CN103252575A - 一种用于激光材料加工的光学传输方法及*** - Google Patents

一种用于激光材料加工的光学传输方法及*** Download PDF

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Abstract

一种用于激光材料加工的光学传输方法及***，将激光能量源输出的激光光束经由一光束耦合***进行变换和聚焦，并对焦斑的大小和发散角进行控制，该激光光束被分成两部分分别耦合进双包层传能光纤的纤芯和内包层；由双包层传能光纤将激光能量传输至加工点；将上述传能光纤传输的激光能量经由一光学聚焦***聚焦至加工面。本发明利用双包层光纤的纤芯和内包层同时传输两束激光，光学聚焦***将两束激光分别聚焦至不同光斑大小，进行激光焊接或激光切割等材料加工，提高传统激光材料加工设备的稳定性并降低成本。

Description

一种用于激光材料加工的光学传输方法及***
技术领域
本发明属于激光加工领域，具体涉及一种用于激光材料加工的光学传输方法及***。
背景技术
采用激光进行材料加工已经在工业生产中显现了巨大的优势，在电子、汽车、海洋、能源等领域都得到了广泛的应用，具体的应用包括激光切割、激光焊接、激光表面硬化以及激光打标等等，尤其是在高功率激光切割和焊接方面已占据了大量的市场份额。
在相关的技术领域已经进行了大量的工艺研究，已有的研究表明，在采用高功率激光进行金属切割时，如果能采用辅助热源对加工点周围区域进行辅助加热，能有效提高切割速度、改善切边质量，同样工艺应用于高功率激光的金属焊接时，则能提到焊接速度，降低焊接过程中产生的应力，有效提高工件强度。
目前通常采用复合加工方式，比如在激光焊接中，可以采用一台激光器提供主要的能量源进行焊接，同时采用另外一台激光器提供较大的激光光斑，在焊接点周围区域提供辅助热源；还有些应用中，采用一束光斑较大的激光在加工点周围区域提供辅助热源，同时采用传统的氩弧或等离子等方式提供能量源进行焊接。
这些方法的缺点是需要采用两个独立的能量源，并采用独立的能量传输装置和能量聚焦***，结构复杂，成本也比较高。
发明内容
本发明的目的在于设计一种用于激光材料加工的光学传输方法及***，提高传统激光材料加工设备的稳定性并降低成本。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：
一种用于激光材料加工的光学传输方法，将激光能量源输出的激光光束经由一光束耦合***进行变换和聚焦，并对焦斑的大小和发散角进行控制，该激光光束被分成两部分分别耦合进双包层传能光纤的纤芯和内包层；由双包层传能光纤将激光能量传输至加工点；将上述传能光纤传输的激光能量经由一光学聚焦***聚焦至加工面。
进一步，所述的双包层传能光纤同时传输两束激光，所述双包层传能光纤的纤芯传输较大部分的能量，该部分能量作为激光加工的主要热源，对被加工材料进行切割、焊接等工艺处理；所述双包层传能光纤的内包层传输较小部分的能量，该部分能量作为激光加工的辅助热源，以改善加工效果。
本发明的一种用于激光材料加工的光学传输***，其依次包括：激光能量源、光学耦合***、双包层传能光纤和光学聚焦***；激光能量源提供材料加工所需要的激光能量，光学耦合***将激光能量按一定比例分别耦合进双包层传能光纤的纤芯和内包层，双包层传能光纤将激光能量传输至光学聚焦***，光学聚焦***将纤芯和内包层的激光能量分别聚焦至不同的光斑大小。
又，所述的光学耦合***为包含一个或多个球面透镜的普通光学成像***，或者包括一个准直透镜、一个光束偏置棱镜和一个聚焦透镜，或者包括轴线相互垂直的两个柱面镜，或者包括一个球面镜和一个柱面镜。
再有，所述的双包层传能光纤为普通规格的双包层无源光纤，或是直径和数值孔径根据***要求单独设计的非普通规格的的双包层光纤。
另外，所述的光学聚焦***包含一个或多个球面或非球面透镜。
本发明采用一台激光器同时提供用于加工的主能量源和辅助热源，采用一根光纤同时传输主激光能量和辅助激光能量。该光学传输***包含光学耦合***、双包层传能光纤和光学聚焦***。光学耦合***将激光能量以一定比率分别耦合进双包层传能光纤的纤芯和内包层，利用双包层光纤的纤芯和内包层同时传输两束激光，光学聚焦***将光纤纤芯和内包层内传输的两束激光分别聚焦至不同光斑大小，进行激光焊接或激光切割等材料加工。双包层光纤纤芯传输较大部分能量作为激光加工的主要热源，双包层光纤的内包层传输较小部分能量作为辅助热源，采用辅助热源可以控制加工区域附近温度变化的幅度和速度，通过更改纤芯部分与内包层传输的激光功率比可以优化加工效果。
本发明具有以下优点：
1、采用一台激光器同时提供主能量源和辅助能量源，结构简单，成本低。
2、采用一根双包层传能光纤同时传输主激光能量和辅助激光能量，结构简单，稳定性好。
