一种激光输出头

技术领域

本发明涉及激光器技术领域，尤其涉及一种激光输出头。

背景技术

近些年来，随着激光加工应用领域的飞速发展，激光器，特别是光纤激光器，种类不断增加，功率不断提高。尤其是，在光纤激光器输出功率突破万瓦以后，市场上很快即出现了数万瓦甚至十万瓦级光纤激光器。目前通用技术，为了实现数万瓦级的高功率激光输出，目前各大激光器厂商都是通过多个激光器模块进行功率合束，即多模块激光器。激光合束后，通过激光传输光缆将激光输出至加工端，即切割头、焊接头等加工设备。一般来说，激光传输光缆用于连接加工设备的部分称之为激光输出头，输出头中包含机械壳体和光学器件，其中光学器件包含端帽、传能光纤等。

由于在加工的过程中，受材料反射，输出头兼容性问题，不可避免的造成较大的回返光，这一部分回返光会直接照射到输出头外壳体，甚至进入到输出头内部，这也是高功率输出光缆输出头中必须引入水冷的原因。但随着激光器的发展，输出功率的不断提高，回返光功率也进一步提高。当前技术中，通用的水冷技术已经很难满足需求，这也导致在高功率激光器领域，输出头经常会因为过热而烧毁。

由于传统的端帽主体呈圆柱状，受限于端帽体积较大，而壳体大小受应用端限制，冷却壳体一般只到传能光纤外，很难延伸至端帽周围，当有回返光照射到端帽附近壳体时，被壳体吸收转换为热能后不能被及时散热，就会导致端帽附近，特别是靠近传能光纤部分的发热严重。

有鉴于此，继续改进现有的端帽散热方式，以满足高功率激光的输出应用需求。

发明内容

针对现有技术存在的不能有效对激光输出头内的端帽进行散热的缺陷，本发明实施例提供一种新的激光输出头。

本发明提供一种激光输出头，至少包括：端帽和插芯；端帽是由圆柱形输出端和锥台型输入端构成，锥台型输入端的小径端连接光纤的输出端，锥台型输入端的大径端与所述圆柱形输出端的一端相熔接；锥台型输入端的锥台角度大于激光在端帽内传输的激光发散角度，且所述锥台型输入端的大径端直径小于所述圆柱形输出端的直径；所述插芯位于所述端帽的外侧，且保证插芯的内壁与锥台型输入端的外壁间隙配合。

根据本发明提供的一种激光输出头，在圆柱形输出端与所述锥台型输入端之间，还包括：附加圆柱形输出端；附加圆柱形输出端的直径小于圆柱形输出端的直径，且不小于锥台型输入端的大径端直径。

根据本发明提供的一种激光输出头，插芯的内壁与附加圆柱形输出端的外壁相贴合。

根据本发明提供的一种激光输出头，插芯包括冷却水道或冷却风道。

根据本发明提供的一种激光输出头，在插芯包括冷却水道的情况下，所述插芯的表面设置有多水道回流结构带，且在每个回流结构带上嵌设有散热翅片。

根据本发明提供的一种激光输出头，冷却水道与主体的两个连接端采用激光焊接工艺进行密封，并在焊接处设置有焊接坡口。

根据本发明提供的一种激光输出头，激光输出头还包括在套装在光纤上，并同轴设置的光剥模器、反光垫和光纤固定接头；光剥模器悬空设置于锥台型输入端的小径端与反光垫之间；光剥模器的光纤剥离点位于反光垫与所述光纤固定接头之间。

根据本发明提供的一种激光输出头，反光垫为金属材质或玻璃材质，在反光垫的表面镀有反射涂层。

根据本发明提供的一种激光输出头，插芯的内壁是基于喷砂毛化处理后形成的。

根据本发明提供的一种激光输出头，位于激光输出头的光纤尾部套装有铠装套筒，铠装套筒与主体通过螺纹旋合的方式锁紧。

本发明提供的激光输出头，通过改进端帽和插芯的结构，将端帽由传统的圆柱形结构改成一端为锥台型的结构，使得插芯的冷却区域能够有效的延伸，增加了整个激光输出头的冷却能力，能充分满足数万瓦激光的输出及应用需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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是现有技术中的常规端帽的结构示意图；

