基于多个光纤输出激光模块的匀光光学系统及加工头技术方案

本发明专利技术公开了一种基于多个光纤输出激光模块的匀光光学系统及加工头，包括多个光纤输出激光模块、成像透镜和分光部件；所述多个光纤输出激光模块的光纤输出端面按一定规律在一个平面中排列；所述成像透镜包括至少一片透镜，位于激光模块的光纤输出端面发光方向的输出光路上；所述分光部件包括至少一个空间角度或位置分光器件，这些分光器件各自独立的或者位于成像透镜之前，或者位于成像透镜之后，或者位于成像透镜诸透镜之间；本发明专利技术采用多个小功率的激光模块，直接通过光学系统进行整形和匀光，避免了采用大功率激光器，因而回避了现有技术中的合束器的问题，降低了成本，提高了可靠性。

Optical system and processing head 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匀光光学系统及加工头
本专利技术属于激光
，涉及一种激光加工光学系统及利用该光学系统的激光加工头，特别是一种基于多个光纤输出激光模块的匀光光学系统及加工头，可广泛应用于激光产业中。
技术介绍
激光应用的许多领域，都需要均匀的激光光斑以保证激光处理的效果。像激光热处理、激光熔覆、激光焊接及激光医疗等诸多领域，都需要各种形状的均匀光斑。目前，光斑匀化激光系统可以分成两大类，一类是将半导体激光阵列激光器输出的光直接进行匀化的激光系统，另一类是将激光器输出的光先耦合到光纤中，之后再在光纤输出端对用光学系统对激光光斑进行匀化的激光系统。第二类系统由于采用光纤进行光的传输，这时激光器与激光加工头是分离的，用光纤连接，匀光系统加工头通常比激光器小的多，因而能提供更大的便利性，在市场上更受用户的欢迎。针对这种系统，目前学术界已有多种解决方案，包括：基于微透镜阵列的匀光方案(基于微透镜阵列的激光扩束匀光器CN201410225708.7)；基于菲涅尔透镜的匀光方案(一种多焦点光斑能量均匀化菲涅尔透镜CN201410499782.8)；基于二元光学元件的匀光方案(有产品)；反射式积分镜匀光方案(激光表面改性常用激光器及常用匀光变换系统，长春大学学报2015年地10期)；组合镜分割叠加变换系统(激光表面改性常用激光器及常用匀光变换系统，长春大学学报2015年地10期)等。在上述第二类激光匀光方法中，都是采用一个激光器，通过光学系统来进行光束整形和匀光。而在现实中，大功率激光器都是由多个小激光模块通过合束器合束后组成的，因而，目前的匀光激光加工系统实际的实现路径是：1、采用小功率激光模块由光合束器组成光纤输出的大功率激光器；2、通过光学系统将光纤输出的激光进行整形和匀化。在这种技术方案中，大功率合束器是一个制造难度极高且非常昂贵的器件，可靠性也低，因为功率越大，局部损耗光的处理越难，器件很容易烧毁。此外，发功率激光器单位功率的价格通常为组成它的小功率模块单位功率价格的2倍左右。而匀光光学系统都是通过对激光的高斯光束波面进行分割和重新组合来实现光斑整形和匀化，这些方法或者光能损失较大或者光斑均匀性不高。目前商业的激光系统通常采用微透镜整列和二元光学器件进行匀光，但能承受大功率的微透镜阵列和二元光学器件制造困难，价格昂贵。最后，当一个激光系统设计好后，它的光斑结构就确定了，光斑的分布区域无法改变，光斑分布区域内的光功率分布也无法改变，难以适应实际应用中千变万化激光加工工艺要求。
技术实现思路
为了解决现有上述第二类激光匀光技术中存在问题，本专利技术的目的是提供基于多个光纤输出激光模块的匀光光学系统及加工头，其技术路线是采用多个小功率的激光模块，直接通过光学系统进行整形和匀光，避免了采用大功率激光器，因而回避了现有技术中的合束器的问题，降低了成本，提高了可靠性。同时，本专利技术提供的技术方案采用常规光学元件，避免使用昂贵的特种光学元件，可以进一步降低系统的成本和改善匀光效果。最后，通过对诸模块的独立控制，可以实时对光斑结构进行控制，带来极大的灵活性。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种基于多个光纤输出激光模块的匀光光学系统，其特征在于，包括多个光纤输出激光模块、成像透镜和分光部件；所述多个光纤输出激光模块的光纤输出端面按一定规律在一个平面中排列；所述成像透镜包括至少一片透镜，位于激光模块的光纤输出端面发光方向的输出光路上；所述分光部件包括至少一个空间角度或位置分光器件，这些分光器件各自独立的或者位于成像透镜之前，或者位于成像透镜之后，或者位于成像透镜诸透镜之间；所述成像透镜和分光部件构成一个一对多点的成像系统，使激光模块输出光纤端面在成像透镜的像面上形成多组像，这些像组合形成均匀的光斑。所述分光部件为偏振分光器件，或者为空间波面分光器件，或者是偏振分光器件和空间波面分光器件的组合。所述偏振分光器件是将O光(正常光)和E光(异常光)分束并产生相对位移的平行平板晶体位移片，或者是将O光(正常光)和E光(异常光)分束并产生相对角位移的晶体楔形片。所述空间波面分光器件是产生光束相对偏转的空间排列的光楔，或者是产生光束相对偏转的空间排列的多个反射镜。