一种激光加工系统及其加工方法技术方案

本发明专利技术涉及激光技术领域，提供了一种激光加工系统及其加工方法，其中，所述激光加工系统包括：多个激光模块、多根输入光纤、一光波导和一功率控制模块，所述多根输入光纤的第一端与所述多个激光模块分别连接，其第二端按照预设形状排列并与所述光波导直接连接，且所述多个输入光纤的纤芯分别与所述光波导的多个波导层分别耦合对准，所述功率控制模块与所述多个激光模块连接，最后输出一个中心光斑和多个外围光斑的复合光斑。本发明专利技术采用非光纤熔融拉锥技术进行连接，摆脱了光纤熔融拉锥技术的复杂工艺和为管理光斑亮度损失而导致对输入光源的特殊要求。源的特殊要求。源的特殊要求。

【技术实现步骤摘要】
一种激光加工系统及其加工方法


[0001]本专利技术涉及激光
，特别是涉及一种激光加工系统及其加工方法。

技术介绍

[0002]高功率工业激光材料处理应用领域日新月异，与单个激光光源用于材料加工技术相比，多激光光源复合型高功率激光器可以大大扩展激光加工的范围，极大提升激光加工的质量。比如以新型多芯环形光纤(ring cores fiber)为光波导的激光器用于低飞溅激光焊接可以适应不同的焊接应用场景，提升焊接质量和焊接速度。这类激光器以替换高成本半导体高质量复合焊接系统为基本目标，逐渐向其他高质量激光焊接应用扩展。
[0003]目前多激光器的复合激光可以采用空间光学系统，比如偏振或者波长多激光复用系统，或者是基于光纤熔融拉锥合束技术的全光纤信号合束器系统，将多个相同或者不同的光源复合为一个复杂光斑的单光源系统。
[0004]基于空间光学系统的方案，由于使用复杂的空间光学系统去实现光纤到光纤的光斑变换/复用/耦合，系统长期可靠性存在风险，成本高。
[0005]基于熔融拉锥的方案，会导致光源的数值孔径损失很大。为补偿拉锥型合束的NA劣化，被迫要求采用高亮度的单横模激光光源和更细的输入光纤芯径，这样不仅限制了每个输入模块的最高功率(一般小于2000W/模块)，而且由于单横模激光的强拉曼风险，必须对激光输入/光波导及其系统抗反射做出复杂设计补偿，大大增加了成本，降低长期可靠性。也对一些复杂的应用场景(高反射加工环境)不能很好的适应。

