CN103597674A - 具有在亮度方面可调整的加工激光射束的激光加工*** - Google Patents

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Abstract

一种根据本发明的激光加工***（60）包括用于产生高功率泵浦激光射束（HP-MM）的高功率激光器（61）、用于产生控制信号激光射束（SS）的控制信号激光器（62）以及从所述两个激光器（61，62）引导至激光加工头（63）的至少一个光导纤维（64），所述至少一个光导纤维具有SRS放大器纤维（65），所述SRS放大器纤维具有较高亮度的内纤维芯（65a）并且具有包围内纤维芯（65a）的较低亮度的外纤维芯（65b），其中所述控制信号激光射束（SS）耦合输入到所述内纤维芯（65a）中，并且所述泵浦激光射束（HP-MM）耦合输入到所述外纤维芯（65b）中，其中为了调整由所述SRS放大器纤维（65）射出的加工激光射束（68）的亮度，通过所述控制信号激光射束（SS）的耦合输入的功率来调整由于SRS增益从所述外纤维芯（65b）转变到所述内纤维芯（65a）中的射束分量。

Description

具有在亮度方面可调整的加工激光射束的激光加工***
技术领域
本发明涉及一种激光加工***，其中可以调整加工激光射束的亮度。
背景技术
目前为止，经常以单独的激光加工***满足不同的加工过程，其中对于应用如焊接优选使用中等亮度的射束（典型的射束参数乘积（SSP）≥8mm·mrad），对于应用如切割优选使用高亮度的射束（典型的SSP≤4mm·mrad），或例如在远程切割时，甚至使用最高亮度（SSP≈0.4mm·mrad）。目前为止，由于还不存在高功率范围（>2kW）中的光学部件——例如分束器而不能够实现高功率激光***，高功率激光***需要仅仅一种激光并且允许在两种或者甚至三种不同的射束类型之间的快速的（<100ms）转换。除用于材料加工的射束类型以外，激光源的射束质量也可以划分为三个范围，它们通常受到不同的物理界限：
·单模范围（光束质量因子M2≤1.5或SPP约0.4mm·mrad（毫米毫弧度））
·少模范围（1.5<M2<6或0.4<SPP<2mm·mrad）
·多模范围（M2≥6或SPP≥2mm·mrad）。
在图1中示出的最容易理解的双亮度激光加工***10具有两个不同的激光源，即具有高功率多模射束（HP-MM）的第一激光源11，和具有高功率单模射束（HP-SM）的第二激光源12。这两个具有不同的亮度的射束通过传输纤维14输送到激光加工头13，并且可选地作为加工激光射束15使用。激光加工***10除高运行成本和高购置成本的缺点以外，还具有在高功率范围中有限的传输纤维长度——对于单模射束<10m，对于少模射束<100m的缺点。这些缺点源自传输纤维中的在高功率时加强地出现的非线性效应。替代地，多模射束在高功率范围中可以在工业中所需的100m传输距离上接近无损耗地传输。
在图2中示出替代的双亮度激光加工***20，其具有仅仅一个激光源21，该激光源具有高功率多模射束（HP-MM）。两个单独的传统的传输纤维22连接到激光源21的两个激光输出端上，从而使功率可选地通过纤维两个传输纤维22中的一个引导至激光加工头23。在激光加工头23本身中，纤维两个传输纤维22中的一个传输纤维简单地穿过并因此是具有激光源21的亮度的纤维输出端。而另一个传输纤维22安装在镱纤维振荡器24上，镱纤维振荡器显著地改善激光源的射束质量并因此提供一种具有高亮度的或最高亮度的射束的纤维输出端。但是，在纤维两个传输纤维22之间的机械转换不是连续的，并且只能相对较慢（典型100ms）地实现。由激光加工头23射出的加工激光射束以25表示。
