CN106716746B - 特别用于工业过程的激光源 - Google Patents

Abstract

一种激光源，其包括：激光束生成单元（2），其包括用于生成第一激光束的一个或多个二极管激光源（20），所述光学放大单元（6）包括至少一个放大器模块（60），所述至少一个放大器模块（60）被适配成利用从由所述生成单元（2）发射的所述第一激光束导出的激光进行泵浦，并且被适配成在其输出处发射相对于来自所述生成单元（2）的所述第一激光束具有较高射束质量和较低功率值的第二激光束。在所述生成单元（2）和所述光学放大单元（6）之间，***激光束变换和寻址光学单元（4），其包括光学路径选择器设备（43），所述光学路径选择器设备被适配成将来自所述生成单元（2）的所述第一激光束选择性地朝向第一光学线路（44）引导以用于在所述激光源（1）的第一出口（U1）处发射具有相对较高功率值和相对较低质量的激光束，或者朝向第二光学线路（45）引导以用于在所述激光源（1）的第二出口（U2）处生成对具有相对较低功率值和相对较高质量的激光束的发射。

Description

特别用于工业过程的激光源

技术领域

本发明涉及激光源，并且特别涉及适用于诸如对金属材料的焊接、铜焊和切割操作之类的工业过程的类型的激光源。

背景技术

在过去已经开发了许多种类的激光源，并且目前在市场上可得到这些激光源，以便满足在工业过程领域中并且特别是在对金属材料的过程的领域中的各种需要。一般地，不同过程（诸如金属材料的焊接、铜焊和切割）、过程中的不同程度的精度以及被处理的材料的不同特性（诸如要被焊接或者被切割的金属板的不同厚度值）要求激光束的不同特性，以便确保最优结果。对于这些过程中的一些过程，激光束的质量水平可能是较低的，而对于其他应用，射束的质量必须是较高的。

在本说明书中以及随附的权利要求中，通过激光束的术语“质量”，激光束的能力意味着聚焦到非常小的点，以便在激光点处引起高功率密度。以这种方式定义的激光束的质量通常由被称为BPP（“射束参数积”）的参数值来表示，以每毫辐射（milliradiant）的毫米（mm.mrad）为单位来度量，对应于激光束的发散角的一半乘以其最窄部分（射束腰）处的射束直径的积。当BPP的值较低时，激光束的质量较高。因此，不同的工业应用可能要求使用具有彼此非常不同的BPP参数值的激光束。相似地，激光束的功率也可能根据特定应用而变化。

在许多已知类型的激光源中，将激光束的质量和功率在非常有限的程度上进行变化是可能的，然而，显著修改激光束的特性是不可能的。出于这个原因，目前，通常有必要将不同的激光源用于执行不同的工业操作。

在另一方面，具有单个“通用”激光源将会是合期望的，该单个“通用”激光源可以取决于要执行的工业操作的性质和/或要处理的材料的性质而被容易地适配。

在已经开发并且目前市场上可得的各种类型的激光源当中，二极管激光源和具有活性光纤（active optical fibre）的激光源在此处特别值得一提。后一类型包括下述光纤，在该光纤中分散有“活性”材料（通常是稀土材料），其具有通过利用受激发射原理放大光束的能力。通常，活性光纤利用由二极管激光源生成的激光束进行“泵浦（pump）”。一般地，具有活性光纤的源生成相对于二极管激光源的更高射束质量，同时由于在光纤内的分散而引起功率损耗。

US2014/0177038的图3示出了具有双亮度的激光设备，其具有能够在两个光纤之间切换激光束的光纤集成的光束切换装置，两个光纤之一连接到第一出口，另一光纤连接到镱光纤振荡器，其提供了具有拥有较高亮度的辐射的光纤输出。