技术实现思路

[0006]鉴于上述问题，提出了本专利技术实施例以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种激光加工系统及其加工方法。
[0007]为了解决上述问题，本专利技术实施例公开了一种激光加工系统，包括：
[0008]多个激光模块、多根输入光纤、一光波导和一功率控制模块；其中，
[0009]所述多根输入光纤的第一端与所述多个激光模块分别连接，所述多根输入光纤的第二端按照预设形状排列并与所述光波导直接连接，且所述多个输入光纤的纤芯分别与所述光波导的多个波导层分别耦合对准，所述多个激光模块通过所述输入光纤和所述光波导输出具有一个中心光斑和多个外围光斑的复合光斑；
[0010]所述功率控制模块与所述多个激光模块连接，并被配置为控制所述多个激光模块在预设范围内的功率可调，以使所述复合光斑的中心光斑和外围光斑形成不同能量比例轮廓；
[0011]所述多根输入光纤并行排列，且所述多根输入光纤第二端的纤芯直径与其它部分保持相同，其端面垂直于光轴平面；
[0012]所述光波导由整形部和输出部组成，所述整形部的横截面为对称分布的非圆形，所述输出部的横截面为圆形；
[0013]所述整形部由所述输出部延伸出的一端加工而成，所述整形部分的端面垂直于光轴平面，并与所述多根输入光纤第二端的纤芯端面对准耦合；
[0014]所述输入光纤为双包层单芯光纤，所述光波导为多包层单芯光纤或多芯光纤；
[0015]所述多根输入光纤与所述光波导通过熔接、焊接或机械连接方式连接在一起。
[0016]本专利技术实施例还公开了一种种激光加工方法，包括：
[0017]输出按照预设形状排列的多个光束；
[0018]对所述多个光束进行压缩整形，并输出具有一中心光斑和至少一外围光斑的复合光斑；
[0019]控制所述多个光束的功率值在预设范围内可调，以使所述复合光斑的中心光斑和外围光斑形成不同能量比例的轮廓；
[0020]所述多个光束为并行带状输出后，所述多个光束中的至少一束按照特定方向进行折射，以实现所述复合光斑的压缩整形输出；
[0021]所述中心光斑位于所述外围光斑的中心，所述中心光斑呈高斯或平顶分布，所述外围光斑呈平顶分布；
[0022]依据所述工件的材质、加工要求及加工环境参数，调整第一光束的功率值以调整第一光束照射到工件的光斑能量分布，和/或，调整第二光束的功率值以调整第二光束照射到工件的光斑能量分布，进行激光熔覆、切割或焊接。
[0023]本专利技术实施例包括以下优点：
[0024]在本专利技术实施例中，基于阵列光纤(ribbon fibers)连接技术，一方面可以避免空间光学复用系统的高成本以及长期可靠性风险。另一方面采用非光纤熔融拉锥技术进行连接，可以摆脱光纤熔融拉锥技术的复杂工艺和为管理光斑亮度损失而导致对输入光源的特殊要求。并且若要使用光纤熔融拉锥技术进行连接，则需要使用直径较大的光纤进行拉锥，而使用大光纤则难以兼容激光器单模块技术。
附图说明
[0025]图1是本专利技术实施例提供的一种激光光斑整形器件的结构框图；
[0026]图2是本专利技术实施例带状光纤阵列与波导层连接的示意图；
[0027]图3A是带状光纤阵列与楔形光波导端面耦合的示意图；
[0028]图3B是带状光纤阵列与长方体光波导端面耦合的示意图；
[0029]图4是为本专利技术实施例另一角度的带状光纤阵列与波导层连接的示意图；
[0030]图5是三包层光纤的截面图；
[0031]图6是三包层光纤的剖面图；
[0032]图7是三包层光纤的折射率示意图；
[0033]图8是传能光纤的截面图；
[0034]图9是传能光纤的剖面图；
[0035]图10是传能光纤的折射率示意图；
[0036]图11是本专利技术实施例提供的一种激光光斑整形器件制作方法的步骤流程图；
[0037]图12是本专利技术实施例提供的一种激光加工系统的结构框图；
[0038]图13是本专利技术实施例提供的一种激光加工方法的步骤流程图。
具体实施方式
[0039]为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。
[0040]参照图1，示出了本专利技术实施例提供的一种激光光斑整形器件的结构框图，具体可以包括：
[0041]沿中心光轴依次设置的输入端10和整形端11，所述输入端10设有与多个激光光源分别连接的多根输入光纤组成的光纤阵列，所述整形端11设有具有多个波导层的光波导，所述光纤阵列中多根输入光纤的纤芯与所述光波导的多个波导层分别对准并耦合连接，所述多个激光光源经由所述光纤阵列输出的光束在通过所述光波导时进行输出光斑的压缩整形。
[0042]在本专利技术实施例中，所述光纤阵列是由所述多根输入光纤按照预设形状排列后固定形成，所述光纤阵列中的输入光纤纤芯直径与非固定部分的输入光纤纤芯直径相同，所述光纤阵列中的纤芯端面与光轴平面垂直。
[0043]光纤阵列可以是指将多根光纤并行排成一排或多排组成的阵列，示例性地，可以采用与多个激光光源分别连接的三根输入光纤排成一排，组成带状光纤阵列；也可以并行排列成其它预设的形状，例如，七根输入光纤可以排成二/三层结构的多边形光纤阵列等。同时，多根输入光纤排列后固定的方式可以包括多种。示例性地，可以采用光纤夹具将多根输入光纤固定排列，也可以本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种激光加工系统，其特征在于，包括：多个激光模块、多根输入光纤、一光波导和一功率控制模块；其中，所述多根输入光纤的第一端与所述多个激光模块分别连接，所述多根输入光纤的第二端按照预设形状排列并与所述光波导直接连接，且所述多个输入光纤的纤芯分别与所述光波导的多个波导层分别耦合对准，所述多个激光模块通过所述输入光纤和所述光波导输出具有一个中心光斑和多个外围光斑的复合光斑；所述功率控制模块与所述多个激光模块连接，并被配置为控制所述多个激光模块在预设范围内的功率可调，以使所述复合光斑的中心光斑和外围光斑形成不同能量比例轮廓。2.根据权利要求1所述的激光加工系统，其特征在于，所述多根输入光纤并行排列，且所述多根输入光纤第二端的纤芯直径与其它部分保持相同，其端面垂直于光轴平面。3.根据权利要求1所述的激光加工系统，其特征在于，所述光波导由整形部和输出部组成，所述整形部的横截面为对称分布的非圆形，所述输出部的横截面为圆形。4.根据权利要求3所述的激光加工系统，其特征在于，所述整形部由所述输出部延伸出的一端加工而成，所述整形部分的端面垂直于光轴平面，并与所述多根输入光纤第二端的纤芯端面对准耦合。5.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋峰，雷剑，朱之伟，
申请(专利权)人：苏州创鑫激光科技有限公司，
类型：发明
国别省市：