在图3中所示的双亮度激光加工***30类似地工作，它具有激光源31和纤维集成的光学分束器32，该激光源具有高功率多模射束。借助传统的传输纤维34，激光源31的高功率多模射束（HP-MM）被输送至位于激光加工头33前面的分束器32。分束器32可选地在两个相同构造的纤维35之间在没有射束质量变化的情况下切换射束（小于10ms）。一个纤维35在激光加工头33中简单地穿过并因此是具有激光源31的亮度的纤维输出端。另一个纤维35安装在镱纤维振荡器36上，镱纤维振荡器显著改善激光源的射束质量并因此提供具有高亮度或最高亮度的射束的纤维输出端。从激光加工头33射出的加工激光射束以37表示。
市场上可购买到用于多模射束的光学分束器。这些分束器是自由射束解决方案，但是它们不能应用于单模射束。在这些分束器中切换时间在50-100ms之间，功率适用性明显取决于在输入纤维与输出纤维之间亮度保持的质量。从高亮度的射束出发，可以通过纤维-纤维耦合器耦合到具有更大射束参数可接受性的纤维上，从而通过模式激励产生中等亮度的射束。
图4示出双亮度激光加工***40，其具有激光源41和纤维集成的光学分束器42，该激光源具有高功率单模射束（HP-MM）。由单模传输纤维43在激光加工头44中借助具有不同大小的射束参数可接受性的纤维45实现单模射束。借助此原理，能够从激光源41中产生上述三种射束类型中的任一种。但是缺点是，不仅很短的单模传输纤维（<10m），而且在分束器42中极高的功率密度。从激光加工头44射出的加工激光射束以46表示。
在图5中示出另一商业化的双亮度激光加工***50，其具有激光源51和多包层传输纤维52，该激光源具有高功率多模射束（HP-MM）。激光源51的射束可选地耦合输入到内纤维芯52a中或者耦合输入到环形地包围内纤维芯52a的外纤维芯52b中，用于在激光加工头53中得到具有不同亮度的射束。从激光加工头53射出的加工激光射束以54表示。对于切割应用，激光射束耦合输入到多包层传输纤维52的典型100μm大的内纤维芯52a中。对于焊接应用，附加地将适合的楔***激光射束的自由射束中。由此引起的在聚焦光学器件前面的射束位移引起焦点从多包层传输纤维52的内纤维芯2a移动到具有400μm或600μm的外直径的远远更大的外纤维芯2b中。由此通过简单和快速的切换可以从仅仅一种传输纤维选择两个不同的亮度。但是由于自由射束耦合，该原理在高功率范围中只只能够应用于多模范围。
发明内容
与此相反，本发明的任务是，能够实现高功率激光器的不同射束类型之间快速且简单的转换。
根据本发明，所述任务通过具有权利要求1的特征的激光加工***解决。
根据本发明，借助弱的光学控制信号激光射束能够实现高功率激光器的不同射束类型之间的快速且简单的转换，如同例如在激光材料加工中所需的那样。这创造了对快速交替的加工过程——例如借助高亮度的激光切割和借助中等亮度的激光焊接的灵活匹配。在此，根据控制信号激光射束和泵浦激光射束的功率，借助基于在SRS放大器纤维中受激拉曼散射（SRS）的非线性的增益而产生高亮度或者最高亮度，也即控制信号激光射束功率的提高引起高亮度或最高亮度的功率分量的提高。
根据本发明的具有光学控制的射束质量的激光加工***能够借助唯一的高功率射束源实现对射束质量具有不同要求的多个加工过程的灵活、快速交替的实施，并且此外从SRS增益的优点中获益。通过使用仅仅无源的纤维，能够避开目前的许多技术问题。在此要提的是，在有源掺杂纤维中出现可能限制纤维激光器的使用寿命的光暗化，以及泵浦波长取决于所选择的活性材料。可以借助仅仅少数接合部位、甚至不借助接合部位来实现根据本发明的激光加工***，从而实现很高的功率（10kW范围）。在此，切换过程不受机械分束器的切换速度限制，而是光学准瞬时地借助控制信号激光射束实现。
