用于激光加工材料的装置和方法制造方法及图纸

一种用于激光加工材料(11)的装置，该装置包括激光器(1)、光纤(2)和耦合器(125)，其中：激光器(1)被连接至光纤(2)；光纤(2)使得激光辐射(13)能够在具有第一模式阶次(24)的第一光学模式(21)、具有第二模式阶次(25)的第二光学模式(22)以及具有第三模式阶次(26)的第三光学模式(23)中沿光纤(2)传播；第三模式阶次(26)高于第二模式阶次(25)；并且第二模式阶次(25)高于第一模式阶次(24)；该装置的特征在于：耦合器(125)被配置成将在第一光学模式(21)中传播的激光辐射切换为在二阶模(22)中传播的激光辐射；以及耦合器(125)被配置成将在第二光学模式(22)中传播的激光辐射切换为在三阶模(23)中传播的激光辐射。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于激光加工材料的装置和方法专利
本专利技术涉及用于激光加工材料的装置和方法。专利技术背景激光被用于许多激光加工应用(包括切割、焊接、钻孔、雕刻和加性制造)中。在这些应用中，通常期望优化与材料相互作用的激光束的尺寸和横截面轮廓。例如，可以通过改变聚焦透镜与工件之间的工作距离来改变与材料相互作用的激光束的光斑尺寸。可以使用外部光学器件来将横截面轮廓从高斯改变为顶帽(tophat)，或改变为环形或环轮廓。然而，向外部光学器件提供此类灵活性是昂贵的，并且必须改变工作距离花费了时间，并且因此增加了加工成本。期望能够将激光束从单个基本高斯模式改变为顶帽或环形光束，而不必调整加工头中的光学器件。还期望能够在不改变工作距离的情况下改变激光束的光斑尺寸。金属粉末床加性制造系统使用基本高斯模式，以便在所构建的三维结构中给出最小可能的特征尺寸。然而，使用基本高斯模式意味着构建较大的结构是缓慢的。因此，需要能够将激光束从可以创建小特征的基本高斯模式切换到可以更快地加工更大区域的、具有更大且更均匀的光斑尺寸的激光束。激光钻孔可能会出现的问题是，一旦钻孔后，激光束会损坏孔后面的表面。该问题可以通过提供环形激光束来至少部分地解决。可以使用轴棱锥透镜或通过将激光辐射引导到光纤或其他波导的包层或环形芯中来创建环形光束。然而，此类光束可迅速发散，并且在离开焦点超过1mm至2mm时不会保留其环形横截面。因此，需要在离开和穿过焦点时保持环形光束。存在通过提供具有低发散度的环形激光束来减小可被钻孔的孔尺寸的相关要求。通过经由加工头将激光束引导到工件来实现钢的激光切割，该加工头具有用于准直和聚焦激光束的光学器件以及用于提供与激光束同轴的高压气体喷流的锥形铜喷嘴。基本的切割操作涉及：使用激光束来加热并熔化工件中的所需区域，并且使用被称为辅助气体喷射的气体喷射来将熔融材料吹出切割区的底部。切割头在工件上方移动，同时在切割头中的喷嘴尖头与工件表面之间保持恒定距离。切割头以经编程路径移动来创建形状。在切割不锈钢的情形中，使用惰性辅助气体避免了在工件的切削刃面(cut-edgeface)上产生金属氧化物。金属氧化物可引起诸如弱化所焊接部件、由于切削刃面上的铬的耗尽而降低不锈钢的腐蚀特性、以及由于金属氧化物与不锈钢相比硬度的增加而增加滑动部件上的磨损之类的问题。由于这种切割工艺的唯一热源是由聚焦激光束提供的，因此具有更高能量密度的更小焦斑尺寸将通过产生更窄的熔融区域来提供更高效的切割。需要低发散度，使得熔融区域贯穿金属的厚度是窄的。对最小实际焦斑的限制由光学景深结合材料厚度来确定。这是因为切口宽度(截口(kerf))必须足够宽，以允许辅助气体以足够的压力行进到切口的底部，以干净地去除熔融材料并避免下切割边缘的熔渣，从而产生干净的切口。对于这种类型的切割，辅助气体必须以通常在10巴至20巴的范围中的高压来施加。喷嘴出口的直径通常在0.5mm至2.0mm的范围中，并且通常更厚的材料需要更大的喷嘴。在切割厚于5mm的软钢(也被称为低碳钢)的情形中，通常使用氧气作为辅助气体。氧气与工件内的铁发生放热反应以提供附加的热量，这增加了切割速度。以通常在0.25巴至1巴的范围中的压力来施加氧气。与用于氮气辅助气体切割的压力相比，这些压力要低得多。对于通常在10mm至30mm厚度范围中的厚截面切割，截口必须足够宽，使得氧气辅助气体能够以足够的气流到达切割区的底部以喷射熔融材料，同时保持无熔渣切口。对于厚的软钢切割，通常使光束散焦，使得束腰(beamwaist)位于钣金件表面上方，以使钣金件表面上的入射束直径大于束腰。当光束的发散度增加时，能够获得具有更低边缘粗糙度的更好质量的切口。大多数通用平板(flatbed)激光切割机都需要切割各种厚度的一系列金属，其中切口都具有良好质量。