发明目的

本发明的目的在于，提供一种能够选择性地生成具有彼此显著不同的特性的激光束的激光源，以使得所述激光源可以用于彼此同样非常不同的工业应用中。

本发明的另外的目的在于，利用具有简单且高效的结构的激光源来实现这一目的。另外的目的在于，提供一种具有以有利且高效的方式利用以上指示的类型的一个或多个激光源的用于激光过程的多个设备、单元或站的***。

发明内容

鉴于实现这些目的，本发明提供了一种激光源，包括：

-激光束生成单元，其包括用于生成第一激光束的一个或多个二极管激光源，

-光学放大单元，其包括至少一个放大器模块，所述至少一个放大器模块被适配成接收从由所述生成单元发射的所述第一激光束导出的激光，并且被适配成在其输出处发射相对于来自所述生成单元的所述第一激光束具有较高射束质量和较低功率值的第二激光束，以及

-激光束切换和寻址光学单元，其***在所述生成单元和所述光学放大单元之间，所述切换和寻址光学单元包括：

-入口，用于接收来自所述生成单元的所述第一激光束，

-第一光学线路，用于将所述第一激光束转发到所述激光源的第一出口，

-第二光学线路，用于朝向所述光学放大单元的所述至少一个放大器模块转发所述第一激光束，以及

-光学路径选择器设备，其***在所述入口与所述第一和第二光学线路之间，用于将来自所述生成单元的所述第一激光束选择性地：

-朝向所述第一光学线路引导，以便生成在所述激光源的所述第一出口处对具有相对较高功率和相对较低质量的激光束的发射，

或者：

-朝向所述第二光学线路引导，以便生成在所述激光源的第二出口处对具有相对较低功率和相对较高质量的激光束的发射。

优选地，所述光学放大单元包括并行布置的多个放大器模块，其具有由所述第二光学线路并行供应的相应入口和连接到朝向所述第二出口汇聚的光学线路的相应出口。

由于以上指示的特征，本发明提供了一种单激光源，其具有彼此分离的第一出口和第二出口，所述第一出口和第二出口选择性地激活以便取决于感兴趣的具体应用而发射具有显著不同的特性的激光束。

因此，可能的是例如实现工业工厂中的、具有单激光源的过程单元，以用于在该单元处执行相同工作周期内的不同性质的过程和/或以便能够实现在相同单元内对新工作周期的未来引入，而不要求对激光源的替换，和/或以便使用相同激光源例如以用于在相同工作单元处执行不同过程或者用于在不同工作单元中执行不同过程，或者用于在第一工作单元处充当专用源并且在另一工作单元处充当备用源。

根据优选实施例，以上提及的激光束生成单元是包括多个二极管激光源的单元，如以上已经指示的，而所述光学放大单元的每个放大器模块包括包含活性材料（诸如镱）的类型的至少一个活性光纤，所述活性材料能够放大进入所述模块中的、通过所述切换和寻址光学单元的所述第二光学线路而来自所述生成单元的激光束。

而且，在以上提及的优选实施例的情况下，所述光学路径选择器设备优选地由可在第一操作位置和第二操作位置之间移动的反射镜构成，其中，将来自所述生成单元的激光束分别朝向所述第一光学线路以及朝向所述第二光学线路引导。在第一解决方案中，反射镜在其处于其第一操作位置时不拦截来自所述生成单元的激光束，从而使得激光束能够进一步朝向第一光学线路行进，而在其第二操作位置中，反射镜拦截激光束，并且将所述激光束朝向第二光学线路反射。在一个变体方式中，反射镜在其两个操作位置中都拦截激光束，但是在所述位置处采取不同的取向，以便将激光束分别朝向所述第一光学线路以及朝向所述第二光学线路反射。

光学路径选择反射镜的移动由任何已知类型的（优选具有电致动的）致动器来控制。

具体实施方式

本发明的另外特征和优点将根据以下对于纯粹作为非限制性示例给出的附图进行参考的说明书而变得显而易见，在附图中：

–图1是根据本发明的激光源的示范性实施例的示图，

–图2-4是图1的示图的一些组件的放大比例的示图，以及

–图5、6是使用根据本发明的一个或多个激光源的两个工业工厂的示图。

参考附图，数字1一般标示供工业过程（特别是对金属材料）使用的激光源。本文图示的激光源可以例如在执行诸如激光焊接操作、激光铜焊操作和/或激光切割操作之类的各种类型的操作的工业单元中使用。

形成本文描述的实施例的部分的组件中的许多组件在附图中仅被概略地示出，因为它们中的每一个单独而言可以以任何已知方式来制造。从附图中删除了这些构造细节也使得附图更简单和更容易理解。

按照本发明，激光源1包括一般由参考数字2指示的激光束生成单元。生成单元2包括以任何已知方式构成的多个二极管激光源20。出自于二极管激光源20的激光被导引到光纤21中，光纤21汇合到本身也具有已知类型的光纤组合器22中，该光纤组合器22的输出连接到光纤3。

在实际实施例中，生成单元2能够生成在光纤3内的第一激光束，其具有大约6kW的功率以及与在50mm.mrad范围中的BPP值相对应的射束质量。

自然地，在图1中概略示出并且在图3中还以放大比例可见的生成单元2的配置在本文中纯粹作为示例来提供，而由本领域技术人员很好理解的是，该生成单元可以根据当前已知的二极管激光源的配置中的任何配置来制造。

在生成单元2的下游，根据本发明的激光源1包括单个激光束变换和寻址光学单元4。还参考图2，单元4包括由来自生成单元2的光纤3所连接到的连接器40构成的入口。连接器40将光纤3连接到处于单元4的入口处的光纤41。任何已知类型的光学接口42使来自生成单元2的激光束传输通过在单元4的外壳内侧提供的自由空间S内的光纤3和41，其中，激光束自由地传播。

在单元4内侧处的空间S内，布置了光学路径选择器设备，在本文图示的示例中，该光学路径选择器设备由反射镜43构成。在图示的示例中，反射镜43可平行于自身在第一操作位置（由图1、2中的虚线所示）和第二操作位置（由非虚线所示）之间移动。

在反射镜43的第一操作位置中，该反射镜不拦截来自生成单元的激光束，以使得激光束可以自由地朝向第一光学线路行进，该第一光学线路一般由参考标记44指示，其在根据本发明的激光源的第一出口U1（参见图1）处结束。在反射镜43的第二操作位置中，反射镜43拦截来自生成单元的激光束，并且将激光束朝向一般由参考标记45指示的第二光学线路反射。

如已经在前述内容中指示的，作为对于在本文中概略示出的针对反射镜43的布置的替代方式，有可能提供一种布置，其中简单地促使反射镜在第一操作位置和第二操作位置之间进行振荡，以使得在这些位置中，反射镜拦截来自生成单元的激光束，并且在两个不同光学线路的方向上对射束进行反射。

再次参考图2，数字46标示了被适配为驱动反射镜43在其两个操作位置之间的移动的任何已知类型的致动器，优选为电控制致动器。当反射镜43处于其不拦截来自生成单元的、沿着方向S0的激光束的其第一操作位置（由虚线所示）中时，该射束进一步在自由空间S内沿着方向S1（构成方向S0的延伸）行进，直到其进入光学接口47中，通过该光学接口47，激光束被导引到光纤48中。光纤48在连接器49处结束，通过该连接器49，光纤48连接到在连接器482处结束（见图1）的另一光纤481，连接器482构成根据本发明的激光源1的第一出口U1。

再次参考图2，当反射镜43处于其第二操作位置（由非虚线所示）中时，来自生成单元的激光束沿着方向S0击中反射镜43，并且然后沿着方向S2朝向第二光学线路45反射。

在本文中作为示例示出的特定实施例的情况下，第二光学线路45包括将激光束沿着方向S2反射到方向S3中的固定反射镜451。沿着方向S3行进的激光束按顺序遇到多个固定的半反射镜452和完全反射性的终端固定反射镜453。半反射镜452以下述方式来配置，该方式使得击中半反射镜452的激光束部分地反射到方向S4中并且部分地越过反射镜沿着方向S3行进。终端反射镜453反射已经穿越过所有半反射镜452的光的部分。沿着方向S4反射的射束部分通过相应的光学接口454被导引到处于单元4的开口处的多个光纤5中。