因此，对于材料加工呈现出宽范围的新自由度。一方面是来自同一激光源的单模射束、少模射束和多模射束的使用，另一方面是无级地叠加两种射束类型的目前为止还不存在的使用。附加地存在以下可能性：很快地调制射束类型之间的功率比。该选择对于高效的材料加工还带来不可准确预见的优点。这些结构技术的和与材料相关的方面一方面可以降低用于射束源的生产成本，并且同时也显著地扩展激光源的灵活性。
另一方面，本发明还涉及一种具有权利要求12的特征的用于调整激光加工***的加工激光射束亮度的方法。
本发明的其他优点由描述和附图得出。上述特征和还要进一步列出的特征可以单独地或任意组合地使用。所示和所述的实施方式不应理解为穷尽的列举，而是相反地，具有用于描述本发明的示例性的特征。
附图说明
示出：
图1至5示出已知的不同的双亮度激光加工***；
图6示出根据本发明的第一激光加工***，其具有传输纤维和SRS放大器纤维；
图7a、7b示意性地示出SRS放大器纤维的纤维横截面（图7a）和波长选择性的SRS放大器纤维的纤维横截面（图7b）；
图8示出借助根据本发明的激光加工***产生的不同的加工激光射束；
图9a-9c示意性地示出亮度隔离纤维的纤维横截面连同从属的折射率曲线（图9a）、在转换纤维段中的折射率曲线（9b）、SRS放大器纤维的纤维横截面连同从属的折射率曲线（图9c）；
图10示出根据本发明的第二激光加工***；以及
图11示出根据本发明的第三激光加工***。
具体实施方式
在图6中所示的激光加工***60包括用于产生多模高功率泵浦激光射束HP-MM的高功率激光器61、用于产生单模或少模控制信号激光射束SS的控制信号激光器62和从两个激光器61、62引导至激光加工头63的光导纤维64。在此，控制信号激光射束SS可以被视为一单独的激光器***或一高功率激光器61的扩展。为了保护控制信号激光射束，例如可以使用振荡器放大器组合，其中隔离器将信号发生器（振荡器）与其余的高功率***光学分离。
光导纤维64包括例如由石英玻璃制成的SRS放大器纤维65以及从两个激光器61、62引导至SRS放大器纤维65的、例如由石英玻璃制成的多包层传输纤维66，所述SRS放大器纤维可以布置在激光加工头63中。传输纤维66具有内纤维芯66a和环形地包围内纤维芯66a的外纤维芯66b。如在图7a中所示的那样，SRS放大器纤维65具有内纤维芯65a和环形包围内纤维芯65a的外纤维芯65b。SRS放大器纤维65的内纤维芯65a在输出端侧具有比SRS放大器纤维65的外纤维芯65b更高的亮度。如同在图7b中仅仅示意地表示的那样，在SRS放大器纤维65的外纤维芯65b中附加地可以设有波长选择性的结构67。
控制信号激光射束SS耦合输入到传输纤维66的内纤维芯66a中，并且低损耗地被引导至连接的SRS放大器纤维65的内纤维芯65a中。泵浦激光射束HP-MM耦合输入到传输纤维66的外纤维芯66b中，并且低损耗地耦合输入到连接的SRS放大器纤维65的外纤维芯65b中。在SRS放大器纤维65中通过受激拉曼散射发生两个激光射束HP-MM与SS的相互作用。