所述多个光纤输出模块的输出光纤纤芯截面是圆形的，或者是矩形的。所述分光部件在一维方向上形成相对位移的分光。所述光学分光部件在两个正交的方向上同时形成相对位移的分光。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。进一步的，一种匀光光学系统的激光加工头，包括多个光纤输出激光模块、成像透镜和分光部件组成的一对多点光学成像系统、光纤支架、一对多点光学成像系统支撑部件及管状壳体；所述多个光纤输出激光模块的输出光纤固定在光纤支架上并使其输出端面在一个平面内按一定规律排列；所述一对多点成像系统固定在所述一对多点成像系统支撑部件上；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；所述一对多点成像系统支撑部件设置在所述管状壳体的内部；固定在所述光纤支架上的光纤输出激光模块的输出光纤端面发出的光通过固定在一对多点成像系统支撑部件上的一对多点成像系统后从所述管状壳体的另一端输出产生的匀光激光光斑。与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：首先，本专利技术通过采用小功率的光纤输出激光模块回避了大功率光纤输出激光系统的激光合束问题，大幅降低激光光源的成本，并提高系统可靠性；同时，本专利技术的激光匀光系统构成采用的是常用光学元件，避免了昂贵特种光学元件的使用，进一步降低系统了成本；第三、匀光效果有所提升；第四，可以提供随时间变化的光斑，为激光加工提供灵活性。附图说明图1为本专利技术提出的基于多个光纤输出激光模块的匀光光学系统的原理性结构示意图。图2A为本专利技术提出的第一种分光部件的结构示意图，它是产生相对位移的平行平板晶体位移片。图2B为本专利技术提出的第二种分光部件的结构示意图，它是产生相对角位移的晶体楔形片。图3A为本专利技术提出的第三种分光部件的结构示意图，它是产生光束相对偏转的光楔。图3B为本专利技术提出的第四种分光部件的结构示意图，它是产生光束相对偏转的空间排列的多个反射镜。图4A为基于本专利技术提出的基于多个光纤输出激光模块的匀光光学系统方案的一种实施方案的结构示意图。图4B为图4A所示实施例中光纤端面分布的示意图。图4C为图4A所示实施例中光斑分布的示意图。图5A为基于本专利技术提出的基于多个光纤输出激光模块的匀光光学系统方案的第二种实施方案的结构示意图。图5B为图5A所示实施例中光纤端面分布的示意图。图5C为图5A所示实施例中光斑分布的示意图。图6A为基于本专利技术提出的基于多个光纤输出激光本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于多个光纤输出激光模块的匀光光学系统，其特征在于，包括多个光纤输出激光模块、成像透镜和分光部件；所述多个光纤输出激光模块的光纤输出端面按一定规律在一个平面中排列；所述成像透镜包括至少一片透镜，位于激光模块的光纤输出端面发光方向的输出光路上；所述分光部件包括至少一个空间角度或位置分光器件，分光器件各自独立的或者位于成像透镜之前，或者位于成像透镜之后，或者位于成像透镜的诸透镜之间；所述成像透镜和分光部件构成一个一对多点的成像系统，使激光模块输出光纤端面在成像透镜的像面上形成多组像，这些像组合形成均匀的光斑。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于多个光纤输出激光模块的匀光光学系统，其特征在于，包括多个光纤输出激光模块、成像透镜和分光部件；所述多个光纤输出激光模块的光纤输出端面按一定规律在一个平面中排列；所述成像透镜包括至少一片透镜，位于激光模块的光纤输出端面发光方向的输出光路上；所述分光部件包括至少一个空间角度或位置分光器件，分光器件各自独立的或者位于成像透镜之前，或者位于成像透镜之后，或者位于成像透镜的诸透镜之间；所述成像透镜和分光部件构成一个一对多点的成像系统，使激光模块输出光纤端面在成像透镜的像面上形成多组像，这些像组合形成均匀的光斑。


2.根据权利要求1所述的基于多个光纤输出激光模块的匀光光学系统，其特征是：所述分光部件为偏振分光器件，或者为空间波面分光器件，或者是偏振分光器件和空间波面分光器件的组合。


3.根据权利要求2所述的基于多个光纤输出激光模块的匀光光学系统，其特征是：所述偏振分光器件是将O光(正常光)和E光(异常光)分束并产生相对位移的平行平板晶体位移片，或者是将O光(正常光)和E光(异常光)分束并产生相对角位移的晶体楔形片。


4.根据权利要求2所述的基于多个光纤输出激光模块的匀光光学系统，其特征是：所述空间波面分光器件是产生光束相对偏转的空间排列的光楔，或者是产生光束相对偏转的空间排列的多个反射镜。


5.根据权利要求1所述的基于多个光纤输出激光模块的匀光光学系统，其特征是：所述多个光纤输出模...

【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：发明
国别省市：陕西;61