再次参考图1，光纤5将激光引至光学放大单元6的多个放大器模块60的入口。放大器模块60中的每一个具有在图4中概略示出的类型的配置，其本身是已知的，包括其中分散了活性材料（在本文图示的具体情况下是镱）的颗粒的“活性”光纤61，该颗粒具有通过利用受激发射原理来放大激光源的能力。

同样根据本身已知的技术，活性光纤61在两个布拉格标线（Bragg reticule）62、63之间延伸，所述两个布拉格标线62、63被布置在每个模块60的输入处和输出处，并且分别连接到入口光纤5和出口光纤64。光纤64汇合到光纤组合器65中，该光纤组合器65的出口通过光纤66、连接器67和另一光纤68（见图1）连接到构成根据本发明的激光源1的第二出口U2的连接器69。

放大器模块60的活性光纤61利用来自单元4并且从二极管激光源20导出的激光进行光学泵浦，并且在第二出口U2处引起激光束，其具有相对于使得在第一出口U1处可得的激光束而言不同的特性。特别地，穿过活性光纤61意味着功率损耗（诸如近似大约30%），但是增大了射束质量，即，要被聚焦成非常小的点的射束的能力。在实际的示例性实施例中，在出口U2处可得的激光束具有4kW的功率和大约3mm.mrad的BPP值。

如已经指示的，在前述说明书中和附图中，尚未提供与所图示的组件有关的构造细节，因为该构造细节可以以任何已知方式来做出，并且从附图进行的删除使附图更简单且更容易理解。

根据一种同样本身已知的技术，激光源的所有功能由任何已知类型的人机接口所关联于的电子控制单元（未在图1-4中示出）来控制。

图5概略地示出了利用根据本发明的激光源的工业工厂的示例。所图示的示例指代用于生产机动车辆的工厂的情况，该工厂包括多个激光处理单元或站R1、R2、R3、R4。例如，工厂包括执行激光铜焊操作（一个典型情况是用于将机动车辆的顶盖连接到主体的操作）的站R1、对组件（诸如机动车门的结构）执行激光焊接操作的站R2、执行激光切割操作（诸如用于在机动车辆主体的壁中形成孔的操作）的站R3和执行激光远程焊接操作（即，保持激光头远离焊接区域进行间隔的焊接操作）的站R4。

在每个处理站处，提供利用激光束的处理设备。例如，该设备可以包括一个或多个多轴操纵机器人，其每个被提供有由光纤连接到激光源的激光头。而且，作为示例，存在与每个单元或站相关联的电子控制单元E1、E2、E3、E4。监督器电子单元E与电子单元E1、E2、E3、E4进行通信。

铜焊、焊接、切割、远程焊接过程意味着使用具有渐增的质量的激光束（对于铜焊和焊接要求较低的质量，而对于切割和远程焊接要求较高的质量）。

在图5的工厂中，图示了以上已描述的根据本发明的激光源，其具有借助于任何已知类型的光学分配器D1、D2连接到光纤f1、f2、f3、f4的两个出口U1、U2，光纤f1、f2、f3、f4将相应的激光束传输到在相应处理站或单元处提供的设备。

用于控制激光源1的选择器设备43的电子单元ES基于来自监督器E的信号而激活源1的出口U1或者出口U2，以便在单元R1、R2处或者在单元R3、R4处执行操作。

还更有利地，可以提供根据本发明的两个源1，例如，其中之一专用于一个或多个单元R1、R2，而另一个专用于一个或多个单元R3、R4。该解决方案在图6中概略地示出，其中根据本发明的两个源1均使两个出口U1、U2之一连接到单元R1，而使另一出口连接到单元R4。在每个单元的入口处的光纤借助于三通连接器C1、C2连接到来自两个不同源的两个光纤。

监督器E控制所述源的电子单元ES，以使得通常在左侧的激光源使其出口U1被激活以用于为单元R1进行供应，而另一源1使其出口U2被激活以用于以更高质量的激光束为单元R4进行供应。

然而，在一个源故障的情况下，另一源可以在变换相应的选择器之后被临时用于为其源具有故障的单元进行供应。这可以例如在单元R4的源上的故障证明在单元R1的过程中的中断是合理的以便使用R1的源作为用于R4的备用源的时候是有用的。

所图示的示图纯粹作为示例而给出，根据具体应用的需要，单元和相关联的激光源的配置和布置明显是可随意可变的。

根据本发明的源也可以与单个处理单元相关联，以用于将不同特性的激光束传输到在相同单元处提供的不同激光设备，以便在相同单元内执行不同激光操作。

自然地，虽然本发明的原理保持相同，但是实施例和构造的细节可以在不偏离本发明的范围的情况下，相对于纯粹作为示例所已经描述和图示的内容而广泛地变化。

Claims (16)

1.一种特别是供工业过程使用的激光源，包括：

-激光束生成单元（2），其包括用于生成第一激光束的一个或多个二极管激光源（20），

-光学放大单元（6），其包括至少一个放大器模块（60），所述至少一个放大器模块（60）被适配成利用从由所述生成单元（2）发射的所述第一激光束导出的激光进行泵浦，并且被适配成在其输出处发射第二激光束，所述第二激光束的特征在于相对于来自所述生成单元（2 ）的输出处的所述第一激光束具有较高射束质量和较低功率值，以及

-激光束变换和寻址光学单元（4），其***在所述生成单元（2）和所述光学放大单元（6）之间，所述激光束变换和寻址光学单元（4）包括：

-入口（40），用于接收来自所述生成单元（2）的所述第一激光束，

-第一光学线路（44），用于朝向所述激光源（1）的第一出口（U1）转发所述第一激光束，

-第二光学线路（45），用于朝向所述光学放大单元（6）的所述至少一个放大器模块（60）转发所述第一激光束，以及

-光学路径选择器设备（43），其***在所述入口（40）和所述第一和第二光学线路（44，45）之间，以用于将来自所述生成单元（2）的所述第一激光束选择性地：

-朝向所述第一光学线路（44）引导，以便生成在所述激光源（1）的所述第一出口（U1）处对具有相对较高功率和相对较低质量的激光束的发射，

或者：

-朝向所述第二光学线路（45）引导，以便生成在所述激光源（1）的第二出口（U2）处对具有相对较低功率和相对较高质量的激光束的发射，

其中所述光学放大单元（6）包括并行布置的多个放大器模块，其具有由所述第二光学线路（45）并行供应的相应入口（5）和连接到全部都朝向所述第二出口（U2）汇聚的光学线路（64）的相应出口。

2.根据权利要求1所述的激光源，其特征在于，所述至少一个放大器模块（60）包括至少一个光纤（61），其包括活性材料，所述活性材料被适配成放大进入所述模块（60）中并且通过所述变换和寻址光学单元（4）的所述第二光学线路（45）而来自所述生成单元（2）的激光束。

3.根据权利要求1所述的激光源，其特征在于，所述光学路径选择器设备由可在第一操作位置和第二操作位置之间移动的反射镜（43）构成，所述第一操作位置和第二操作位置分别对应于将来自所述生成单元（2）的激光束朝向所述第一光学线路（44）以及朝向所述第二光学线路（45）进行引导。

4.根据权利要求3所述的激光源，其特征在于，在所述第一操作位置中，所述反射镜（43）不拦截来自所述生成单元（2）的所述第一激光束，并且在所述第二操作位置中，所述反射镜（43）拦截来自所述生成单元的所述第一激光束。

5.根据权利要求4所述的激光源，其特征在于，在所述第一操作位置中，所述反射镜（43）使得来自所述生成单元（2）的激光束能够在所述第一光学线路（44）的方向上行进，并且在所述第二操作位置中，所述反射镜（43 ）将来自所述生成单元（2）的激光束反射到所述第二光学线路（45）的方向上。

6.根据权利要求3所述的激光源，其特征在于，在所述第一操作位置中和在所述第二操作位置中，所述反射镜（43）不同地取向，以便将来自所述生成单元（2）的所述第一激光束分别朝向所述第一光学线路（44）以及朝向所述第二光学线路（45）反射。

7.根据权利要求1所述的激光源，其特征在于，所述生成单元（2）的出口和所述变换和寻址光学单元（4）的入口由光纤（3）彼此连接。

8.根据权利要求1所述的激光源，其特征在于，所述变换和寻址光学单元（4）包括用于传播所述激光束的自由空间S，在其中***所述光学路径选择器设备。

9.根据权利要求8所述的激光源，其特征在于，所述变换和寻址光学单元包括连接到所述单元的入口的入口光纤（41），以及第一光学接口（42），其用于从所述入口光纤（41）接收所述第一激光束，以及用于在***所述光学路径选择器设备（43）的所述自由空间（S）内传输所述第一激光束。

10.根据权利要求9所述的激光源，其特征在于，所述变换和寻址光学单元（4）包括第二光学接口（47），其被布置为沿着所述第一光学线路（44），用于接收在所述自由空间（S）内传播的所述第一激光束以及用于将所述第一激光束引导到与所述激光源（1）的所述第一出口（U1）连接的出口光纤（44）中。

11.根据权利要求10所述的激光源，其特征在于，所述变换和寻址光学单元（4）包括至少第三光学接口（454），其被布置为沿着所述第二光学线路（45），用于接收在所述自由空间（S）内传播的所述第一激光束以及用于将所述第一激光束引导到与所述光学放大单元（6）的所述放大器模块（60）连接的多个出口光纤（5）中。

12.根据权利要求11所述的激光源，其特征在于，所述变换和寻址光学单元（4）包括由所述出口光纤（5）连接到所述放大器模块（60）的多个光学接口（454）。

13.根据权利要求12所述的激光源，其特征在于，在所述变换和寻址光学单元（4）的所述自由空间（S）内，提供了半反射镜（452）的阵列，以用于将沿着所述第二光学线路（45）引导的第一激光束细分成朝向所述放大器模块（60）引导的多个激光束。

14.根据权利要求13所述的激光源，其特征在于，所述放大器模块（60）的出口连接到汇合到光学组合器设备（65）中的相应光纤（64），所述光学组合器设备（65）连接到所述激光源（1）的所述第二出口（U2）。

15.包括多个激光处理设备或激光处理单元或激光处理站的工业工厂，所述工业工厂包括要求使用具有相对较高功率和相对较低质量的激光束的至少一个第一激光处理设备、单元或站，和要求使用具有相对较低功率和相对较高质量的激光束的至少一个第二激光处理设备、单元或站，其特征在于，所述工业工厂包括根据前述权利要求中任一项所述的至少一个激光源，所述至少一个激光源使其出口分别连接到所述第一和第二激光处理设备、单元或站，所述工厂具有用于控制所述至少一个激光源的选择器设备的电子控制单元，其被编程用于基于来自控制所述激光处理设备、单元或站的电子单元的信号而激活所述激光源的所述第一出口或者所述第二出口。

16.一种用于控制多个激光处理单元或站的方法，每个激光处理单元或站被提供有用于将激光束供应到在所述处理单元或站处提供的激光处理设备的激光源，其特征在于，所述激光源中的至少一个激光源是根据权利要求1-14中任一项所述的具有两个出口的激光源，并且其特征在于，具有两个出口的所述激光源的第一出口连接到一个专用单元或站，而如果另外的处理单元或站具有故障，则第二出口连接到所述另外的处理单元或站。

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