在此使用的增益过程是在光透介质中出现的受激拉曼散射（SRS）。SRS情况与激光过程类似，但是活性介质的激励不是通过吸收泵浦光（如同在具有激光活性掺杂物的光学介质中那样）实现，而是通过泵浦光在分子上的散射实现；在很短的时间以内（<<1ps）又放射性地减小所述激励。通过控制信号激光射束SS的耦合输入的功率，可以调整从外纤维芯65b由于SRS增益转变到内纤维芯65a中的射束分量，并由此调整由SRS放大器纤维65射出的加工激光射束68的亮度。
图8示出借助激光加工***60产生的具有不同的射束质量的三个加工激光射束68的功率射束轮廓（近场），其中绘出在其射束直径上的加工激光射束的功率P。在控制信号激光射束SS全功率的情况下，多模泵浦激光射束HP-MM完全转变成内纤维芯65a的单模或少模射束，这导致在纤维输出端处高亮度或最高亮度的高斯射束轮廓（图8，左边的功率射束轮廓）。在切断控制信号激光射束SS的情况下，替代地，多模泵浦激光射束HP-MM可以无阻碍地通过SRS放大器纤维65，并且在纤维输出端上产生多模平顶轮廓（图8中间的功率射束轮廓）。附加地，通过控制信号激光射束SS的定义的平均功率，通过同轴地叠加两种射束类型，可以产生高亮度或最高亮度的高斯射束与多模平顶射束的组合（图8右边的功率射束轮廓）。这提供以下可能性：通过控制信号激光射束SS的快速功率调制（直到MHz的范围）准瞬时地改变两种射束的比例，并且因此实现功率射束轮廓或近场的很快速的调制。
除了功率调节，下面的参数也确定高效的SRS增益：
·高功率激光器（泵浦激光源）61的亮度应足够高。泵浦激光射束HP-MM的高亮度导致与控制信号激光射束SS的更大的模式叠加。因为SRS增益系数在石英玻璃中在1080nm时仅仅约为1·10-13m/W，由于弱的SRS增益，对于借助合理的最大约100m的纤维长度的高效运行，需要至少约4mm·mrad的高亮度泵浦射束。
·控制信号激光射束SS的中心波长优选应位于关于泵浦激光射束HP-MM中心波长的第一斯托克斯位移线上。斯托克斯位移取决于纤维材料并且例如在石英中为13.2THz。泵浦激光射束本身的中心波长可以自由选择，因为SRS增益系数只与波长弱相关。
·泵浦激光射束HP-MM和控制信号激光射束SS的谱宽优选应分别小于10nm。
·SRS放大器纤维65优选应具有波长选择性的特性。为了在外纤维芯65b中在第一斯托克斯线后面中断级联的SRS效应，SRS放大器纤维65应相应地在第二斯托克斯线上具有大的损耗。所述特性可以借助许多已经存在的技术（长周期光栅、布拉格纤维、分布式光谱滤波（DSF）-PCF，等）解决，例如借助在图7b中所示的波长选择性的结构67。
·可以如此优化SRS放大器纤维的波长选择性的功能，使得可以同时激励多个斯托克斯线（替代仅仅第一斯托克斯线）。例如首先第五斯托克斯级可以得到高损耗，从而第一至第四斯托克斯线起振（级联的拉曼效应）。这具有以下优点：具有高亮度或最高亮度的激光继续从泵浦波长移动（示例：4次≈50nm），并且可能（在适合的泵浦波长的情况下）可以转变到观察可靠的范围中（在1500nm处）。在此，在控制信号最大功率的情况下，具有高亮度或最高亮度的激光转变到第四斯托克斯线。在级联时应注意，量子损耗也随着斯托克斯级的增加而增加。
·在使用去极化保持的SRS放大器纤维时，为了最佳的SRS增益，优选两种射束类型具有均匀去极化的状态。这不仅可以借助两个激光器61、62的专有特性实现，而且可以借助极化破坏性的传输纤维66的使用来实现。为了可以高效地放大确定的极化状态，一方面，两种射束应具有相同的极化状态，另一方面，不仅SRS放大器纤维65而且传输纤维66也应能够得到两种射束类型的那个极化。
在最佳的边缘条件下，SRS增益的斯托克斯效率在1μm泵浦波长处约为95%；借助关于SRS放大器纤维65的无源损耗的实际假设，可以实现约86%的转换效率。