图2是本发明提供的端帽的结构示意图之一；

图3是激光在本发明提供的端帽中传输的示意图之一；

图4是本发明提供的插芯与端帽相互配合实现激光传输以及散热的示意图之一；

图5是本发明提供的激光输出头的结构示意图之一；

图6是本发明提供的端帽的结构示意图之二；

图7是激光在本发明提供的端帽中传输的示意图之二；

图8是本发明提供的插芯与端帽相互配合实现激光传输以及散热的示意图之二；

图9是本发明提供的激光输出头的结构示意图之二；

图10是本发明提供的激光输出头的立体外观示意图；

图11是发明提供的水冷焊接密封结构示意图；

图12是本发明提供的水道两端焊接坡口示意图之一；

图13是本发明提供的水道两端焊接坡口示意图之二。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在本发明实施例的描述中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在激光传输光缆中，其光学系统的主体结构为端帽和传能光纤，其中传能光纤用于传输高功率激光，而端帽一般由高纯熔融石英制作，当激光传输在端帽内时，损耗基本可以忽略不计，故正向光在端帽中传输，基本不会发热。设置端帽的作用主要有两点：一是通过在端帽的输出面镀设高透膜，以抑止端面的菲涅尔反射；二是致使传能光纤输出激光为发散光，使得激光输出面为一个较大的光斑，从而能够降低功率密度，减小端面被激光损伤的概率。

图1是现有技术中的常规端帽的结构示意图，如图1所示，现有的激光传输光缆的激光输出头光学部分主体结构主要包括：设置于光纤输出端的端帽以及为端帽散热的插芯。其中，端帽的形状为圆柱状，在端帽的激光输出端镀有增透膜，这一面一般称之为镀膜面；端帽的另一端与传能光纤通过熔接的方式连接，这一部分一般称之为熔接端。

由于端帽的直径远大于光纤直径，故通过缩小熔接端的直径使其更易于熔接，而端帽主体部分仍为圆柱状。如图1所示，输出激光的发散角为θ

由于现有技术中的端帽的主体呈圆柱状，受限于端帽体积较大，而激光输出头壳体的大小受应用端限制，其水冷(或风冷)壳体一般只能延伸至传能光纤外，很难延伸至端帽周围。因此，当有回返光照射到端帽附近壳体，被壳体吸收转换为热能后，该部分又没有水冷散热，就会导致端帽附近发热严重。特别是端帽靠近传能光纤部分，激光并不在其中传输，该部分在光学系统中并不起到作用，但发热情况却尤为显著。

有鉴于当前对于端帽的通用设计所存在的缺陷，本发明提供的激光输出头，通过对端帽的结构进行改进，主要是实现将插芯的水冷(或风冷)向端帽的镀膜输出端延伸，以使得端帽附近壳体散热能力大幅度提升，同时使得熔接端的直径与传能光纤直径接近，不会增加熔接难度。

下面结合图2-图13描述本发明实施例所提供的激光输出头的具体结构。

作为一种可选实施例，本发明提供的激光输出头，至少包括：端帽和插芯；其中，端帽是由圆柱形输出端和锥台型输入端构成，锥台型输入端的小径端连接光纤的输出端，锥台型输入端的大径端与圆柱形输出端的一端相熔接；锥台型输入端的锥台角度大于激光在端帽内传输的激光发散角度，且锥台型输入端的大径端直径小于圆柱形输出端的直径；插芯位于端帽的外侧，且保证插芯的内壁与锥台型输入端的外壁间隙配合。

图2是本发明提供的端帽的结构示意图之一，如图2所示，本发明提供的端帽120在原有的圆柱形的基础上，被设计成两个部分，其靠近激光输出端的部分仍为圆柱形输出端，但在靠近光纤熔接端则被设计成锥台型输入端119。

图3是激光在本发明提供的端帽中传输的示意图之一，如图3所示，锥台型输入端119的大径端与圆柱形输出端的一个圆柱断面熔接，锥台型输入端119的小径端则与光纤的输出端相熔接。

需要说明的是，如图3所示，为确保激光的正常传送，锥台型输入端119的锥台角度θ

可选地，圆柱形输出端和锥台型输入端可以采用熔接的方式合成为本发明提供的端帽，也可以采用一体成型的加工方式生成本发明提供的端帽。

图4是本发明提供的插芯与端帽相互配合实现激光传输以及散热的示意图之一，如图4所示，由于在本发明提供的激光输出头中，靠近光纤熔接端的是端帽的锥台型输入端，故在不增加整个激光输出头体积，以及不影响整个端帽的光学性能的前提下，用于降温的插芯可以将水冷(或其他冷却方式)相关的部分向端帽的镀膜面延伸，例如：使插芯的内壁与锥台型输入端的外壁间隙配合，以使得端帽附近壳体散热能力大幅度提升，同时使得端帽与光纤的熔接端的直径与光纤的直径相接近，不会增加熔接难度。

图5是本发明提供的激光输出头的结构示意图之一，如图5所示，本发明提供的激光输出头，主要包括但不限于：端帽120、插芯101、主体102、卡套103、反光垫108、两个水冷接头112和113、水冷接头对应的锁紧帽11和113、铠装套筒105、锁紧盖106、铠缆107和光纤109等。本发明提供的激光输出头，通过将端帽120设计成靠近出光面一端大而靠近熔接点一端小的圆柱形输出端和锥台型输入端相融合的结构，以让插芯101的水冷区域能够延生至端帽外围，保证所述插芯的内壁与所述锥台型输入端的外壁间隙配合，进而覆盖大部分端帽的外围大部分轴向区域。

本发明提供的激光输出头，通过改进端帽和插芯的结构，将端帽由传统的圆柱形结构改成一端为锥台型的结构，使得插芯的冷却区域能够有效的延伸，增加了整个激光输出头的冷却能力，能充分满足数万瓦激光的输出及应用需求。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，在圆柱形输出端与锥台型输入端之间，还包括：附加圆柱形输出端；附加圆柱形输出端的直径小于圆柱形输出端的直径，且不小于锥台型输入端的大径端直径。

图6是本发明提供的端帽的结构示意图之二，如图6所示，在本发明提供的激光输出头中，端帽可以看作由三部分构成。具体地，包括在光路上依次熔接的圆柱形输出端、附加圆柱形输出端100以及锥台型输入端。

图7是激光在本发明提供的端帽中传输的示意图之二，如图7所示，由于位于端帽熔接端的锥台型输入端的加工难度较高，故本发明提供的端帽，可以将端帽结构简化为图6所示的结构，通过在圆柱形输出端和锥台型输入端之间，引入一个直径D

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，所述插芯的内壁与所述附加圆柱形输出端的外壁相贴合。

图8是本发明提供的插芯与端帽相互配合实现激光传输以及散热的示意图之二，如图8所示，采用本发明提供的端帽，可以将插芯水冷向镀膜面延伸。具体地，可以使插芯的内壁与锥台型输入端的外壁间隙配合的基础上，进一步使以使插芯的内壁与附加圆柱形输出端100的外壁间隙配合，以使得端帽附近壳体散热能力大幅度提升，同时使得端帽与光纤的熔接端的直径与光纤的直径相接近，不会增加熔接难度。

图9是本发明提供的激光输出头的结构示意图之二，图10是本发明提供的激光输出头的立体外观示意图，如图9以及图10所示，本发明提供的激光输出头，主要包括但不限于：端帽114、插芯101、主体102、卡套103、反光垫108、两个水冷接头112和113、水冷接头对应的锁紧帽11和113、铠装套筒105、锁紧盖106、铠缆107和光纤109等。本发明提供的激光输出头，通过将端帽120设计成靠近出光面一端大而靠近熔接点一端小的圆柱形输出端和锥台型输入端相融合的结构，以让插芯101的水冷区域能够延生至端帽外围，保证所述插芯的内壁与所述锥台型输入端的外壁间隙配合，进而覆盖大部分端帽的外围大部分轴向区域。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，所述插芯包括冷却水道或冷却风道。

进一步地，在所述插芯包括冷却水道的情况下，所述插芯的表面设置有多水道回流结构带104，且在每个所述回流结构带104上嵌设有散热翅片。

以图5或图9所示为例，一旦有回返光进入端帽114或120，透过端帽114或120的激光会以散射光的形式散到插芯101内壁面，散射光被插芯101吸收后转化成热量，通过插芯101外表的循环冷却水带走。

进一步地，插芯101表面采用多水道回流结构带104，带有多个翅片以增加散热面积。水冷接头110、112采用斜通式结构，水冷接头110和112之间的夹角越接近0度，越有利于流量的提升。外接的水管与水冷接头110和112之间采用螺纹快拧的方式通过锁紧帽111和113锁紧。其中，水冷接头110和112用于外接循环水。

进一步地，在插芯101表面采用风冷散热装置的情况下，风冷散热装置主要包括翅片和至少一个风扇；翅片内嵌于插芯的外周，并与主体套筒相接触，用于接收由插芯所传导的热量；风扇固设于翅片的外侧，用于对翅片进行风冷散热。

本发明提供的激光输出头，通过在插芯的表面增设水道或散热翅片，以增加插芯的散热效率，从而确保激光输出头工作在正常温度下，避免输出头因过热烧毁。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，所述冷却水道与主体的两个连接端采用激光焊接工艺进行密封，并在焊接处设置有焊接坡口。

图11是发明提供的水冷焊接密封结构示意图，常规的激光输出头其插芯水道两端的密封方式，一般是采用橡胶密封件进行机械密封，而如图11所示，本发明所提供的插芯101的水道两端采用了激光焊接工艺进行密封，以减少热影响区。

由于，激光焊接能够实现很多类型材料的连接，而且激光焊接通常具有其他熔焊工艺无法比拟的优越性，对于一些比较难焊的薄壁件材料，焊接后变形小，能够在非常小的区域内产生很高的平均温度。故相比机械密封，激光焊接的优势在于能以更小的壁厚尺寸实现更优异的密封，提高了密封区域115和117的承压能力及耐温能力，而无需担心密封件的老化问题。另外，在高温和低温条件下，焊接结构相较于机械密封结构更不容易发生形变，从而不会导致密封失效。

进一步地，本发明提供的插芯101的材质可以采用紫铜或黄铜，插芯101采用铜材的好处就是对激光的反射率较高，可以避免局部热积累效应，主体102可以采用不锈钢材质。由于纯铜焊丝或不锈钢焊丝会产生热裂纹和脆化，两种异种金属的焊接必须使用钎焊工艺，最好是采用银基的银钎料。

操作时要先对插芯101加热，温度到了银钎料熔点才能粘住，然后焊枪再摆向主体102。在不锈钢主体102与铜插芯101焊接时，由于铜比不锈钢的散热要快得多，焊接时必须将电弧偏向铜插芯101一侧。

可选地，为了提升光热转换吸收效率，插芯101也可以采用不锈钢材质，即插芯101和主体102采用同种不锈钢材质，这样更容易焊接和保证焊接强度。

如果不采用填丝焊，使用热熔焊工艺，插芯101与主体102两端的配合间隙要控制在0.05mm以内，采用热熔焊的优势在于焊接后对配合尺寸公差的影响小，不需要任何后处理工艺。

焊接之前，插芯101与主体102的轴向和径向的相对位置及精度必须得到保证，并且必须使用插芯与主体处于预紧状态，以便焊接过程的实施。为了保证插芯101和主体102的预紧强度，可以借助工装，利用图5或图9中所示的卡套103锁紧。

具体方法为，先将卡套103与主体102连接好，将插芯101装入主体102内，调整插芯101的径向位置后，利用工装锁紧卡套103，通过工装端部压紧插芯101端部，从而产生轴向预紧力，使插芯101与主体102前端的锥面能够贴合，从而保证了装配精度。

图12是本发明提供的水道两端焊接坡口示意图之一，图13是本发明提供的水道两端焊接坡口示意图之二，如图12或图13所示，可以在插芯101两端设计一定的焊接坡口121或122，焊接坡口121或122形成的空隙能承受更多的焊料，使基材更容易焊透，也使得焊接更加充分，焊接强度更容易保证。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，如图5、图9以及图11所示，激光输出头还包括在套装在所述光纤109上，并同轴设置的光剥模器116、反光垫108和光纤固定接头118；光剥模器116悬空设置于锥台型输入端的小径端与反光垫108之间；光剥模器116的光纤剥离点位于反光垫108与光纤固定接头118之间。

进一步地，所述反光垫108为金属材质或玻璃材质，在所述反光垫108的表面镀有反射涂层。

具体地，插芯101内部的反光垫108采用金属材质或玻璃材质，表面镀有反射涂层，反射率一般在90％以上。

输出头在切割高反材料时，会有回返光产生，透过端帽114或120的回返光和光纤剥模器剥除的散射光，在反光垫108的作用下，可以阻挡激光，使激光照射在插芯101水冷区域的内壁面，从而避免进入输出头后端的剥离点区域。

反光垫108与端帽114或120有严格的同轴度要求，因此可以与主体102之间采用过盈配合的方式装配。

反光垫108内部有一个同轴小孔，是光纤109的通道，对回返光而言，这个小孔也是光阑孔。

光纤109上的剥模器116所在区域位于端帽114或120熔接点与反光垫108之间的区域，呈悬空状态，这个区域对加工要求和洁净度要求非常高。光纤109通过光纤固定接头118注胶固定，使剥模器116处于同轴和绷直状态，且光纤剥离点位于反光垫108与光纤固定接头118点胶口之间。

端帽114或120的圆柱形输出端与插芯101之间有高精度径向配合要求，端帽114或120的端部与插芯101的端部有轴向限位，用于保证端帽114或120的同轴度，减少端帽的角度偏移误差，从而减小光束的指向误差。

端帽114或120圆柱形输出端与插芯101之间通过胶水固定。端帽114或120的尾锥119或尾柱100与插芯101内壁之间均为大间隙配合，不与插芯101内壁接触，呈悬空状态。

卡套103与主体102之间通过紧固件连接，且有较高的同轴度要求，用于与切割头或者焊接头实现机械配合，锥面可以实现自定心，以保证同轴度要求。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，所述插芯的内壁是基于喷砂毛化处理后形成的。

本发明提供的的激光输出头，在插芯101的内壁设计毛化结构或采用毛化工艺处理，更有利于热分布匀化，以进一步减少轴向温度梯度。

可选地，插芯101内壁面可以加工成螺纹结构，并可以对该螺纹结构进行毛化处理，以增加激光吸收面积，更有利于热量的传播。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，位于激光输出头的光纤尾部套装有铠装套筒105，所述铠装套筒105与主体102通过螺纹旋合的方式锁紧。

具体地，铠装套筒105用于对铠缆107进行机械连接，同时与主体102之间使用螺纹连接和密封，锁紧盖106用于对铠缆107进行密封。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。