本發(fā)明涉及激光源，并且特別涉及適用于諸如對金屬材料的焊接、銅焊和切割操作之類的工業(yè)過程的類型的激光源。

背景技術(shù)：

在過去已經(jīng)開發(fā)了許多種類的激光源，并且目前在市場上可得到這些激光源，以便滿足在工業(yè)過程領(lǐng)域中并且特別是在對金屬材料的過程的領(lǐng)域中的各種需要。一般地，不同過程（諸如金屬材料的焊接、銅焊和切割）、過程中的不同程度的精度以及被處理的材料的不同特性（諸如要被焊接或者被切割的金屬板的不同厚度值）要求激光束的不同特性，以便確保最優(yōu)結(jié)果。對于這些過程中的一些過程，激光束的質(zhì)量水平可能是較低的，而對于其他應(yīng)用，射束的質(zhì)量必須是較高的。

在本說明書中以及隨附的權(quán)利要求中，通過激光束的術(shù)語“質(zhì)量”，激光束的能力意味著聚焦到非常小的點(diǎn)，以便在激光點(diǎn)處引起高功率密度。以這種方式定義的激光束的質(zhì)量通常由被稱為BPP（“射束參數(shù)積”）的參數(shù)值來表示，以每毫輻射（milliradiant）的毫米（mm.mrad）為單位來度量，對應(yīng)于激光束的發(fā)散角的一半乘以其最窄部分（射束腰）處的射束直徑的積。當(dāng)BPP的值較低時，激光束的質(zhì)量較高。因此，不同的工業(yè)應(yīng)用可能要求使用具有彼此非常不同的BPP參數(shù)值的激光束。相似地，激光束的功率也可能根據(jù)特定應(yīng)用而變化。

在許多已知類型的激光源中，將激光束的質(zhì)量和功率在非常有限的程度上進(jìn)行變化是可能的，然而，顯著修改激光束的特性是不可能的。出于這個原因，目前，通常有必要將不同的激光源用于執(zhí)行不同的工業(yè)操作。

在另一方面，具有單個“通用”激光源將會是合期望的，該單個“通用”激光源可以取決于要執(zhí)行的工業(yè)操作的性質(zhì)和/或要處理的材料的性質(zhì)而被容易地適配。

在已經(jīng)開發(fā)并且目前市場上可得的各種類型的激光源當(dāng)中，二極管激光源和具有活性光纖（active optical fibre）的激光源在此處特別值得一提。后一類型包括下述光纖，在該光纖中分散有“活性”材料（通常是稀土材料），其具有通過利用受激發(fā)射原理放大光束的能力。通常，活性光纖利用由二極管激光源生成的激光束進(jìn)行“泵浦（pump）”。一般地，具有活性光纖的源生成相對于二極管激光源的更高射束質(zhì)量，同時由于在光纖內(nèi)的分散而引起功率損耗。

US2014/0177038的圖3示出了具有雙亮度的激光設(shè)備，其具有能夠在兩個光纖之間切換激光束的光纖集成的光束切換裝置，兩個光纖之一連接到第一出口，另一光纖連接到鐿光纖振蕩器，其提供了具有擁有較高亮度的輻射的光纖輸出。

發(fā)明目的

本發(fā)明的目的在于，提供一種能夠選擇性地生成具有彼此顯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樣非常不同的工業(yè)應(yīng)用中。

本發(fā)明的另外的目的在于，利用具有簡單且高效的結(jié)構(gòu)的激光源來實(shí)現(xiàn)這一目的。另外的目的在于，提供一種具有以有利且高效的方式利用以上指示的類型的一個或多個激光源的用于激光過程的多個設(shè)備、單元或站的系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于實(shí)現(xiàn)這些目的，本發(fā)明提供了一種激光源，包括：