3、通过调整光学耦合***和光学聚焦***的光学参数，可以调节主激光与辅助激光问的能量分配比例，也可以调节加工点处主光斑和辅助激光的光斑大小，灵活性高，容易进行工艺改进。
附图说明
图1为本发明光学传输***实施例一的示意图。
图2为图1的俯视图。
图3为本发明实施例一中光路上一截面内的光斑分布图。
图4为本发明实施例一中光路上另一截面内的光斑分布图。
图5为本发明光学传输***实施例二的示意图。
图6为本发明实施例二中光束传输方向上一横截面内的光斑分布图。
具体实施方式
参见图1、图2，本发明一种用于激光材料加工的光学传输方法，将激光能量源1输出的激光光束经由一光束耦合***2进行变换和聚焦，并对焦斑的大小和发散角进行控制，该激光光束被分成两部分分别耦合进双包层传能光纤3的纤芯和内包层；由双包层传能光纤将激光能量传输至加工点；将上述传能光纤传输的激光能量经由一光学聚焦***4聚焦至加工面。
进一步，所述的双包层传能光纤3同时传输两束激光，所述双包层传能光纤的纤芯传输较大部分的能量，该部分能量作为激光加工的主要热源，对被加工材料进行切割、焊接等工艺处理；所述双包层传能光纤3的内包层传输较小部分的能量，该部分能量作为激光加工的辅助热源，以改善加工效果。
本发明的一种用于激光材料加工的光学传输***，其依次包括：激光能量源1、光学耦合***2、双包层传能光纤3和光学聚焦***4；激光能量源1提供材料加工所需要的激光能量，光学耦合***2将激光能量按一定比例分别耦合进双包层传能光纤3的纤芯和内包层，双包层传能光纤3将激光能量传输至光学聚焦***4，光学聚焦***4将纤芯和内包层的激光能量分别聚焦至不同的光斑大小。
又，所述的光学耦合***2为包含一个或多个球面透镜的普通光学成像***，或者包括一个准直透镜、一个光束偏置棱镜和一个聚焦透镜，或者包括轴线相互垂直的两个柱面镜，或者包括一个球面镜和一个柱面镜。
再有，所述的双包层传能光纤3为普通规格的双包层无源光纤，或是直径和数值孔径根据***要求单独设计的非普通规格的的双包层光纤。
另外，所述的光学聚焦***4包含一个或多个球面或非球面透镜。
激光能量源1发射出用于激光加工的激光能量，发射出的激光能量由光学耦合***2按一定分光比例分别耦合进双包层传能光纤3的纤芯和包层内，激光能量经由双包层传能光纤传输至合适位置后，由光学聚焦***4聚焦至合适的光斑大小，实施激光加工。
光学***实现激光能量分别按一定比例耦合进双包层传能光纤3的纤芯和内包层，并经由光学聚焦***4聚焦至不同光斑大小。
进一步，所述的双包层传能光纤3的纤芯的数值孔径较小，内包层的数值孔径较大。
参见图3，所述的激光能量源1采用光纤耦合输出的半导体激光器，但不限于该种激光器，激光能量源输出的激光经所述的光学耦合***2的准直透镜201进行准直，图3是经准直透镜201之后的光斑截面形状。
所述的光学耦合***2的棱镜202将经过准直透镜201准直后的激光截取一部分光并进行平移，得到图4所示的光斑截面形状。
所述的光学耦合***2的聚焦透镜203将经过棱镜202的激光聚焦耦合进双包层传能光纤3，处于图3所示原圆形光斑范围内的激光能量在经聚焦透镜203聚焦后的发散角较小，被耦合进双包层传能光纤3的纤芯，经过棱镜202截取平移并超出原圆形光斑范围的激光能量在经聚焦透镜203聚焦后的发散角较大，被耦合进双包层传能光纤3的内包层。
所述的双包层传能光纤3将耦合进纤芯和包层的两部分激光传输至双包层传能光纤3的出射端。
所述的光学聚焦***4将双包层传能光纤3输出的激光进行聚焦。
所述的双包层传能光纤3的纤芯内传输的激光能量较大，聚焦光斑较小，作为激光加工的主光源对工件进行加工，双包层传能光纤3的内包层内传输的激光能量较小，聚焦光斑较大，作为激光加工的辅助热源，用于提高加工速度、改善加工效果。
通过改变所述的棱镜202的尺寸和摆放角度，可以调节耦合进双包层传能光纤3的纤芯和内包层的激光的能量分配比例，为激光加工工艺参数的调整提供灵活性。
参见图5，其为本发明光学耦合***2的一较佳实施例，阐释了如何经轴线互相垂直的两个柱透镜201、202将激光能量按一定比例耦合进双包层传能光纤3的纤芯和内包层中。
进一步，激光能量源1采用光纤耦合输出的半导体激光器但不限于该种激光器。
所述的光学耦合***2的柱透镜201在垂直于图面的方向上对激光能量源1输出的激光进行会聚，所述的光学耦合***2的柱透镜202在平行于图面的方向上对激光能量源1输出的激光进行会聚。
参见图6，其所示为在所述的双包层传能光纤3的入射端面处横截面上的光斑形状，光斑为椭圆状，大部分能量集中在纤芯31区域，小部分能量分布在内包层区域。通过调节柱面镜201和柱面镜202的光学参数，可以调节双包层传能光纤3入射端面处的光斑形状、光斑大小和光束发散角，可以进而调整耦合进双包层传能光纤3的纤芯31和内包层32的能量比例。

