CN110640308A - 光纤复合光斑激光合束器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了光纤复合光斑激光合束器，包括中空的拉锥成型的管状玻璃波导、均布熔接于管状玻璃波导的管壁截面上的若干外环输入光纤以及合束置于管状玻璃波导的中心位置的若干中央输入光纤、位于管状玻璃波导的管壁拉锥端并熔接缩合的大模场光学传输光纤；由管状玻璃波导管壁和其中心位置输入激光并由大模场光学传输光纤输出激光有效耦合形成复合光斑。本发明的优点是可以使同一台激光设备能够调变光斑质量与光斑形态，达到用于不同的激光加工应用，提升同一台激光能同时在不同应用上的效率。
Description
技术领域
本发明属于激光设备技术领域，尤其涉及一种光纤复合光斑激光合束器及其制造方法。
背景技术
光纤激光器具有高性能、高效率、高可靠度、低成本等优势特点，低功耗与高可靠度是光纤激光器可以获得成本节省的重要因素，因此在过去的几十年内，光纤激光器在工业材料加工市场发展迅速。主要的光纤激光器应用行业包含激光焊接、激光切割、激光增材制造、激光淬火与熔覆等。
在光纤激光器的加工应用上，激光输出的光斑质量扮演着重要的角色，决定了加工的品质。在激光切割应用上，薄板切割适合使用类单模光斑，厚板切割适合使用平顶式光斑，在激光焊接上也使用平顶式光斑会得到较好的加工品质。然而目前市面上的光纤激光器所输出的光斑质量与光斑形态大多是固定的，无法调变，若是要只使用单一台激光设备，是无法满足所有加工需求的，因此可调式光斑在激光器将会是解决此问题的方法。
市面上主要调变光斑的方式有三种，第一种方式是在光纤激光器外部加装由光学透镜组成的光斑调变器将类单模光斑转为平顶式光斑，不过透镜组容易受到时间与震动的影响，导致透镜偏移影响激光的可靠度；第二种方式是使用两台激光，分别输出两种不同波长与不同光斑的激光，再使用复合加工头将两台激光合并，达到调变的效果，但是这种方式需要两台激光设备以及复合加工头，成本高昂；第三种方式是在光纤激光器中对光纤进行弯折，使得激光在光纤中从单模态耦合至高模态，藉此达到调变光斑的效果，然而光纤在重复的受力弯折下容易使得光纤本身的可靠度下降，最终导致激光器受损。
在当前的激光焊接作业中最大的挑战就是在拼焊镀锌钢板时，因为锌的熔点较低，在焊接的过程中，容易形成飞溅与气孔，而大幅度的降低焊缝的强度与可靠性。因此，如何减少激光在焊接过程中焊缝的气孔，同时该设备具有高可靠度、低成本的优点，可以达到单一激光设备，即可输出不同光斑的功能，是激光焊接在高端应用市场上能否普及的重要挑战。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述技术问题，而提供一种光纤复合光斑激光合束器及其制造方法，从而实现使同一台激光设备能够调变光斑质量与光斑形态，用于不同的激光加工应用。为了达到上述目的，本发明技术方案如下：
光纤复合光斑激光合束器，包括中空的拉锥成型的管状玻璃波导、均布熔接于管状玻璃波导的管壁截面上的若干外环输入光纤以及合束置于管状玻璃波导的中心位置的若干中央输入光纤、位于管状玻璃波导的管壁拉锥端并熔接缩合的大模场光学传输光纤；由管状玻璃波导管壁和其中心位置输入激光并由大模场光学传输光纤输出激光有效耦合形成复合光斑。
具体的，所述大模场光学传输光纤包括与管状玻璃波导的管壁拉锥端相对应匹配的环型波导连接端，与管状玻璃波导的中心位置上合束的中央输入光纤相对应匹配的连接光纤。
具体的，若干所述中央输入光纤由管状玻璃波导的中心位置合束输入激光并由连接光纤输出激光形成中心光斑；若干所述外环输入光纤由管状玻璃波导的管壁位置输入激光并由环型波导连接端输出激光形成外环光斑。
具体的，所述管状玻璃波导为石英玻璃材质制成。
具体的，所述管状玻璃波导的管壁中间层的折射率高于其内层与外层的折射率。
光纤复合光斑激光合束器的制造方法，包括以下步骤：
S1，制备管状玻璃波导，将中空的管状玻璃波导截面上的管壁的若干外环输入光纤进行熔接准备；
S2，将若干外环输入光纤，由未拉锥的管状玻璃波导端均匀对称熔接于中空管状玻璃波导的管壁内；
S3，将若干中央输入光纤，由未拉锥的管状玻璃波导端中心位置，延伸放入至管状玻璃波导的拉锥端；
S4，将管状玻璃波导的拉锥端的中心位置的中央输入光纤进行加热缩合；
S5，将管状玻璃波导的拉锥端的管壁和其中心位置上缩合后中央输入光纤与大模场光学传输光纤熔接。
具体的，缩合后的所述中央输入光纤与连接光纤熔接，管状玻璃波导的拉锥端的管壁与环型波导连接端熔接。
具体的，所述管状玻璃波导的管壁内的外环输入光纤的数量为二到六条，环形均布于管壁内。
具体的，所述中央输入光纤和外环输入光纤的输入激光包括但不限于高功率连续光纤激光，脉冲激光，准连续高功率激光，以及红外激光、绿光激光、紫外光激光。
具体的，每条所述中央输入光纤和外环输入光纤的输入端连接有激光模组或光感测模块。
与现有技术相比，本发明光纤复合光斑激光合束器的有益效果主要体现在：
光纤复合光斑激光合束器采用全光纤制造技术，避免使用容易受到时间与震动影响的光学透镜组，导致透镜偏移影响激光的可靠度的问题；单一激光器内将不同激光合束，利用管状玻璃波导，实现中心与外环所组成的复合光斑，任意调整中心与外环出光比例，达到调变光斑的功能，大大节省了激光设备以及加工头的成本；同时也不需要通过对光纤进行弯折达到调变光斑的效果，大幅度的提升激光器本身的可靠度；通过中心与外环所组成的复合光斑，达到减少焊接内部气孔的生成的效果。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图；
图2是本实施例深熔焊时复合光斑位置结构示意图；
图3是本实施例复合光斑的突变形态的折射率表现示意图；
图4是本实施例复合光斑的渐变形态的折射率表现示意图；
图中数字表示：
1管状玻璃波导、11管壁、12拉锥端、2a中央输入光纤、2b外环输入光纤、21中心光斑、22外环光斑、3大模场光学传输光纤、31环型波导连接端、32连接光纤、4凸部、41第一凸部、42第二凸部。
具体实施方式
下面结合附图将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例：
参照图1所示，本实施例是光纤复合光斑激光合束器，包括中空的拉锥成型的管状玻璃波导、均布熔接于管状玻璃波导1的管壁11截面上的若干外环输入光纤2b以及合束置于管状玻璃波导1的中心位置的若干中央输入光纤2a、位于管状玻璃波导的管壁拉锥端并熔接缩合的大模场光学传输光纤3；
大模场光学传输光纤3包括与管状玻璃波导1的管壁11拉锥端相对应匹配的环型波导连接端31，与管状玻璃波导1的中心位置上合束的中央输入光纤2a相对应匹配的连接光纤32。
若干中央输入光纤2a由管状玻璃波导1的中心位置合束输入激光并由连接光纤32输出激光形成中心光斑21；若干外环输入光纤2b由管状玻璃波导1的管壁输入激光并由环型波导连接端31输出激光形成外环光斑22。
管状玻璃波导1为石英玻璃材质制成。
参照图3所示，由管状玻璃波导1的横切面看，折射率分布为同心圆状，管壁11中间层的折射率高于其内层与外层的折射率，即n2＞n1＝n3，使得外环光斑22的激光不会耦合到中心光斑21的激光，并只会在外环传递，激光才得以维持中心光斑21与外环光斑22的复合形态。由管状玻璃波导1的横切面内层至外层的折射率成像呈“几”字型的突变形态，内层的折射率成像为水平的第一凸台41，中间层的折射率成像为高于第一凸台的凸部4，外层的折射率成像为与第一凸台一致的第二凸台42。
参照图4所示，进一步的，管状玻璃波导1的折射率为渐变形态，中间层的折射率成像为具有弧形结构的凸部4，可以在激光聚焦时的瑞利距离的范围内更能维持复合光斑的形态，厚板焊接上面可以提供更佳的加工效果。
光纤复合光斑激光合束器的制造方法，包括以下步骤：
1)制备管状玻璃波导1，将中空的管状玻璃波导1截面上的管壁11的若干外环输入光纤2b进行熔接准备；
2)将若干外环输入光纤2b，由未拉锥的管状玻璃波导端部均匀对称熔接于中空管状玻璃波导1的管壁11内；
3)将若干中央输入光纤2a由未拉锥的管状玻璃波导端部中心位置，延伸放入至管状玻璃波导1的拉锥端12部；
4)将管状玻璃波导1的拉锥端12的中心位置的中央输入光纤2a进行加热缩合；
5)将管状玻璃波导1的拉锥端12的管壁11和其中心位置上缩合后中央输入光纤2a与大模场光学传输光纤3熔接。
具体的，缩合后的中央输入光纤2a与连接光纤32熔接，管状玻璃波导1的拉锥端12的管壁11与环型波导连接端31熔接。
本实施例中管状玻璃波导1的中心位置内的中央输入光纤2a的数量为三条至七条，管状玻璃波导1的管壁11内的外环输入光纤2b的数量为二条至六条，环形均布于管壁11内。每条中央输入光纤2a和外环输入光纤2b的输入端连接有激光模组或光感测模块，进行激光的传输。
中央输入光纤2a和外环输入光纤2b的输入激光可以为不同波长，包括但不限于高功率连续光纤激光，脉冲激光，准连续高功率激光，以及红外激光、绿光激光、紫外光激光。
参照图2所示，光纤激光器所输出的光斑，其中心光斑为圆形类单模光斑，光斑质量小；外环光斑为平顶式光斑，光斑质量大。中心光斑与外环光斑是由不同的激光模组组成的，因此合束器所输出的光斑分为三种形态:第一种，只启动管状玻璃波导的中心位置上三台激光模组，输出中心光斑，光斑质量小；第二种，只启动管状玻璃波导的管壁上四台激光模组，输出外环光斑，光斑质量大；第三种，所有激光模组启动，同时输出中心与外环的复合式光斑。从而在单一台光纤激光器中通过调整内外环激光强度，来达到调整光斑质量与光斑形态的效果。
光纤激光器所输出的光斑，其中中心的激光作为主光源对材料进行深熔焊，外环激光作为次光源对材料进行预热并增加材料维持在熔融状态的时间，可减少焊接内部气孔，提高焊接的可靠度，在高速焊接时也能够保持熔池稳定。
应用本实施例时，通过设置管状玻璃波导1与中央输入光纤2a和外环输入光纤2b复合结构，使得激光得以实现中心与外环所组成的复合光斑，并且调变两者的激光强度比例。此种管状玻璃波导根据斯涅尔定律以及全内反射定律，得知入射介质n1与折射介质n2满足以下条件时n1sinθ1≥n2，光会达成全内反射。因此，管状玻璃波导具有三种折射率分布在管壁内，三层同心圆折射率分布为n2＞n1＝n3，确保外环的激光只被限制于管状玻璃波导的管壁内，不会耦合到管状玻璃波导的中心或管壁外，单独控制中心出光或外环出光，任意调整中心与外环出光比例，达到调变光斑的功能。
基于管状玻璃波导的中心与外环所组成的复合光斑减少焊接内部气孔的生成，其原理如下，焊接时复合光斑分为三区块，第一区最先抵达材料，对材料进行预热的动作，只对材料加热刚好到达熔点，提供最低所需的热量；第二区为随之跟上的中心光斑模态，具有较高质量的光斑并提供更高的能量密度，使得能量足以穿透到更深的材料，此外，同时创造了一个稳定的熔池，让内部的气体更加容易的散出；第三区能够将第二区的加工区域稳定的闭合，同时也能够调整熔池的长度，以利于气体可以在材料凝固前散出。通过中心与外环所组成的复合光斑达到减少焊接内部气孔的生成的效果。
本实施例具有的有益效果：光纤复合光斑激光合束器采用全光纤制造技术，避免使用容易受到时间与震动影响的光学透镜组，导致透镜偏移影响激光的可靠度的问题；单一激光器内将不同激光合束，利用管状玻璃波导1，实现中心与外环所组成的复合光斑，任意调整中心与外环出光比例，达到调变光斑的功能，大大节省了激光设备以及加工头的成本；同时也不需要通过对光纤进行弯折达到调变光斑的效果，大幅度的提升激光器本身的可靠度；通过中心与外环所组成的复合光斑，达到减少焊接内部气孔的生成的效果。
以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.光纤复合光斑激光合束器，其特征在于：包括中空的拉锥成型的管状玻璃波导、均布熔接于管状玻璃波导的管壁截面上的若干外环输入光纤以及合束置于管状玻璃波导的中心位置的若干中央输入光纤、位于管状玻璃波导的管壁拉锥端并熔接缩合的大模场光学传输光纤；由管状玻璃波导管壁和其中心位置输入激光并由大模场光学传输光纤输出激光有效耦合形成复合光斑。
2.根据权利要求1所述的光纤复合光斑激光合束器，其特征在于：所述大模场光学传输光纤包括与管状玻璃波导的管壁拉锥端相对应匹配的环型波导连接端，与管状玻璃波导的中心位置上合束的中央输入光纤相对应匹配的连接光纤。
3.根据权利要求2所述的光纤复合光斑激光合束器，其特征在于：若干所述中央输入光纤由管状玻璃波导的中心位置合束输入激光并由连接光纤输出激光形成中心光斑；若干所述外环输入光纤由管状玻璃波导的管壁位置输入激光并由环型波导连接端输出激光形成外环光斑。
4.根据权利要求1所述的光纤复合光斑激光合束器，其特征在于：所述管状玻璃波导为石英玻璃材质制成。
5.根据权利要求1所述的光纤复合光斑激光合束器，其特征在于：所述管状玻璃波导的管壁中间层的折射率高于其内层与外层的折射率。
6.光纤复合光斑激光合束器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，制备管状玻璃波导，将中空的管状玻璃波导截面上的管壁的若干外环输入光纤进行熔接准备；
S2，将若干外环输入光纤，由未拉锥的管状玻璃波导端均匀对称熔接于中空管状玻璃波导的管壁内；
S3，将若干中央输入光纤，由未拉锥的管状玻璃波导端中心位置，延伸放入至管状玻璃波导的拉锥端；
S4，将管状玻璃波导的拉锥端的中心位置的中央输入光纤进行加热缩合；
S5，将管状玻璃波导的拉锥端的管壁和其中心位置上缩合后中央输入光纤与大模场光学传输光纤熔接。
7.根据权利要求6所述的光纤复合光斑激光合束器的制造方法，其特征在于：缩合后的所述中央输入光纤与连接光纤熔接，管状玻璃波导的拉锥端的管壁与环型波导连接端熔接。
8.根据权利要求6所述的光纤复合光斑激光合束器的制造方法，其特征在于：所述管状玻璃波导的管壁内的外环输入光纤的数量为二到六条，环形均布于管壁内。
9.根据权利要求6所述的光纤复合光斑激光合束器的制造方法，其特征在于：所述中央输入光纤和外环输入光纤的输入激光包括但不限于高功率连续光纤激光，脉冲激光，准连续高功率激光，以及红外激光、绿光激光、紫外光激光。
10.根据权利要求6所述的光纤复合光斑激光合束器的制造方法，其特征在于：每条所述中央输入光纤和外环输入光纤的输入端连接有激光模组或光感测模块。
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