用于激励的激光束MB会聚并入射到振荡纤维22的端面上。设置在LD30和光学透镜32之间的光学共振器26用于传播从LD30入射的用于激励的激光束MB，并用于将从振荡纤维22入射的振荡线全部反射在共振器的光轴上。
如下所述，振荡纤维22包括结合有预置发光元件的芯，以及同轴围绕该芯的金属包层，使用该芯作为其激活介质，金属包层作为激励光的传播光路。如上入射到振荡纤维22的端面上的激励激光束MB沿轴向在振荡纤维22中传播，该振荡纤维22被限制为在金属包层的周界面上发生全反射，并且通过在传播过程中多次穿过所述芯来光学激励该发光元件。以这种方法，具有预定波长的振荡线从芯的两个端面沿轴向被发射。振荡线在光学共振器26和28之间来回多次，从而共振并放大，并从由局部反射镜构成的该对共振器的光学共振器28得到具有预定波长的纤维激光束FB。
光学透镜32和34将从振荡纤维22的端面发射的振荡线会聚成平行光束，并将该平行光束指向光学共振器26和28，并将光学共振器26和28反射回来的振荡线会聚在振荡纤维的端面上。穿过振荡纤维22用于激励的激光束MB传播经过光学透镜34和光学共振器28，然后被返回镜36返回并指向侧面的激光吸收器38。从光学共振器28输出的纤维激光束FB被直线传播经过返回镜36、通过分束器40，并进入激光束入射单元14。
分束器40反射一部分(例如，百分之一)入射到预定方向(即，朝向用于控制器能量的光接收元件，例如光电二极管(PD)42)的纤维激光束FB。会聚来自分束器40的反射光束或监控光束RFB的聚光透镜44可设置在光电二极管(PD)42的前面。
光电二极管(PD)42光电转换来自发生器40的监控光束RFB，输出表示纤维激光束FB的激光输出(峰值能量)的电信号(激光生产测量信号)SFB，并将该信号SFB提供至激光能量源单元12。激光能量源单元12将来自光电二极管(PD)42的激光输出测量信号SFB作为反馈信号输入并实时控制用于LD30激励电流ILD，以使得纤维激光束FB的激光输出符合或遵循由使用者从控制板62输入的需要的激光输出的设定值或设定波形。由于这个实时能量反馈控制工作，由纤维激光振荡器10振荡并输出的纤维激光束FB的激光输出被保持在设定值，且任意波形控制都可以按设定的情况准确执行，即使出现LD30减弱、波形变化等时也是如此。
已进入激光入射单元14的纤维激光束FB被转向镜46偏转成预定方向，被入射单元48中的聚光透镜50会聚，并被入射到纤维传输系统16的用于传输的光导纤维(下文中称“传输纤维”)52的端面上。传输纤维52包括例如SI(步长指数)型纤维，并将入射到入射单元48中的纤维激光束FB传输到激光束发射单元18的发射单元54。
反射单元54包括聚光透镜56，该聚光透镜将从传输纤维52的端面射出的纤维激光束FB会聚成平行光束；以及聚光透镜58，其将平行光束的纤维激光束FB会聚到预定聚焦位置，并将纤维FB会聚和施加至将要处理的产品60的处理点W上。
例如，在激光束焊接的情况中，具有脉冲波形的激励电流从激光能量源单元12被供应至LD30，从而，具有脉冲波形的激励激光束MB从LD30被施加至纤维聚光振荡器10中的振荡纤维22，从而，具有脉冲波形的纤维激光束FM从纤维激光振荡器10被振荡和输出。具有脉冲波形的纤维激光束FM穿过激光束入射单元14、纤维传输系统16和激光束发射单元18，并被会聚和施加在要处理的产品60的处理点W上。在处理点W处，要处理的材料被具有脉冲波形的纤维激光束FB的能量熔化，并在施加脉冲后，固化并形成焊点。
在纤维激光束处理装置中，纤维聚光振荡器10采用包括直径约为10μm且长度约为几米的加长芯的振荡纤维22作为激活介质，从而，可振荡并输出具有小束直径和小束发散角的纤维激光束FB。另外，入射到振荡纤维22的端面中的激励激光束MB通过多次穿过芯并且束MB在振荡纤维22中的几米长的长光路上传播来完全吸收其激励能量，从而振荡器10可以很高的振荡效率产生纤维激光束FB。由于振荡纤维22的芯不产生热透镜效应，所以纤维激光振荡器10的光束模式非常稳定。
另外，由于纤维激光束处理装置采用如上LD端面激励方案，激励机构简单且小巧，并可青色的执行对其中构件(尤其是，围绕LD30的构件)的维护和维修。而且，如上所述，显著改善了LD30和振荡纤维22之间的光耦合效果，从而可轻松获得适用于需要高能量的激光束焊接处理的高输出纤维激光束FB。
图2描绘了该实施例中的振荡纤维22的结构。所述振荡纤维22包括在其中心轴上延伸的芯64、围绕芯64的铠层66、围绕铠层66的气体层68、通过围绕气体层68来支撑气体层68的支撑70、和围绕支撑单元70的保护层72。
芯64由掺杂有稀土元素粒子，例如Nd3+的石英玻璃制成。铠层66由例如石英玻璃制成。支撑70由例如多组分玻璃或树脂制成。保护层72由例如树脂制成。气体层68通过由具有等于或接近铠层66的折射率的材料制成并密集地设置在周边方向的中空纤维74构成，且每个中空纤维(石英玻璃)74被集成或合并有铠层(石英玻璃)66。中空纤维74可具有以下结构其两端面封闭，且其中的空气与环境大气隔绝。虽然真空纤维74中的气体一般为空气，例如N2的其它气体也可填入其中。
图3描绘了振荡纤维22中的光束传播的机械结构。来自LD30(图1)的激励激光束MB被光学透镜32(图1)会聚；入射到振荡纤维22的端面上；在铠层66中沿轴向传播，重复在铠层66和气体层68之间的全反射。在这种情况下，假设铠层66的折射率为n1，气体层68的折射率为n2，振荡纤维22可接收激励激光束MB的入射角的最大值为θA，且数值孔径NA为例如NA＝0.55。
图5描绘了比较例中，在纤维22’构造成省略气体层68并围绕铠层66设置支撑单元70的情况下，振荡纤维22’的光束传播的机械结构。这个纤维结构对应于背景技术部分中描述的DCF。在这种情况下，已从振荡纤维22’的端面进入铠层66的激励激光束MB沿轴向传播，并重复在支撑单元(外铠层)70和铠层66之间的交界面80上的全反射。在这种情况下，假设支撑单元70的折射率为n3，振荡纤维22’可接收激励激光束MB的入射角的最大值为θB，数值孔径为NA，例如NA＝0.45。已经以超过最大入射角θB的入射角进入铠层66的激励激光束MB’射出铠层66，且没有在铠层交界面80上执行全反射，且没有激励芯64，如图5中虚线所示。
如上所述，在该实施例中，由于将气体层68设置成具有振荡纤维22的铠层66周围的具有极小折射率，对于激励激光束MB可实现数值孔径NA的显著(约20％)增加，从而，可显著改善LD端面激励方案中的光耦合效率，从而可轻松并简单地实现纤维激光束FB的输出的增加，并可执行很好的激光焊接过程。
图4描绘了该实施例振荡纤维的修改例。如图所示，通过在围绕芯64的铠层66的内周或内壁部分上沿周边方向设置多个孔78来加入构造第二(内层)气体层。这个纤维结构可改善定义在芯64中的波导特性，可改善在芯64中传播的振荡线或纤维激光束FM，从而更大地改善纤维激光束FM的光束质量。
在本发明中，可采用以下结构第一(外)气体层68以孔的形式设置在铠层66或支撑单元70中。
虽然已对本发明的优选实施例进行了描述，但本发明不限于以上实施例。本领域技术人员可在不背离本发明的技术精神和技术范围的情况下对本发明在操作的具体模式方面做出各种修改和改变。
例如，在以上实施例中，纤维激光振荡器10和激光束发射单元18通过纤维传输系统16(传输纤维52)光学连接，且纤维激光振荡器10受到保护使其在处理部位不受影响。然而，可采用以下方案或结构有纤维激光振荡器10振荡和输出的纤维激光束FB直接地或经过转向镜等，而不是使用纤维传输系统16，被送至激光束发射单元18。
在纤维激光振荡器10中，可以对于电气光学激励单元24、光学共振器26和28、光学透镜32和34等进行修改和局部省略，也可采用具有相同功能和作用的其它构件。例如，虽然上述实施例采用了激励激光束EM被施加至振荡纤维22的一侧的端面上的单侧激励方案，还可以采用激励激光束被施加至振荡纤维22的两侧上的端面的双侧激励方案。否则，通过在纤维激光振荡器10中设置Q切换可产生Q切换脉冲的纤维激光束。
本发明的纤维激光束处理装置不限于激光焊接，并可用于例如激光标识、激光钻孔和激光切割的激光束处理。
权利要求
1.一种纤维激光束处理装置，其包括用于振荡的光导纤维，其包括包括发光元件的芯，围绕芯的铠层，围绕铠层的气体层，以及围绕和支撑气体层的支撑；激励光源，其产生激励光束以激励用于振荡的光导纤维的芯；光学透镜，其会聚来自激励光源的光束并将激励光束入射到用于振荡的光导纤维的一个端面或两个端面上；以及激光束发射单元，其将用于振荡的光导纤维产生的激光束会聚并施加到要处理的产品的处理点上。
2.如权利要求1所述的纤维激光处理装置，其中，所述芯由掺有稀土元素的粒子的石英玻璃制成以作为发光元件。
3.如权利要求1或2所述的纤维激光处理装置，其中，铠层由石英玻璃制成。
4.如权利要求1至3中任一项所述的纤维激光处理装置，其中，气体层由具有等于或接近铠层的折射率的材料制成并密集地设置在周边方向的中空纤维构造而成。
5.如权利要求4所述的纤维激光处理装置，其中，中空纤维的材料为石英。
6.如权利要求1至5中任一项所述的纤维激光处理装置，其中，还包括光学共振器，用于共振和放大由芯产生的具有预定波形的振荡线。
7.如权利要求6所述的纤维激光处理装置，其中，光学振荡器包括反射镜，该反射镜面对通过光学透镜用于振荡的光导纤维的端面。
8.如权利要求7所述的纤维激光处理装置，其中，所述光学透镜会聚从用于振荡的光导纤维的端面射出成平行光束的振荡线，并会聚被反射镜反射和回到用于振荡的纤维的端面上的振荡线。
9.如权利要求1至8中任一项所述的纤维激光处理装置，其中，所述激励光源包括激光二极管。
10.如权利要求1至9中任一项所述的纤维激光处理装置，其中，还包括设定单元，用于给激光束的激光输出设定期望的参考值或期望的参考波形；激光输出测量单元，其测量由用于振荡的光导纤维振荡和输出的激光束的激光输出；以及激光能量源单元，其驱动激励光源以使得从激光输出测量单元获得的激光输出测量值与参考值或参考波形一致。
11.如权利要求1至10中任一项所述的纤维激光处理装置，其中，还包括用于传输的光导纤维，用于将用于振荡的光导纤维产生的激光束传输到激光束发射单元。
全文摘要
本发明提供一种纤维激光束处理装置，其包括纤维激光振荡器、激光能量源单元、激光入射单元、纤维传输系统、激光束发射单元、处理台等。纤维激光振荡器包括用于振荡的光导纤维、将用于光学激励的激励光束施加到用于振荡的光导纤维的端面上的电气光学激励单元，以及通过用于振荡的光导纤维彼此光学相对的一对光学振荡镜。所述用于振荡的光导纤维包括沿其中心轴延伸的芯，围绕芯的铠层，围绕铠层的气体层，以及围绕和支撑气体层的支撑。
文档编号H01S3/067GK101013789SQ200710006149
公开日2007年8月8日 申请日期2007年1月31日 优先权日2006年1月31日
发明者松田恭, 岛田秀宽, 中山伸一 申请人:宫地技术株式会社