低损耗地在传输纤维66中实现两种射束类型到SRS放大器纤维65的传输，在所述传输纤维中抑制SRS增益。这例如能够借助所谓的亮度隔离纤维66’（图9a）实现，其中内纤维芯66a和外纤维芯66b通过由空气毛细管或低掺杂玻璃制成的隔离套或中间套66c相互分离，由此控制信号激光射束SS的一个模或多个模和高功率激光射束HP-MM的多个模在空间上相互分离地传输。
在传输两种射束以后，例如借助布置在传输纤维66和在SRS放大器纤维65之间的转换纤维段（“锥体”）69（图6）来实现从传输纤维66到SRS放大器纤维65的过渡。如在图9b所示的那样，在转换锥体69中实现从传输纤维66的折射率曲线nT到SRS放大器纤维65的在图9c中所示的折射率曲线nV的逐渐过渡。转换锥体69以如此程度减小隔离套的厚度，使两种在外纤维芯或内纤维芯65a、65b中引导的射束类型的不同的横向模式可以彼此无阻碍地相互作用。转换锥体69得以实现，其方式是，在亮度隔离纤维66’的一纤维端部上使隔离套66c的气孔收缩。然后将亮度隔离纤维的收缩的纤维端部接合到SRS放大器纤维上。
也可以通过唯一的亮度隔离纤维66’实现传输纤维66和SRS放大器纤维65，所述唯一的亮度隔离纤维已经具有SRS放大器纤维的波长选择性特性。然后使亮度隔离纤维66’的隔离套66c的气孔例如借助纤维拉丝塔在应进行SRS增益的纤维长度上收缩。因为在此没有出现接合部位，所以显著改善功率适用性。
在SRS放大器纤维65中，根据控制信号激光射束的功率实现其高效的放大。为了节省结构空间、保持放大的控制信号激光射束的射束质量并且同时排出SRS增益的热损耗，有利的是，在卷起的状态中冷却SRS放大器纤维65。
在图10中所示的激光加工***在以下方面区别于与图6的激光加工***：传输纤维66的外纤维芯66b的直径在射束方向上缩细直至放大器纤维65的外纤维芯65b的直径。在考虑两种射束的有效模式叠加的情况下，所述传输纤维66有助于朝着端部才放大控制信号。因此，在放大器纤维65中进行高效的SRS增益。在此，传输纤维66的缩细仅仅涉及外纤维芯66b，而内纤维芯66a的直径在传输纤维66的整个长度上保持不变。因此，在外纤维芯66b中缩细的传输纤维66承担亮度隔离纤维66’的、转换锥体69的任务，并且也小部分地承担SRS增益的任务。在外纤维芯66b中缩细的传输纤维66的实现与专有的预成型件和有源激活的纤维拉制的制造有关。例如通过预成型件的缩细（“tapern：成锥形”）可以产生专门的锥形的预成型件，所述预成型件随后借助所谓的Stack-and-Draw：堆一拉工艺接合到内纤维芯上。同样可以借助适合的蚀刻工艺使传统的级折射率双包层预成型件锥形成型，并且随后在拉丝工艺中设有低折射率套。
在图11中所示的激光加工***60中专用的放大器纤维66、65承担亮度隔离纤维66’、转换锥体69同时高效的SRS增益的功能。因此，由适合的预成型件可以纤维在一块件上拉制出整个纤维***66、65，在其中进行外纤维芯65b、66b的直径缩细。在纤维的整个长度上需要波长选择性的特性。在第一纤维段66中优选首先通过相对较小的有效模式叠加来传输射束类型。纤维段66可以朝着端部才越来越有效地形成控制信号的增益。因此，通过在射束方向上延续的外纤维芯66b、65b直径缩细，在纤维段65中通过变得更大的有效模式叠加来产生高效的SRS增益。通过有利地冷却的方式卷绕纤维段65，在其中进行绝大部分的高效的SRS增益。

Claims (12)

1.一种激光加工***（60），其中能够调整加工激光射束（68）的亮度，所述激光加工***