-激光束生成單元，其包括用于生成第一激光束的一個或多個二極管激光源，

-光學(xué)放大單元，其包括至少一個放大器模塊，所述至少一個放大器模塊被適配成接收從由所述生成單元發(fā)射的所述第一激光束導(dǎo)出的激光，并且被適配成在其輸出處發(fā)射相對于來自所述生成單元的所述第一激光束具有較高射束質(zhì)量和較低功率值的第二激光束，以及

-激光束切換和尋址光學(xué)單元，其插入在所述生成單元和所述光學(xué)放大單元之間，所述切換和尋址光學(xué)單元包括：

-入口，用于接收來自所述生成單元的所述第一激光束，

-第一光學(xué)線路，用于將所述第一激光束轉(zhuǎn)發(fā)到所述激光源的第一出口，

-第二光學(xué)線路，用于朝向所述光學(xué)放大單元的所述至少一個放大器模塊轉(zhuǎn)發(fā)所述第一激光束，以及

-光學(xué)路徑選擇器設(shè)備，其插入在所述入口與所述第一和第二光學(xué)線路之間，用于將來自所述生成單元的所述第一激光束選擇性地：

-朝向所述第一光學(xué)線路引導(dǎo)，以便生成在所述激光源的所述第一出口處對具有相對較高功率和相對較低質(zhì)量的激光束的發(fā)射，

或者：

-朝向所述第二光學(xué)線路引導(dǎo)，以便生成在所述激光源的第二出口處對具有相對較低功率和相對較高質(zhì)量的激光束的發(fā)射。

優(yōu)選地，所述光學(xué)放大單元包括并行布置的多個放大器模塊，其具有由所述第二光學(xué)線路并行供應(yīng)的相應(yīng)入口和連接到朝向所述第二出口匯聚的光學(xué)線路的相應(yīng)出口。

由于以上指示的特征，本發(fā)明提供了一種單激光源，其具有彼此分離的第一出口和第二出口，所述第一出口和第二出口選擇性地激活以便取決于感興趣的具體應(yīng)用而發(fā)射具有顯著不同的特性的激光束。

因此，可能的是例如實(shí)現(xiàn)工業(yè)工廠中的、具有單激光源的過程單元，以用于在該單元處執(zhí)行相同工作周期內(nèi)的不同性質(zhì)的過程和/或以便能夠?qū)崿F(xiàn)在相同單元內(nèi)對新工作周期的未來引入，而不要求對激光源的替換，和/或以便使用相同激光源例如以用于在相同工作單元處執(zhí)行不同過程或者用于在不同工作單元中執(zhí)行不同過程，或者用于在第一工作單元處充當(dāng)專用源并且在另一工作單元處充當(dāng)備用源。

根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例，以上提及的激光束生成單元是包括多個二極管激光源的單元，如以上已經(jīng)指示的，而所述光學(xué)放大單元的每個放大器模塊包括包含活性材料（諸如鐿）的類型的至少一個活性光纖，所述活性材料能夠放大進(jìn)入所述模塊中的、通過所述切換和尋址光學(xué)單元的所述第二光學(xué)線路而來自所述生成單元的激光束。

而且，在以上提及的優(yōu)選實(shí)施例的情況下，所述光學(xué)路徑選擇器設(shè)備優(yōu)選地由可在第一操作位置和第二操作位置之間移動的反射鏡構(gòu)成，其中，將來自所述生成單元的激光束分別朝向所述第一光學(xué)線路以及朝向所述第二光學(xué)線路引導(dǎo)。在第一解決方案中，反射鏡在其處于其第一操作位置時不攔截來自所述生成單元的激光束，從而使得激光束能夠進(jìn)一步朝向第一光學(xué)線路行進(jìn)，而在其第二操作位置中，反射鏡攔截激光束，并且將所述激光束朝向第二光學(xué)線路反射。在一個變體方式中，反射鏡在其兩個操作位置中都攔截激光束，但是在所述位置處采取不同的取向，以便將激光束分別朝向所述第一光學(xué)線路以及朝向所述第二光學(xué)線路反射。

光學(xué)路徑選擇反射鏡的移動由任何已知類型的（優(yōu)選具有電致動的）致動器來控制。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的另外特征和優(yōu)點(diǎn)將根據(jù)以下對于純粹作為非限制性示例給出的附圖進(jìn)行參考的說明書而變得顯而易見，在附圖中：

–圖1是根據(jù)本發(fā)明的激光源的示范性實(shí)施例的示圖，

–圖2-4是圖1的示圖的一些組件的放大比例的示圖，以及

–圖5、6是使用根據(jù)本發(fā)明的一個或多個激光源的兩個工業(yè)工廠的示圖。

參考附圖，數(shù)字1一般標(biāo)示供工業(yè)過程（特別是對金屬材料）使用的激光源。本文圖示的激光源可以例如在執(zhí)行諸如激光焊接操作、激光銅焊操作和/或激光切割操作之類的各種類型的操作的工業(yè)單元中使用。

形成本文描述的實(shí)施例的部分的組件中的許多組件在附圖中僅被概略地示出，因?yàn)樗鼈冎械拿恳粋€單獨(dú)而言可以以任何已知方式來制造。從附圖中刪除了這些構(gòu)造細(xì)節(jié)也使得附圖更簡單和更容易理解。

按照本發(fā)明，激光源1包括一般由參考數(shù)字2指示的激光束生成單元。生成單元2包括以任何已知方式構(gòu)成的多個二極管激光源20。出自于二極管激光源20的激光被導(dǎo)引到光纖21中，光纖21匯合到本身也具有已知類型的光纖組合器22中，該光纖組合器22的輸出連接到光纖3。

在實(shí)際實(shí)施例中，生成單元2能夠生成在光纖3內(nèi)的第一激光束，其具有大約6kW的功率以及與在50mm.mrad范圍中的BPP值相對應(yīng)的射束質(zhì)量。

自然地，在圖1中概略示出并且在圖3中還以放大比例可見的生成單元2的配置在本文中純粹作為示例來提供，而由本領(lǐng)域技術(shù)人員很好理解的是，該生成單元可以根據(jù)當(dāng)前已知的二極管激光源的配置中的任何配置來制造。

在生成單元2的下游，根據(jù)本發(fā)明的激光源1包括單個激光束變換和尋址光學(xué)單元4。還參考圖2，單元4包括由來自生成單元2的光纖3所連接到的連接器40構(gòu)成的入口。連接器40將光纖3連接到處于單元4的入口處的光纖41。任何已知類型的光學(xué)接口42使來自生成單元2的激光束傳輸通過在單元4的外殼內(nèi)側(cè)提供的自由空間S內(nèi)的光纖3和41，其中，激光束自由地傳播。

在單元4內(nèi)側(cè)處的空間S內(nèi)，布置了光學(xué)路徑選擇器設(shè)備，在本文圖示的示例中，該光學(xué)路徑選擇器設(shè)備由反射鏡43構(gòu)成。在圖示的示例中，反射鏡43可平行于自身在第一操作位置（由圖1、2中的虛線所示）和第二操作位置（由非虛線所示）之間移動。

在反射鏡43的第一操作位置中，該反射鏡不攔截來自生成單元的激光束，以使得激光束可以自由地朝向第一光學(xué)線路行進(jìn)，該第一光學(xué)線路一般由參考標(biāo)記44指示，其在根據(jù)本發(fā)明的激光源的第一出口U1（參見圖1）處結(jié)束。在反射鏡43的第二操作位置中，反射鏡43攔截來自生成單元的激光束，并且將激光束朝向一般由參考標(biāo)記45指示的第二光學(xué)線路反射。

如已經(jīng)在前述內(nèi)容中指示的，作為對于在本文中概略示出的針對反射鏡43的布置的替代方式，有可能提供一種布置，其中簡單地促使反射鏡在第一操作位置和第二操作位置之間進(jìn)行振蕩，以使得在這些位置中，反射鏡攔截來自生成單元的激光束，并且在兩個不同光學(xué)線路的方向上對射束進(jìn)行反射。

再次參考圖2，數(shù)字46標(biāo)示了被適配為驅(qū)動反射鏡43在其兩個操作位置之間的移動的任何已知類型的致動器，優(yōu)選為電控制致動器。當(dāng)反射鏡43處于其不攔截來自生成單元的、沿著方向S0的激光束的其第一操作位置（由虛線所示）中時，該射束進(jìn)一步在自由空間S內(nèi)沿著方向S1（構(gòu)成方向S0的延伸）行進(jìn)，直到其進(jìn)入光學(xué)接口47中，通過該光學(xué)接口47，激光束被導(dǎo)引到光纖48中。光纖48在連接器49處結(jié)束，通過該連接器49，光纖48連接到在連接器482處結(jié)束（見圖1）的另一光纖481，連接器482構(gòu)成根據(jù)本發(fā)明的激光源1的第一出口U1。

再次參考圖2，當(dāng)反射鏡43處于其第二操作位置（由非虛線所示）中時，來自生成單元的激光束沿著方向S0擊中反射鏡43，并且然后沿著方向S2朝向第二光學(xué)線路45反射。

在本文中作為示例示出的特定實(shí)施例的情況下，第二光學(xué)線路45包括將激光束沿著方向S2反射到方向S3中的固定反射鏡451。沿著方向S3行進(jìn)的激光束按順序遇到多個固定的半反射鏡452和完全反射性的終端固定反射鏡453。半反射鏡452以下述方式來配置，該方式使得擊中半反射鏡452的激光束部分地反射到方向S4中并且部分地越過反射鏡沿著方向S3行進(jìn)。終端反射鏡453反射已經(jīng)穿越過所有半反射鏡452的光的部分。沿著方向S4反射的射束部分通過相應(yīng)的光學(xué)接口454被導(dǎo)引到處于單元4的開口處的多個光纖5中。

再次參考圖1，光纖5將激光引至光學(xué)放大單元6的多個放大器模塊60的入口。放大器模塊60中的每一個具有在圖4中概略示出的類型的配置，其本身是已知的，包括其中分散了活性材料（在本文圖示的具體情況下是鐿）的顆粒的“活性”光纖61，該顆粒具有通過利用受激發(fā)射原理來放大激光源的能力。

同樣根據(jù)本身已知的技術(shù)，活性光纖61在兩個布拉格標(biāo)線（Bragg reticule）62、63之間延伸，所述兩個布拉格標(biāo)線62、63被布置在每個模塊60的輸入處和輸出處，并且分別連接到入口光纖5和出口光纖64。光纖64匯合到光纖組合器65中，該光纖組合器65的出口通過光纖66、連接器67和另一光纖68（見圖1）連接到構(gòu)成根據(jù)本發(fā)明的激光源1的第二出口U2的連接器69。

放大器模塊60的活性光纖61利用來自單元4并且從二極管激光源20導(dǎo)出的激光進(jìn)行光學(xué)泵浦，并且在第二出口U2處引起激光束，其具有相對于使得在第一出口U1處可得的激光束而言不同的特性。特別地，穿過活性光纖61意味著功率損耗（諸如近似大約30%），但是增大了射束質(zhì)量，即，要被聚焦成非常小的點(diǎn)的射束的能力。在實(shí)際的示例性實(shí)施例中，在出口U2處可得的激光束具有4kW的功率和大約3mm.mrad的BPP值。

如已經(jīng)指示的，在前述說明書中和附圖中，尚未提供與所圖示的組件有關(guān)的構(gòu)造細(xì)節(jié)，因?yàn)樵摌?gòu)造細(xì)節(jié)可以以任何已知方式來做出，并且從附圖進(jìn)行的刪除使附圖更簡單且更容易理解。

根據(jù)一種同樣本身已知的技術(shù)，激光源的所有功能由任何已知類型的人機(jī)接口所關(guān)聯(lián)于的電子控制單元（未在圖1-4中示出）來控制。

圖5概略地示出了利用根據(jù)本發(fā)明的激光源的工業(yè)工廠的示例。所圖示的示例指代用于生產(chǎn)機(jī)動車輛的工廠的情況，該工廠包括多個激光處理單元或站R1、R2、R3、R4。例如，工廠包括執(zhí)行激光銅焊操作（一個典型情況是用于將機(jī)動車輛的頂蓋連接到主體的操作）的站R1、對組件（諸如機(jī)動車門的結(jié)構(gòu)）執(zhí)行激光焊接操作的站R2、執(zhí)行激光切割操作（諸如用于在機(jī)動車輛主體的壁中形成孔的操作）的站R3和執(zhí)行激光遠(yuǎn)程焊接操作（即，保持激光頭遠(yuǎn)離焊接區(qū)域進(jìn)行間隔的焊接操作）的站R4。

在每個處理站處，提供利用激光束的處理設(shè)備。例如，該設(shè)備可以包括一個或多個多軸操縱機(jī)器人，其每個被提供有由光纖連接到激光源的激光頭。而且，作為示例，存在與每個單元或站相關(guān)聯(lián)的電子控制單元E1、E2、E3、E4。監(jiān)督器電子單元E與電子單元E1、E2、E3、E4進(jìn)行通信。

銅焊、焊接、切割、遠(yuǎn)程焊接過程意味著使用具有漸增的質(zhì)量的激光束（對于銅焊和焊接要求較低的質(zhì)量，而對于切割和遠(yuǎn)程焊接要求較高的質(zhì)量）。

在圖5的工廠中，圖示了以上已描述的根據(jù)本發(fā)明的激光源，其具有借助于任何已知類型的光學(xué)分配器D1、D2連接到光纖f1、f2、f3、f4的兩個出口U1、U2，光纖f1、f2、f3、f4將相應(yīng)的激光束傳輸?shù)皆谙鄳?yīng)處理站或單元處提供的設(shè)備。

用于控制激光源1的選擇器設(shè)備43的電子單元ES基于來自監(jiān)督器E的信號而激活源1的出口U1或者出口U2，以便在單元R1、R2處或者在單元R3、R4處執(zhí)行操作。

還更有利地，可以提供根據(jù)本發(fā)明的兩個源1，例如，其中之一專用于一個或多個單元R1、R2，而另一個專用于一個或多個單元R3、R4。該解決方案在圖6中概略地示出，其中根據(jù)本發(fā)明的兩個源1均使兩個出口U1、U2之一連接到單元R1，而使另一出口連接到單元R4。在每個單元的入口處的光纖借助于三通連接器C1、C2連接到來自兩個不同源的兩個光纖。

監(jiān)督器E控制所述源的電子單元ES，以使得通常在左側(cè)的激光源使其出口U1被激活以用于為單元R1進(jìn)行供應(yīng)，而另一源1使其出口U2被激活以用于以更高質(zhì)量的激光束為單元R4進(jìn)行供應(yīng)。

然而，在一個源故障的情況下，另一源可以在變換相應(yīng)的選擇器之后被臨時用于為其源具有故障的單元進(jìn)行供應(yīng)。這可以例如在單元R4的源上的故障證明在單元R1的過程中的中斷是合理的以便使用R1的源作為用于R4的備用源的時候是有用的。

所圖示的示圖純粹作為示例而給出，根據(jù)具體應(yīng)用的需要，單元和相關(guān)聯(lián)的激光源的配置和布置明顯是可隨意可變的。

根據(jù)本發(fā)明的源也可以與單個處理單元相關(guān)聯(lián)，以用于將不同特性的激光束傳輸?shù)皆谙嗤瑔卧幪峁┑牟煌す庠O(shè)備，以便在相同單元內(nèi)執(zhí)行不同激光操作。

自然地，雖然本發(fā)明的原理保持相同，但是實(shí)施例和構(gòu)造的細(xì)節(jié)可以在不偏離本發(fā)明的范圍的情況下，相對于純粹作為示例所已經(jīng)描述和圖示的內(nèi)容而廣泛地變化。