焦斑尺寸的选择通常是满足广泛的工艺条件集所需的要求的折衷。对于切割薄不锈钢，需要具有低发散度的小焦斑。对于切割厚软钢，需要具有更高发散度的更大焦斑。平板切割机被设计成与具有固定光束质量的激光器一起工作。为了提高加工能力，切割头可具有增强光学系统，从而首先使聚焦透镜沿光束路径有限移动能够允许激光束相对于工件的散焦，这能够增加入射光斑尺寸，并且其次允许调整焦斑直径。这具有有限的益处，因为具有恒定激光束质量的激光器在焦斑尺寸与发散度之间将具有固定关系，其中该固定关系以与切割工艺方案所期望的相反的方式起作用。不同的切割方案要么要求具有低发散度的小光斑，要么要求具有高发散度的大光斑，而具有固定光束质量的激光器能够要么提供具有高发散度的小光斑，要么提供具有窄发散度的大光斑。因此，不可能针对所有金属类型和厚度来优化工艺参数。通常通过将激光束聚焦在材料的底表面附近来优化熔融切割。激光束的高强度优选地用于增加切割速度，但是这可能以可引起切口的顶表面的不期望的辉纹的熔体流动力学为代价。期望提供在材料的顶表面处具有环形横截面并且在底表面处具有高斯或顶帽轮廓的激光束。这将在顶表面上提供更好的热量分布，并且向材料底部提供更高的强度，从而在不显著损失切割速度的情况下增强切割质量。诸如举例而言焊接、打标和加性制造之类的其他材料加工装备存在类似的限制。在所有这些应用领域中，需要一种激光加工装置，其中能够改变激光的光束参数乘积，并且能够改变被加工材料上的聚焦激光束的直径。本专利技术的目的是提供一种用于激光加工材料的装置和方法，其减少或避免了以上提及的问题。本专利技术根据本专利技术的一个非限制性实施例，提供了用于激光加工材料的装置，该装置包括激光器、光纤和耦合器，其中：·该激光器被连接至该光纤；·该光纤使得激光辐射能够在具有第一模式阶次的第一光学模式、具有第二模式阶次的第二光学模式以及具有第三模式阶次的第三光学模式中沿该光纤传播；·第三模式阶次高于第二模式阶次；并且·第二模式阶次高于第一模式阶次；该装置的特征在于：·该耦合器被配置成将在第一光学模式中传播的激光辐射切换为在二阶模中传播的激光辐射；以及·该耦合器被配置成将在第二光学模式中传播的激光辐射切换为在三阶模中传播的激光辐射。该耦合器可被配置成将可在第一光学模式中传播的激光辐射的至少75％耦合至第三光学模式。该耦合器可被配置成将在第一光学模式中传播的激光辐射切换到多个光学模式，从而使得能够形成激光辐射的顶帽光功率分布。该装置可包括光学透镜布置，该光学透镜布置被配置成将激光辐射聚焦到材料的表面上或附近。该装置可包括透镜，其中该透镜由前焦面和后焦面来定义，第一光学模式由瑞利(Rayleigh)长度来定义，并且该透镜位于距源自激光器的光纤的远端的两个瑞利长度之内。透镜可被定位成使得光纤的远端位于前焦面处。透镜可包括渐变折射率透镜。光纤可具有多个芯，并且第三光学模式和第一光学模式可在这些芯中的不同芯中传播。这些芯中的至少一者可以是围绕这些芯中的另一者的环形芯。耦合器可包括至少一个挤压机构，该至少一个挤压机构包括由节距限定的周期性表面本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.用于激光加工材料的装置，所述装置包括激光器、光纤和耦合器，/n其中：/n·所述激光器被连接至所述光纤；/n·所述光纤使得激光辐射能够在具有第一模式阶次的第一光学模式、具有第二模式阶次的第二光学模式以及具有第三模式阶次的第三光学模式中沿所述光纤传播；/n·所述第三模式阶次高于所述第二模式阶次；并且/n·所述第二模式阶次高于所述第一模式阶次；/n所述装置的特征在于：/n·所述耦合器被配置成：将在所述第一光学模式中传播的激光辐射切换为在所述二阶模中传播的激光辐射；以及/n·所述耦合器被配置成：将在所述第二光学模式中传播的激光辐射切换为在所述三阶模中传播的激光辐射。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180202 GB 1801796.21.用于激光加工材料的装置，所述装置包括激光器、光纤和耦合器，
其中：
·所述激光器被连接至所述光纤；
·所述光纤使得激光辐射能够在具有第一模式阶次的第一光学模式、具有第二模式阶次的第二光学模式以及具有第三模式阶次的第三光学模式中沿所述光纤传播；
·所述第三模式阶次高于所述第二模式阶次；并且
·所述第二模式阶次高于所述第一模式阶次；
所述装置的特征在于：
·所述耦合器被配置成：将在所述第一光学模式中传播的激光辐射切换为在所述二阶模中传播的激光辐射；以及
·所述耦合器被配置成：将在所述第二光学模式中传播的激光辐射切换为在所述三阶模中传播的激光辐射。


