專利名稱：一種激光加工系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于激光加工系統(tǒng)領域，尤其涉及一種基于多包層光纖功率合成器和傳輸系統(tǒng)的激光加工系統(tǒng)。
背景技術：
光纖激光器有著光束質量優(yōu)、轉換效率高、全光路結構、維護方便等優(yōu)點，目前被廣泛運用于很多工業(yè)領域，諸如材料切割、鉆孔、焊接、打標、熔覆等。對于不同材料，不同工業(yè)應用，不同加工工藝，通常需要不同的光束質量與模式。通常調Q脈沖激光器，常常用來達標，高光束質量(M2〈2)的中高功率連續(xù)激光器常常用來切割、鉆孔等精密加工，而焊接、熔覆等加工常常需要多模光束來完成。以往，不同的加工工序，需要不同的激光器去完成，或者通過更換輸出光纖傳輸系統(tǒng)來完成，這樣大大增加了調試時間與運營成本。諸如像汽車制造領域，在汽車加工過程中常常需要不斷運用到切割、鉆孔、焊接、熔覆等加工工藝，一般產線會配備多臺機器，或者完成一種工序后，通過更換傳輸光纖來進行下一道工序，這大大降低了運行效率與成本。本發(fā)明通過一根多包層光纖來完成多種加工應用，同一根光纖中，當需要切割、鉆孔等精密操作時，能傳輸高光束質量的激光來完成；當需要焊接、熔覆等操作時，也能傳輸多模激光。該結構的激光加工系統(tǒng)，能夠保證激光能以合適的加工深度與激光模式、激光光斑達到被加工工件。

發(fā)明內容
本發(fā)明為了克服上述現有技術存在的缺陷和問題，提供了一種光纖功率合成器和激光加工系統(tǒng)，本發(fā)明的多根輸入光纖中，位于中部的輸入光纖與多包層光纖纖芯熔接，位于外層的輸入光纖與多包層光纖包層熔接，使得在同一根多包層光纖中，能同時傳播單模激光、少模激光與多模激光 ，本發(fā)明在同一激光加工系統(tǒng)中，能同時具備不同光束質量的激光，使得同一臺激光系統(tǒng)，能同時具備多種加工功能，大大擴展了激光加工系統(tǒng)的靈活性，縮減了系統(tǒng)的成本。為實現本發(fā)明目的所采用的技術方案為一種激光加工系統(tǒng)，包括一個激光功率合成器、一個或若干激光模塊、一個激光耦合器以及激光傳輸系統(tǒng)，其特征在于所述激光功率合成器為一端多根輸入光纖以及另一端一根多包層輸出光纖，所述激光傳輸系統(tǒng)為一根多包層光纖，一個或若干激光模塊分別通過一根激光耦合器輸入光纖與激光耦合器相連，激光耦合器分別通過若干根激光耦合器輸出光纖與激光功率合成器的多根輸入光纖端相連，激光功率合成器的一根多包層輸出光纖端與激光傳輸系統(tǒng)相連到輸出件。所述的激光功率合成器的多根輸入光纖通過打絞、捆綁、熱縮或者穿于同一石英管內，經熔融拉錐，使其成為一束光纖束。所述的光纖功率合成器的多根輸入光纖密排于同一金屬或者陶瓷套管內，通過磨拋或鍍膜方式成為一光纖束。所述的光纖功率合成器的多根輸入光纖束與一根多包層輸出光纖通過熔接或機械固定方法結合在一起。所述的光纖功率合成器的光纖束的中部的光纖與多包層光纖的纖芯結合，光纖束的外部光纖與多包層光纖的包層結合。所述激光傳輸系統(tǒng)為多包層光纖，且多包層光纖與鍍膜的石英棒熔接。所述激光加工系統(tǒng)包括激光功率合成器、激光模塊、激光耦合器以及激光傳輸系統(tǒng)，所述激光功率合成器由多根輸入光纖以及一根多包層輸出光纖組成，所述激光I禹合器連接激光模塊與激光功率合成器，所述激光傳輸系統(tǒng)由多包層光纖組成。本發(fā)明的多根輸入光纖中，位于中部的輸入光纖與多包層光纖纖芯熔接，位于外層的輸入光纖與多包層光纖包層熔接，使得在同一根多包層光纖中，能同時傳播單模激光、少模激光與多模激光，本發(fā)明在同一激光加工系統(tǒng)中，能同時具備不同光束質量的激光，使得同一臺激光系統(tǒng)，能同時具備多種加工功能，大大擴展了激光加工系統(tǒng)的靈活性，縮減了系統(tǒng)的成本。


圖1是本發(fā)明的總體結構圖；圖2a_l、圖2a_2、圖2a_3分別為一端7根光纖的激光功率合成器打開中間一根光纖的激光在纖芯與包層傳輸的示意圖。圖2b_l、圖2b -2、圖2b_3分別為一端7根光纖的激光功率合成器關閉中間一根光纖的激光在周圍六根光纖的纖芯與包層傳輸的示意圖。圖3是多包層光纖折射率分布圖；圖4是多包層光纖端帽結構圖；圖5是本發(fā)明的單模塊激光加工系統(tǒng)結構示意圖；圖6a_l、圖6a_2分別為一端7根光纖的激光功率合成器在單模塊激光加工系統(tǒng)中激光在纖芯與包層傳輸的示意圖。圖6b_l、圖6b_2分別為一端7根光纖的激光功率合成在單模塊激光加工系統(tǒng)中激光在纖芯與包層傳輸的示意圖。
具體實施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。如圖1所示，本發(fā)明包括一個激光功率合成器120、三個激光模塊、一個激光耦合器以及激光傳輸系統(tǒng)130,所述激光功率合成器為一端7根輸入光纖以及另一端一根多包層輸出光纖，所述激光傳輸系統(tǒng)為一根多包層光纖，三個激光模塊分別三根激光耦合器輸入光纖(100，101，102)與激光耦合器相連，激光耦合器分別通過三根根激光耦合器輸出光纖(110,111,112)與激光功率合成器120的7根輸入光纖端相連,激光功率合成器120的一根多包層輸出光纖端與激光傳輸系統(tǒng)130相連到輸出件131。如圖1所不激光I禹合器輸入光纖100、101、102，輸出光纖110、111、112，激光耦合器通過光路控制，使輸入光纖能夠耦合入任意輸出光纖中，如輸入光纖100可以與輸出光纖110、111、112任意光纖I禹合,I禹合效率一般大于95%以上。激光耦合輸出光纖通過激光功率合成器120，如激光輸出光纖是7根20-400um雙包層光纖，纖芯NA=O. 07，通過熔融拉錐，使得7根光纖成為一束，其中7根光纖中間一根光纖拉錐完后直徑在16 17um,外圍6根光纖直徑也在16 17um, —束光纖最大外徑在48 52um左右,其中每根光纖內的激光束縛在光纖纖芯以內，不能逃逸出包層。輸出光纖為多包層光纖，如上例所說，輸出光纖為3包層光纖,如纖芯為20um,NA=0. 06-0. 11,第一包層為50um，NA=0. 15-0. 22，第三包層為250 500um，涂覆層為低折射率膠或者硅膠，NA>0. 38，把光纖束與多包層光纖切割齊平后，通過電極放電或者CO2激光使得光纖束與多包層光纖熔接，這樣7根20-400光纖，中間的光纖與多包層光纖20um纖芯結合，外圍6根光纖與多包層光纖50um第一包層結合。當加工需要高光束質量激光時，光纖束中間一根光纖內通激光，如圖2a_l、圖2a_2、圖2a_3所示；當需要熔覆、焊接等需要多模激光時，關閉中間一根光纖內激光，打開周圍6根光纖激光,如圖2b-l、圖2b-2、圖2b-3所不。依然，可以有選擇性的打開7根光纖中任意一根或者多根光纖內激光，或者7根全部通激光。舉例說明，7個激光模塊,每個模塊功率lkW，每個模塊輸出尾纖20-400um雙包層光纖，M2〈l. 3，當需要高光束質量激光用來切割金屬時，打開中間一根IkW模塊,可以用來切割IOmm以內金屬鈑金,如果需要用來焊接鈑金時，可以打開外圍6個模塊，可以達到7kw功率。如圖5所示，亦可使用單個激光模塊，激光耦合器能夠使得輸入光纖耦合至任意一根輸出光纖，當需要高光束激光是，通過控制激光耦合器，使得激光模塊耦合至中間一根激光束輸入光纖，如圖6a_l、圖6a_2所示；當需要多模激光時，使得激光模塊耦合至激光束外圍的一根光纖，圖6b-l、圖6b-2所示。這種一體化多包層光纖來完成多種加工應用，同一根光纖中，當需要切割、鉆孔等精密操作是，能傳輸高光束質量的激光來完成；當需要焊接、熔覆等操作時，也能傳輸多模激光。該結構的激光加工系統(tǒng)，能夠保證激光能以合適的加工深度與激光光斑達到被加工工件。如圖3所示，圖示為上例中3包層光纖的折射率分布圖，橫坐標代表光纖直徑，縱坐標代表折射率分布。纖芯為20um摻雜Ge的純石英,第一包層為50um不摻雜純石英,第二包層為500um摻雜F純石英,纖芯NA=O. 06-0. 11,能夠傳輸少模激光，同時由于是大模場結構光纖，能夠克服高功率、長距離傳輸時的非線性效應，一般能夠傳輸4kW以內的少模激光，第一包層NA=O. 15-0. 22，能夠傳輸多模激光，同時也能保持非常優(yōu)異的光束質量，通常光纖激光傳輸的BPP要數倍優(yōu)于同功率的YAG與CO2激光器。如圖4所示，圖示為多包層結構的光纖端帽，多包層光纖140與端帽141熔接，多包層光纖的纖芯激光沿端帽中心傳播，多包層光纖的包層激光沿端帽以更大的發(fā)散角傳播，纖芯激光與包層激光能夠同時在端帽中傳播，互不影響。該結構的端帽能夠使單模激光與多模激光在同一端帽中傳播，結構緊湊簡單。通過把7根輸入光纖精密排布于套筒內，再通過機械固定的方式與輸出多包層光纖精密貼合。該合束器亦可用熔融拉錐的方式制作。本發(fā)明的激光功率合成器亦可制作為19x1，共3層光纖，輸出光纖為4包層光纖，纖芯20um，第一包層50um，第二包層IOOum 200um，該結構19x1可以輸出功率20kW。
權利要求
1.一種激光加工系統(tǒng)，包括一個激光功率合成器、一個或若干個激光模塊、一個激光耦合器以及激光傳輸系統(tǒng)，其特征在于所述激光功率合成器為一端多根輸入光纖以及另一端一根多包層輸出光纖，所述激光傳輸系統(tǒng)為一根多包層光纖，一個或若干激光模塊分別通過一根激光耦合器輸入光纖與激光耦合器相連，激光耦合器分別通過若干根激光耦合器輸出光纖與激光功率合成器的多根輸入光纖端相連，激光功率合成器的一根多包層輸出光纖端與激光傳輸系統(tǒng)相連到輸出件。
2.如權利要求1所述的激光加工系統(tǒng)，其特征在于所述的激光功率合成器的多根輸入光纖通過打絞、捆綁、熱縮或者穿于同一石英管內，經熔融拉錐，使其成為一束光纖束。
3.如權利要求1所述的激光加工系統(tǒng)，其特征在于所述的光纖功率合成器的多根輸入光纖密排于同一金屬或者陶瓷套管內，通過磨拋或鍍膜方式成為一光纖束。
4.如權利要求1所述的激光加工系統(tǒng)，其特征在于所述的光纖功率合成器的多根輸入光纖束與一根多包層輸出光纖通過熔接或機械固定方法結合在一起。
5.如權利要求2或3所述的激光加工系統(tǒng)，其特征在于所述的光纖功率合成器的光纖束的中部的光纖與多包層光纖的纖芯結合，光纖束的外部光纖與多包層光纖的包層結入口 o
6.如權利要求1所述的激光加工系統(tǒng)，其特征在于所述激光傳輸系統(tǒng)為多包層光纖，且多包層光纖與鍍膜的石英棒熔接。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種激光加工系統(tǒng)，包括一個激光功率合成器、一個或若干個激光模塊、一個激光耦合器以及激光傳輸系統(tǒng)，所述激光功率合成器為一端多根輸入光纖以及另一端一根多包層輸出光纖，所述激光傳輸系統(tǒng)為一根多包層光纖，一個或若干激光模塊分別通過一根激光耦合器輸入光纖與激光耦合器相連，激光耦合器分別通過若干根激光耦合器輸出光纖與激光功率合成器的多根輸入光纖端相連，激光功率合成器的一根多包層輸出光纖端與激光傳輸系統(tǒng)相連到輸出件。本發(fā)明在同一激光加工系統(tǒng)中，能同時具備不同光束質量的激光，使得同一臺激光系統(tǒng)，能同時具備多種加工功能，大大擴展了激光加工系統(tǒng)的靈活性，縮減了系統(tǒng)的成本。
文檔編號G02B6/255GK103056513SQ20121054584
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月14日 優(yōu)先權日2012年12月14日
發(fā)明者施建宏, 閆大鵬, 李成 申請人:武漢銳科光纖激光器技術有限責任公司