Claims (7)

1.一种用于激光材料加工的光学传输方法，将激光能量源输出的激光光束经由一光束耦合***进行变换和聚焦，并对焦斑的大小和发散角进行控制，该激光光束被分成两部分分别耦合进双包层传能光纤的纤芯和内包层；由双包层传能光纤将激光能量传输至加工点；将上述传能光纤传输的激光能量经由一光学聚焦***聚焦至加工面。
2.如权利要求1所述的用于激光材料加工的光学传输方法，其特征是，所述的双包层传能光纤同时传输两束激光，所述双包层传能光纤的纤芯传输较大部分的能量，该部分能量作为激光加工的主要热源，对被加工材料进行切割、焊接等工艺处理；所述双包层传能光纤的内包层传输较小部分的能量，该部分能量作为激光加工的辅助热源，以改善加工效果。
3.一种用于激光材料加工的光学传输***，其特征是，依次包括：激光能量源、光学耦合***、双包层传能光纤和光学聚焦***；激光能量源提供材料加工所需要的激光能量，光学耦合***将激光能量按一定比例分别耦合进双包层传能光纤的纤芯和内包层，双包层传能光纤将激光能量传输至光学聚焦***，光学聚焦***将纤芯和内包层的激光能量分别聚焦至不同的光斑大小。
4.如权利要求3所述的用于激光材料加工的光学传输***，其特征是，所述的光学耦合***为包含一个或多个球面透镜的普通光学成像***，或者包括一个准直透镜、一个光束偏置棱镜和一个聚焦透镜，或者包括轴线相互垂直的两个柱面镜，或者包括一个球面镜和一个柱面镜。
5.如权利要求3所述的用于激光材料加工的光学传输***，其特征是，所述的双包层传能光纤为普通规格的双包层无源光纤，或是直径和数值孔径根据***要求单独设计的非普通规格的双包层光纤。
6.如权利要求3所述的用于激光材料加工的光学传输***，其特征是，所述的双包层传能光纤的纤芯的数值孔径小于内包层的数值孔径。
7.如权利要求3所述的用于激光材料加工的光学传输***，其特征是，所述的光学聚焦***包含一个或多个球面或非球面透镜。
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107660168A (zh) * 2015-04-22 2018-02-02 大众汽车股份公司 接合装置和接合方法
CN109980500A (zh) * 2017-12-08 2019-07-05 株式会社岛津制作所 光纤输出型激光装置
CN110529135A (zh) * 2018-05-23 2019-12-03 中铁高新工业股份有限公司 一种新型激光破岩模式tbm
CN112558229A (zh) * 2020-12-11 2021-03-26 浙江奥智光电科技有限公司 一种高精度光纤聚焦器的工艺制作方法
CN113649690A (zh) * 2020-05-12 2021-11-16 深圳市联赢激光股份有限公司 一种具有圆形和环形光斑切变功能的光学***
CN113649689A (zh) * 2020-05-12 2021-11-16 深圳市联赢激光股份有限公司 一种光学***

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4200587C1 (en) * 1992-01-11 1993-04-01 Schott Glaswerke, 6500 Mainz, De Light wave applicator for cutting and coagulating biological tissue - applies laser beam via flexible optical fibre having non-constant refractive index profile along its cross=section
CN1224849A (zh) * 1998-09-23 1999-08-04 西安邮电学院 一种波分复用的方法及其装置
US20030043471A1 (en) * 2001-08-29 2003-03-06 Belser Karl Arnold Free-space dynamic wavelength routing systems with interleaved channels for enhanced performance
CN101147669A (zh) * 2007-10-25 2008-03-26 浙江大学 集成光学相干层析成像与激光诱导荧光光谱的单光纤内窥***
WO2011124671A1 (de) * 2010-04-08 2011-10-13 Trumpf Laser Und Systemtechnik Gmbh Verfahren und anordnung zum erzeugen eines laserstrahls mit unterschiedlicher strahlprofilcharakteristik mittels einer mehrfachclad-faser
CN102244344A (zh) * 2011-06-02 2011-11-16 天津大学 一种In-band泵浦的掺钕离子光纤激光器
CN102419462A (zh) * 2011-12-08 2012-04-18 燕山大学 一种光纤熔接点加热装置

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4200587C1 (en) * 1992-01-11 1993-04-01 Schott Glaswerke, 6500 Mainz, De Light wave applicator for cutting and coagulating biological tissue - applies laser beam via flexible optical fibre having non-constant refractive index profile along its cross=section
CN1224849A (zh) * 1998-09-23 1999-08-04 西安邮电学院 一种波分复用的方法及其装置
US20030043471A1 (en) * 2001-08-29 2003-03-06 Belser Karl Arnold Free-space dynamic wavelength routing systems with interleaved channels for enhanced performance
CN101147669A (zh) * 2007-10-25 2008-03-26 浙江大学 集成光学相干层析成像与激光诱导荧光光谱的单光纤内窥***
WO2011124671A1 (de) * 2010-04-08 2011-10-13 Trumpf Laser Und Systemtechnik Gmbh Verfahren und anordnung zum erzeugen eines laserstrahls mit unterschiedlicher strahlprofilcharakteristik mittels einer mehrfachclad-faser
CN102244344A (zh) * 2011-06-02 2011-11-16 天津大学 一种In-band泵浦的掺钕离子光纤激光器
CN102419462A (zh) * 2011-12-08 2012-04-18 燕山大学 一种光纤熔接点加热装置

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107660168A (zh) * 2015-04-22 2018-02-02 大众汽车股份公司 接合装置和接合方法
CN109980500A (zh) * 2017-12-08 2019-07-05 株式会社岛津制作所 光纤输出型激光装置
CN110529135A (zh) * 2018-05-23 2019-12-03 中铁高新工业股份有限公司 一种新型激光破岩模式tbm
CN113649690A (zh) * 2020-05-12 2021-11-16 深圳市联赢激光股份有限公司 一种具有圆形和环形光斑切变功能的光学***
CN113649689A (zh) * 2020-05-12 2021-11-16 深圳市联赢激光股份有限公司 一种光学***
CN112558229A (zh) * 2020-12-11 2021-03-26 浙江奥智光电科技有限公司 一种高精度光纤聚焦器的工艺制作方法
CN112558229B (zh) * 2020-12-11 2023-02-03 浙江奥智光电科技有限公司 一种高精度光纤聚焦器的工艺制作方法

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