2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述耦合器被配置成：将能在所述第一光学模式中传播的所述激光辐射的至少75％耦合至所述第三光学模式。


3.根据权利要求1或权利要求2所述的装置，其特征在于，所述耦合器被配置成：将在所述第一光学模式中传播的所述激光辐射切换到多个光学模式，从而使得能够形成所述激光辐射的顶帽光功率分布。


4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，包括光学透镜布置，所述光学透镜布置被配置成将所述激光辐射聚焦到所述材料的表面上或附近。


5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，包括透镜，其中所述透镜由前焦面和后焦面来定义，所述第一光学模式由瑞利长度来定义，并且所述透镜位于距源自所述激光器的所述光纤的远端的两个瑞利长度之内。


6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述透镜被定位成使得所述光纤的所述远端位于所述前焦面处。


7.根据权利要求5和6中任一项所述的装置，其特征在于，所述透镜包括渐变折射率透镜。


8.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述光纤具有多个芯，并且所述第三光学模式和所述第一光学模式在所述芯中的不同芯中传播。


9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述芯中的至少一者是围绕所述芯中的另一者的环形芯。


10.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于：
·所述耦合器包括至少一个挤压机构，所述至少一个挤压机构包括由节距限定的周期性表面；
·所述周期性表面定位成毗邻于所述光纤；以及
·所述挤压机构被配置成利用挤压力来将所述周期性表面和所述光纤挤压在一起，藉此将所述第一光学模式耦合至所述第二光学模式，并且将所述第二光学模式耦合至所述第三光学模式。


11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述装置被配置成取决于期望的输出模式而施加不同的挤压力。


12.根据权利要求10或权利要求11所述的装置，其特征在于，所述节距是沿所述周期性表面的长度啁啾的可变节距，所述可变节距具有第一节距和第二节距，其中所述第一节距将所述第一光学模式和所述第二光学模式耦合在一起，并且所述第二节距将所述第二光学模式和所述第三光学模式耦合在一起。


13.根据权利要求10至12中任一项所述的装置，其特征在于，所述挤压机构被配置成在施加所述挤压力时以螺旋方式使所述光纤变形。


14.根据权利要求10至13中任一项所述的装置，其特征在于，所述激光辐射由光束参数乘积来定义，并且所述挤压机构使得能够通过增加所述挤压力来增加所述光束参数乘积。


15.根据权利要求10至14中任一项所述的装置，其特征在于，包括长周期光栅，所述长周期光栅被配置成将所述第三光学模式耦合至多个光学模式，藉此使得所述激光辐射能够具有顶帽或环形环轮廓。


16.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述长周期光栅包括第二挤压机构，所述第二挤压机构包括由节距限定的周期性表面；所述周期性表面定位成毗邻于所述光纤；并且所述挤压机构被配置成利用挤压力来将所述周期性表面和所述光纤挤压在一起。


17.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置被配置成从所述光纤发射单个个体光学模式。


18.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述光纤包括基本上均质的芯，由此避免了所述光学模式之间的非预期模式耦合。

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【专利技术属性】
技术研发人员：A·马利诺斯基，C·A·科德麦德，M·N·泽瓦斯，I·博特罗伊德，S·J·基恩，M·P·瓦纳姆，
申请(专利权)人：司浦爱激光技术英国有限公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB