一种复合全光纤激光器系统

技术领域

本发明涉及光纤激光器技术领域，尤其涉及一种复合全光纤激光器系统。

背景技术

将光纤激光用于材料加工是相当普遍的，但在光纤激光对材料进行加热加工时，由于光纤激光加工热区小的特点，造成加工点与周围非加工区域的温差巨大，由此会产生激光频率与材料间的共振，引起材料飞溅的现象，严重影响加工效果。针对这个问题，出现了一种复合式激光加工工艺，即在高能量密度激光加工的同时，另外用均匀的激光能量改变加工点周围材料的温度，让材料避开与激光频率的共振点。

现有的复合激光加工方式是使用光纤激光器与半导体激光器通过聚焦镜片等外光路将两台激光器输出的光束聚焦在加工材料表面上，实现对加工材料的复合激光加工。这种加工方式存在以下缺点：

1、需要两台不同的独立激光器，没有统一的控制软件，各自都需要单独进行控制，在精密的工艺调试中，无法实现较高的一致性；

2、外光路的耦合方式决定了两种光束来自不同的入射角度，这样会导致非焦点激光会在工件表面形成不规则的椭圆光斑，从而造成能量分布不均匀的现象；

3、这种双机联动的形式需要两组光学聚焦镜头，使用与维护成本较高。

为此，本申请人经过有益的探索和研究，找到了解决上述问题的方法，下面将要介绍的技术方案便是在这种背景下产生的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：针对现有技术的不足而提供一种联动响应速度快、加工质量好、保证工件热分布一致性、降低使用成本和维护成本的复合全光纤激光器系统。

本发明所要解决的技术问题可以采用如下技术方案来实现：

一种复合全光纤激光器系统，包括：

光纤激光模块，所述光纤激光模块具有一主功率激光光束输出端，所述光纤激光模块产生用于向工件提供主功率激光能量输出的主功率激光光束，并通过所述主功率激光光柱输出端进行输出；

半导体激光模块，所述半导体激光模块具有若干辅助功率激光光束输出端，所述半导体激光模块产生若干用于向工件提供辅助功率激光输出的辅助功率激光光束，并分别通过对应的辅助功率激光光束输出端进行输出；

激光耦合模块，所述激光耦合模块具有一主功率激光光束输入端、若干辅助功率激光光束输入端和一耦合激光光束输出端，所述激光耦合模块的主功率激光光束输入端与所述光纤激光模块的主功率激光光束输出端连接，其若干辅助功率激光光束输出端分别对应地与所述半导体激光模块的若干辅助功率激光光束输出端连接，用于将所述半导体激光模块输出的若干辅助功率激光光束耦合均布在所述光纤激光模块输出的主功率激光光束的周围，形成耦合激光光束；

复合激光输出光缆，所述复合激光输出光缆的输入端与所述激光耦合模块的耦合激光光束输出端连接，其输出端将耦合激光光束传输至工件表面上；以及

控制模块，所述控制模块分别与所述光纤激光模块和半导体激光模块连接。

在本发明的一个优选实施例总，所述光纤激光模块包括：

若干第一半导体激光器；

合束器，所述合束器的多束输入端分别与每一第一半导体激光器的激光光束输出端连接；

第一光栅单元，所述第一光栅单元的输入端与所述合束器的单束输出端连接；

掺镱光纤，所述掺镱光纤的输入端与所述第一光栅单元的输出端连接；以及

第二光栅单元，所述第二光栅单元的输入端与所述掺镱光纤的输出端连接，其输出端作为所述光纤激光模块的主功率激光光束输出端。

在本发明的一个优选实施例中，所述半导体激光模块由若干第二半导体激光器构成，每一第二半导体激光器的激光光束输出端作为所述半导体激光模块的一个辅助功率激光光束输出端。

在本发明的一个优选实施例中，所述激光耦合模块为一个由光纤耦合拉制成型的光纤合束器，所述光纤合束器的多束输入端由若干根输入光纤构成，其单束输出端由一根输出光纤构成；其中，在多束输入端的若干根输入光纤中，位于最中心的一根输入光纤为单模场光纤，其纤芯与所述复合激光输出光缆的纤芯对接，用于传输所述光纤激光模块输出的主功率激光光束，其余的输入光纤均为多模场光纤并耦合至所述复合激光输出光缆的包层中，用于传输所述半导体激光模块输出的若干辅助功率激光光束。

由于采用了如上技术方案，本发明的有益效果在于：

1.本发明可实现两种不同的输出激光拥有最快的联动响应速度，极大地增加工件加工表面起始点和结束点的加工质量；

2.本发明将两种激光光束均从一根复合激光输出光缆输出，在对工件进行垂直加工时，所有光斑均为均匀的圆形，从而使辅助激光可以更加均匀地对工件表面进行辅助加热，保证了热分布的一致性，会有效缩小共振范围；

3.本发明可实现一台激光器输出三种不同的光束形态，分别为高能量密度小光斑、能量均匀低密度的大光斑以及复合光斑，利用单台激光器即可具备实现光纤激光器、半导体激光器、复合激光系统的功能。

4.本发明仅需一组光学聚焦镜头配合使用，极大地减少了使用成本与维护成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的激光耦合模块的结构示意图。

图3是本发明输出三种不同形式光斑的能量分布图。

图4是本发明复合加工状态的示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

参见图1，图中给出的是一种复合全光纤激光器系统，包括光纤激光模块100、半导体激光模块200、激光耦合模块300、复合激光输出光缆400以及控制模块(图中未示出)。

光纤激光模块100具有一主功率激光光束输出端，光纤激光模块100产生用于向工件提供主功率激光能量输出的主功率激光光束，并通过该主功率激光光柱输出端进行输出。光纤激光模块100可提供1070nm的输出激光，由于光纤激光模块100中采用的有源光纤是Yb，但是设想了任何种类的波长，从而可以使用Er、Th、Ho、掺杂光纤或其他一些组合，甚至在输出中通过非线性光学晶体、拉曼光纤等频移的光纤激光器。

具体地，光纤激光模块100包括六个第一半导体激光器110、合束器120、第一光栅单元130、掺镱光纤140以及第二光栅单元150。当然，第一半导体激光器110并不局限于本实施例中的数量，其应根据主功率激光光束的要求而设置。合束器120的多束输入端分别与每一第一半导体激光器110的激光光束输出端连接。第一光栅单元130的输入端与合束器120的单束输出端连接。掺镱光纤140的输入端与第一光栅单元130的输出端连接。第二光栅单元150的输入端与掺镱光纤140的输出端连接，其输出端作为光纤激光模块100的主功率激光光束输出端。

半导体激光模块200具有六个辅助功率激光光束输出端，半导体激光模块200产生若干用于向工件提供辅助功率激光输出的辅助功率激光光束，并分别通过对应的辅助功率激光光束输出端进行输出。具体地，半导体激光模块200由六个第二半导体激光器210构成，每一第二半导体激光器210的激光光束输出端作为半导体激光模块200的一个辅助功率激光光束输出端。当然，第二半导体激光器210并不局限于本实施例的数量，其应根据实际设计要求而设置。第二半导体激光器210为976nm的输出激光，如面对特殊的应用需求，可采用不同波长段的不同数量的半导体激光器进行多波长复合输出；必要时也可以连接多个光纤激光器。

激光耦合模块300具有一主功率激光光束输入端、六个辅助功率激光光束输入端和一耦合激光光束输出端，激光耦合模块300的主功率激光光束输入端与光纤激光模块100的主功率激光光束输出端连接，其六个辅助功率激光光束输出端分别对应地与半导体激光模块200的六个辅助功率激光光束输出端连接，用于将半导体激光模块200输出的六根辅助功率激光光束耦合均布在光纤激光模块100输出的主功率激光光束的周围，形成耦合激光光束。具体地，参见图2，激光耦合模块300为一个由光纤耦合拉制成型的光纤合束器310，光纤合束器310的多束输入端311由七根输入光纤311a构成，其单束输出端312由一根输出光纤312a构成；其中，在多束输入端的七根输入光纤311a中，位于最中心的一根输入光纤311a为单模场光纤，其纤芯与复合激光输出光缆400的纤芯对接，用于传输光纤激光模块100输出的主功率激光光束，其余的输入光纤311a均为多模场光纤并耦合至复合激光输出光缆400的包层中，用于传输半导体激光模块200输出的六根辅助功率激光光束。

复合激光输出光缆400的输入端与激光耦合模块300的耦合激光光束输出端连接，其输出端将耦合激光光束传输至工件表面上。

控制模块分别与光纤激光模块100和半导体激光模块200连接。具体地，控制模块分别与光纤激光模块100中的每一第一半导体激光器110和半导体激光模块200中的每一第二半导体激光器210连接，用于分别对每一第一半导体激光器110和每一第二半导体激光器210进行独立控制，并关联实现两种激光的能量强度、工作时间、脉冲频率等输出方式的任意搭配。

本发明的复合全光纤激光器系统的工作方式为，由复合激光输出光缆400将两种激光输出到工件10的表面，其中光纤激光模块100输出的主功率激光光束101会对工件10的加工区域11进行加工，同时半导体激光模块200输出的辅助功率激光光束201会对工件10的加工区域附近12进行辅助加热，如图4所示，改变该非加工区域的频率，避免与主功率激光频率相近产生的共振现象，操作者可通过控制模块对光纤激光模块100与半导体激光模块200发出不同的输出方式指令，可使该激光器系统产生任意的将两种激光配合输出的模式，以适应不同的材料特性与加工需求。

本发明可实现一台激光器输出三种不同的光束形态，分别为a.高能量密度小光斑、b.能量均匀低密度的大光斑以及c.复合光斑，如图3所示。

参见图4，本发明仅需一组光学聚焦镜头20配合使用，极大地减少了使用成本与维护成本。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。