基于多个光纤输出激光模块的复合光斑激光系统及加工头技术方案

本实用新型专利技术公开了一种基于多个光纤输出激光模块的复合光斑激光系统及加工头，直接利用多个小功率光源，通过光学系统产生复合光斑，并利用这种激光系统制造加工头，包括多个光纤输出激光模块、与光纤输出激光模块对应的多个准直透镜以及一个聚焦透镜；所述光纤输出激光模块的输出光纤端面位于与之对应的准直透镜的前方焦点附近，所述准直透镜至少包括一片透镜。本实用新型专利技术避免了大功率激光合束器的使用，激光输出分散在多个点处，避免了热的集中，避免了由合束器带来的可靠性问题；提高了光束质量；激光光学系统中的热问题可以采用技术手段大幅消除；通过分散热问题和采取导热措施，可以大幅降低热效应的影响，提高系统可靠性和特性。

Laser system and machining head of compound facula based on multiple optical fiber output laser modules

【技术实现步骤摘要】
基于多个光纤输出激光模块的复合光斑激光系统及加工头
本技术涉及一种激光系统及加工头，特别是一种基于多个光纤输出激光模块的复合光斑激光系统及利用该系统的激光加工头，属于激光加工
，可广泛应用于激光加工产业中。
技术介绍
激光加工应用中需要多种结构的激光光斑以保证激光加工的效果。比如：用于焊接或切割的中心功率大边缘功率小的复合光斑，参见图1-1A；用于焊接的多光点光斑，参见图1-1B和图1-2；用于熔覆、焊接、淬火的条状光斑、矩形光斑及圆环形光斑等，参见图1-3。目前实现图1-1A所示光斑通常采用双波长光源，光路如图2-1所示，两个光源L1和L2发出的不同波长的光分别经准直透镜CL-1和CL-2准直后，用合波镜WC合束后由同一个聚焦镜在焦面上形成叠加的光斑。此外，实现图1-1A所示光斑还有一种办法是采用双焦距聚焦透镜，该透镜中心区域和边缘区域的曲率半径不同，在一个透镜形成两个焦距，由光纤输出的光经准直透镜和这种双焦距透镜后就沿轴向形成两个焦点，在垂直光轴截面上就产生图1-1A的分布。图1-1B所示光斑用在焊接中可以减少金属溅射，目前，相干公司芬兰工厂开发了一种FL-ARM技术，它由一种环形激光合束器和一种包含一个中心芯和一个环形芯的特种光纤组成，光纤的中心芯输出中心光斑，环形芯输出环状光斑。图1-2所示的3光点光斑的实现光路如图2-2A所示，某个光纤光源L输出的光经准直透镜CL准直后，在平行光路中由光分束器BS分割成3个区域，三个区域的光之间存在相对偏转并由透镜阵列LA整形和匀光，之后再聚焦透镜FC的后焦面上形成3个光点，所分割区域大小决定个光点功率大小。图2-2B给出了分束器和透镜阵列的一种可行设置的示意图，最大的区域上只设置一个透镜整列LA0，形成主光斑，在另两个区域上分别设置BS1、LA1和BS2、LA2，产生需要的两个辅助光斑。产生偏转的分束镜通常是光楔。图1-3所示的条形、矩形和圆环形光斑，可由图2-3所示光路实现，某个光纤光源L输出的光由准直透镜CL准直后，在平行光路中汇聚透镜的前焦面附近设置有透镜阵列LA，然后由聚焦透镜FC汇聚到后焦面上。上述的这些光斑技术都采用一个或两个不同波长光源实现的，这些光源都是昂贵的大功率光源。而现实中，这些光源通常都是采用小功率光源通过合束后得到的。因此，激光加工光斑的产生可以看成是通过下列路径实现的：多个小功率激光模块+合束器+激光光学系统。即小功率激光通过合束变成大功率激光，然后大功率激光光斑通过光学系统变换成所需光斑。在上述这种技术路径中，存在以下问题：首先是系统中的技术问题：1、激光在合束过程中，合束器必须处理掉合束过程中不可避免的泄漏光，热管理非常难，导致器件可靠性低；2、合束器的不完美，使光束质量严重偏离其理论可以达到的水平，为后续激光光学系统设计带来困难；3、激光光学在大功率激光作用下会吸收热量导致温度升高，由于玻璃是不良热导体，透镜只能通过透镜框在边缘冷却，这就导致透镜中心温度高，形成所谓的热透镜效应，功率越大，热透镜效应越明显，会产生光斑的漂移，影响加工质量。其次是成本问题：1、大功率合束器非常贵，大功率激光器的单位功率价格通常是小功率激光模块的单位功率价格的2倍左右；2、复合光斑的产生需要透镜阵列、特种光纤等特殊的光学元件，目前这些元件在国际上只有少数几家公司可以生产，加工困难，价格昂贵。最后，当前的技术方案尚不能完全满足激光加工对激光设备更高的特性要求：按照目前的技术方案，系统一旦设计定型后，在实际应用中光斑结构是固定的，也就是光斑分布区域固定及不同区域的相对能量分布固定，由于不同材料和不同场景的应用对光斑的要求差别极大，这就使得传统设备的适应性差，用户需要采购大量设备应对不同的需求，大幅增加成本。
技术实现思路
为了解决现有技术中存在的问题，本技术的目的是提供一种基于多个光纤输出激光模块的复合光斑激光系统及加工头，直接利用多个小功率光源，通过光学系统产生复合光斑，并利用这种激光系统制造加工头。为了实现上述目的，本技术的技术方案概括如下：一种基于多个光纤输出激光模块的复合光斑激光系统，包括多个光纤输出激光模块、与光纤输出激光模块对应的多个准直透镜以及一个聚焦透镜；所述光纤输出激光模块的输出光纤端面位于与之对应的准直透镜的前方焦点附近，所述准直透镜至少包括一片透镜；所述聚焦透镜至少包括一片透镜，位于诸准直透镜的后方；每一个光纤输出激光模块的输出光纤端面经与之相对应的准直透镜后，由聚焦透镜聚成像到后焦点附近，这些像点组合起来形成复合光斑。所述诸准直透镜的光轴平行，在空间并行设置；聚焦透镜光轴与准直透镜光轴平行；所述光纤输出激光模块输出光纤的芯的横截面的形状是圆形的，或者是矩形的。通过调整激光模块光纤输出端面位置、纤芯形状、纤芯尺寸及所对应准直透镜焦距，使诸所述光纤输出激光模块输出光纤端面通过对应的准直透镜及所述聚焦透镜后在焦面附近成的像叠加在一起形成一个单一的光斑，光斑区域的强度相同；或者光斑区域内中间功率高，边缘功率低。通过调整激光模块光纤输出端面位置、纤芯形状、纤芯尺寸及所对应准直透镜焦距，使诸所述光纤输出激光模块输出光纤端面通过对应的准直透镜及所述聚焦透镜后在焦面附近成的像排成一条形光斑，或者排列成一个矩形光斑。通过调整激光模块光纤输出端面位置、纤芯形状、纤芯尺寸及所对应准直透镜焦距，使诸所述光纤输出激光模块输出光纤端面通过对应的准直透镜及所述聚焦透镜后在焦面附近成的像形成分布在几个分离区域的光斑。通过调整激光模块光纤输出端面位置、纤芯形状、纤芯尺寸及所对应准直透镜焦距，使诸所述光纤输出激光模块输出光纤端面通过对应的准直透镜及所述聚焦透镜后在焦面附近成的像形成沿透镜光轴方向排列的光斑。通过调整激光模块光纤输出端面位置、纤芯形状、纤芯尺寸及所对应准直透镜焦距，使诸所述光纤输出激光模块输出光纤端面通过对应的准直透镜及所述聚焦透镜后在焦面附近成的像形成环状结构的光斑；或者形成由一个环状结构的光斑及一个位于环状光斑中心的点状光斑组成的光斑。所述诸光纤输出激光模块发光的相对持续时间是相同的，或者是不同的；各光纤输出激光模块发光的相对持续时间内的功率是相同的，或者是不同的；诸光纤输出激光模块发光的相对持续时间是同步的，或者是不同步的；形成光斑形状随时间变化的光斑结构，满足不同激光加工对光斑的要求。本技术还提供了一种基于复合光斑激光系统的激光加工头，包括多个光纤输出激光模块、与光纤输出激光模块对应的多个准直透镜、一个聚焦透镜、光纤支架、准直透镜支架、聚焦透镜支架以及管状壳体。所述多个光纤输出激光模块的输出光纤的输出端固定在光纤支架上；所述多个准直透镜固定在所述准直透镜支架上；所述聚焦透镜固定在所述聚焦透镜支架上；所述光纤支架固定在所述管状壳体内部靠近一端，并使光纤输出端面面向所述管状壳体的另一端；所述准直透镜支架设置在所述管状壳体的内部并邻接光纤支架；所述聚焦透镜支架固定在所述管状壳体的内部并邻接准直透镜组支架；固定在所述光纤支本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于多个光纤输出激光模块的复合光斑激光系统，其特征在于，包括多个光纤输出激光模块、与光纤输出激光模块对应的多个准直透镜以及一个聚焦透镜；所述光纤输出激光模块的输出光纤端面位于与之对应的准直透镜的前方焦点附近，所述准直透镜至少包括一片透镜；所述聚焦透镜至少包括一片透镜，位于诸准直透镜的后方；每一个光纤输出激光模块的输出光纤端面经与之相对应的准直透镜后，由聚焦透镜聚成像到后焦点附近，这些像点组合起来形成复合光斑。/n

【技术特征摘要】
1.基于多个光纤输出激光模块的复合光斑激光系统，其特征在于，包括多个光纤输出激光模块、与光纤输出激光模块对应的多个准直透镜以及一个聚焦透镜；所述光纤输出激光模块的输出光纤端面位于与之对应的准直透镜的前方焦点附近，所述准直透镜至少包括一片透镜；所述聚焦透镜至少包括一片透镜，位于诸准直透镜的后方；每一个光纤输出激光模块的输出光纤端面经与之相对应的准直透镜后，由聚焦透镜聚成像到后焦点附近，这些像点组合起来形成复合光斑。


2.根据权利要求1所述的基于多个光纤输出激光模块的复合光斑激光系统，其特征是：所述诸准直透镜的光轴平行，在空间并行设置；聚焦透镜光轴与准直透镜光轴平行；所述光纤输出激光模块输出光纤的芯的横截面的形状是圆形的，或者是矩形的。


3.根据权利要求1所述的基于多个光纤输出激光模块的复合光斑激光系统，其特征是：通过调整激光模块光纤输出端面位置、纤芯形状、纤芯尺寸及所对应准直透镜焦距，使诸所述光纤输出激光模块输出光纤端面通过对应的准直透镜及所述聚焦透镜后在焦面附近成的像叠加在一起形成一个单一的光斑，光斑区域的强度相同；或者光斑区域内中间功率高，边缘功率低。


4.根据权利要求1所述的基于多个光纤输出激光模块的复合光斑激光系统，其特征是：通过调整激光模块光纤输出端面位置、纤芯形状、纤芯尺寸及所对应准直透镜焦距，使诸所述光纤输出激光模块输出光纤端面通过对应的准直透镜及所述聚焦透镜后在焦面附近成的像排成一条形光斑，或者排列成一个矩形光斑。


5.根据权利要求1所述的基于多个光纤输出激光模块的复合光斑激光系统，其特征是：通过调整激光模块光纤输出端面位置、纤芯形状、纤芯尺寸及所对应准直透镜焦距，使诸所述光纤输出激光模块输出光纤端面通过对应的准直透镜及所述聚焦透镜后在焦面附近成的像形成分布在几个分离区域的光斑。


6.根据权利要求1所述的基于多个光纤输出激光模块的复合光斑激光系统，其特征是：通过调整激光模块光纤输出端面位置、纤芯形状、纤芯尺寸及所对应准直透镜焦距，使诸所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：方强，方笑尘，
申请(专利权)人：方强，
类型：新型
国别省市：陕西;61