具有用于产生高功率泵浦激光射束（HP-MM）的高功率激光器（61），
具有用于产生控制信号激光射束（SS）的控制信号激光器（62），以及
具有从所述两个激光器（61，62）引导至激光加工头（63）的至少一个光导纤维（64），所述至少一个光导纤维具有SRS放大器纤维（65），所述SRS放大器纤维具有较高亮度的内纤维芯（65a）并且具有包围所述内纤维芯（65a）的较低亮度的外纤维芯（65b），
其中所述控制信号激光射束（SS）耦合输入到所述内纤维芯（65a）中，并且所述泵浦激光射束（HP-MM）耦合输入到所述外纤维芯（65b）中，其中为了调整由所述SRS放大器纤维（65）射出的加工激光射束（68）的亮度，通过所述控制信号激光射束（SS）的耦合输入的功率来调整由于SRS增益从所述外纤维芯（65b）转变到所述内纤维芯（65a）中的射束分量。
2.根据权利要求1所述的激光加工***，其特征在于，所述控制信号激光射束（SS）的中心波长对应于关于所述泵浦激光射束（HP-MM）的中心波长的第一斯托克斯线。
3.根据权利要求1或2所述的激光加工***，其特征在于，所述泵浦激光射束（HP-MM）和所述控制信号激光射束（SS）的谱宽分别小于10nm。
4.根据以上权利要求中任一项所述的激光加工***，其特征在于，所述泵浦激光射束（HP-MM）具有至少约4mm·mrad的亮度。
5.根据以上权利要求中任一项所述的激光加工***，其特征在于，所述控制信号激光射束（SS）是单模射束或少模射束。
6.根据以上权利要求中任一项所述的激光加工***，其特征在于，所述泵浦激光射束（HP-MM）是多模射束。
7.根据以上权利要求中任一项所述的激光加工***，其特征在于，所述SRS放大器纤维（65）的所述外纤维芯（65b）具有波长选择性的结构（67）。
8.根据以上权利要求中任一项所述的激光加工***，其特征在于，所述光导纤维（64）具有从所述两个激光器（61，62）引导至所述SRS放大器纤维（65）的传输纤维（66），其中所述控制信号激光射束（SS）耦合输入到所述传输纤维（66）的内纤维芯（66a）中，并且所述泵浦激光射束（HP-MM）耦合输入到所述传输纤维（66）的包围所述内纤维芯（66a）的外纤维芯（66b）中。
9.根据权利要求8所述的激光加工***，其特征在于，通过转换锥体（69）实现从所述传输纤维到所述SRS放大器纤维（66，65）的过渡。
10.根据权利要求8或9所述的激光加工***，其特征在于，所述传输纤维（66）的外纤维芯（66b）的直径在射束方向上缩细直至所述SRS放大器纤维（65）的外纤维芯（65b）的直径。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的激光加工***，其特征在于，所述传输纤维（66）和所述SRS放大器纤维（65）通过由一个块件拉制出的纤维构成。
12.一种用于调整激光加工***（60）的加工激光射束（68）亮度的方法，其中控制信号激光射束（SS）耦合输入到SRS放大器纤维（65）的具有较高亮度的内纤维芯（65a）中，并且高功率泵浦激光射束（HP-MM）耦合输入到所述SRS放大器纤维（65）的包围所述内纤维芯（65a）的、具有较低亮度的外纤维芯（65b）中，其中为了调整由所述SRS放大器纤维（65）射出的加工激光射束（68）的亮度，通过所述控制信号激光射束（SS）的耦合输入的功率来调整由于所述SRS增益从所述外纤维芯（65b）转变到所述内纤维芯（65a）中的射束分量。
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