專利名稱：具有光電連接元件的激光系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種激光系統(tǒng)、特別是激光打標(biāo)系統(tǒng)，具有一個(gè)用于產(chǎn)生激光束的激光束源；一個(gè)加工單元，激光束從加工單元輸出；一個(gè)用于控制激光束源和/或加工單元的控制單元；一個(gè)用于引導(dǎo)激光束從激光束源至加工單元的光導(dǎo)纖維；和用于連接控制單元與加工單元的電線。
背景技術(shù)：
激光系統(tǒng)通常被分為兩部分，即一個(gè)包括激光束源和控制單元的供給單元和一個(gè)盡可能緊湊的加工單元，激光束從該加工單元輸出。這種分成兩部分的做法確保了即便在位置關(guān)系受限制的情況下或者在作用地點(diǎn)交替的情況下也能夠?qū)⒓す馐鴰У较鄳?yīng)的作用地點(diǎn)上。供給單元與加工單元相互連接，其中，該連接包括至少一個(gè)將激光束由激光束源傳送到加工單元的光導(dǎo)纖維以及在控制單元與加工單元之間的電線。光導(dǎo)纖維與電線可在兩個(gè)單獨(dú)的連接線纜中或甚至共同地在一個(gè)混合線纜內(nèi)導(dǎo)向。特別是在材料加工中使用具有較高的激光束質(zhì)量并且同時(shí)還具有kW范圍的高激光功率的激光系統(tǒng)或者是具有在kW至GW范圍中的高脈沖峰值功率的脈沖激光系統(tǒng)。在這種條件下，那么就存在一種挑戰(zhàn)，即要將高的激光功率從激光束源傳輸?shù)郊庸卧７譃閮刹糠值募す庀到y(tǒng)的加工單元可包括其他元件，如串聯(lián)的用于束展寬以及束聚焦的光學(xué)裝置、用于頻率轉(zhuǎn)換的非線性晶體、機(jī)械式光掣(Lichtverschluss)、用于測(cè)量光功率的設(shè)備、具有加工光學(xué)裝置的光學(xué)掃描儀、切割頭或焊接頭、適合用來(lái)冷卻加工單元的設(shè)備(通風(fēng)機(jī)、帕爾貼元件、水管路)、集成式吸出裝置、加工氣體的集成式供給線、激光警示燈和/或集成式攝像系統(tǒng)。加工單元因而通常不能任意緊湊地被構(gòu)造并且在很多情況下體積較大、不輕便并且較重。如果供給單元不可分地與加工單元相連，會(huì)給這種兩分式激光系統(tǒng)的操作帶來(lái)困難。這種情況尤其是適用于激光系統(tǒng)在機(jī)器和設(shè)備中的集成，其中，通常存在位置關(guān)系的限制，如果兩個(gè)末端不可分地與大體積、不輕便以及重量大的單元連接，供給單元與加工單元之間的連接線纜的鋪設(shè)就十分困難。因此，供給單元與加工單元就應(yīng)該可以相互分離。這不僅適用于至少一個(gè)將激光束由激光束源傳輸給加工單元的光導(dǎo)纖維，同時(shí)也適用于控制單元與加工單元之間的電連接。為了將加工單元不僅光學(xué)地、同時(shí)電地與供給單元相連，要采用類似于EP2003477A1中的混合式插拔連接。所述插拔連接必須具有極小的纖維芯直徑以便借助光纖傳輸光束質(zhì)量高的激光束。這就增加了如EP2003477A1中所述的纖維-纖維間耦合的應(yīng)用難度，因?yàn)樾〉睦w維芯直徑需要纖維末端相互間的相對(duì)定位非常精確。在激光功率或者說(shuō)脈沖峰值功率較高的情況下，這種對(duì)于定位精確性的要求進(jìn)一步提高，因?yàn)楦叩募す夤β试诙ㄎ诲e(cuò)誤的條件下就不能完全耦合輸入到相對(duì)布置的纖維芯中并且可能帶來(lái)?yè)p傷。此外，極小的纖維芯直徑還會(huì)使得纖維芯內(nèi)部的功率密度很高。因此，纖維末端上的雜質(zhì)就特別關(guān)鍵，因?yàn)槠鋾?huì)降低損傷閾值并且可能導(dǎo)致纖維末端上的燒穿。此外，纖維-纖維間耦合通常會(huì)使得光束質(zhì)量變差。在專利文獻(xiàn)EP2003477A1中所述的混合式插拔連接因此就不適用于光束質(zhì)量高、激光功率大的激光束，特別是當(dāng)脈沖激光的脈沖峰值功率大于IkW或IOkW時(shí)。

實(shí)用新型內(nèi)容有鑒于此，本實(shí)用新型的主要目的在于這樣來(lái)改進(jìn)一種具有與激光束源和控制單元可分的加工單元的兩分式激光系統(tǒng)，使得能夠傳輸具有高光束質(zhì)量并和高的激光功率、特別是具有大于IkW或IOkW的脈沖峰值功率的激光束，并且激光系統(tǒng)在此可特別緊湊、成本低且簡(jiǎn)單地集成。根據(jù)本實(shí)用新型提出了一種激光系統(tǒng)，它包括一個(gè)用于產(chǎn)生激光束的激光束源；一個(gè)加工單元，在自由光束傳播中被引導(dǎo)通過(guò)加工單元的激光束從該加工單元輸出；一個(gè)用于控制激光束源和/或加工單元的控制單元；一個(gè)用于引導(dǎo)激光束從激光束源至加工單元的光導(dǎo)纖維；用于連接控制單元和加工單元的電線；和一個(gè)與加工單元可分地連接的連接元件，光導(dǎo)纖維和電線在該連接元件中結(jié)束，其中，所述連接元件具有與光導(dǎo)纖維的輸出端間隔布置的光束輸出光學(xué)裝置以及電線的末端電觸點(diǎn)，連接元件的末端電觸點(diǎn)與加工單元的配對(duì)電觸點(diǎn)相連，并且從輸出端輸出的激光束穿過(guò)光束輸出光學(xué)裝置耦合輸入到加工單元中。根據(jù)本實(shí)用新型，借助光電連接元件來(lái)使得在光導(dǎo)纖維中引導(dǎo)的激光束自由光束耦合進(jìn)入加工單元中，耦合輸入的激光束在加工單元中以自由光束傳播穿過(guò)直到其輸出。通過(guò)連接元件與加工單元的分開(kāi)，不僅斷開(kāi)激光束源與加工單元之間的光學(xué)連接，同時(shí)也斷開(kāi)電連接，通過(guò)該電連接供給或控制加工單元內(nèi)的組件。光學(xué)連接以及電連接可被構(gòu)造為兩個(gè)單獨(dú)的連接線纜或構(gòu)造為同一個(gè)混合線纜。這種混合線纜在操作、可集成性以及成本方面具有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)檫@樣就可無(wú)需為光導(dǎo)纖維設(shè)置保護(hù)軟管，而僅須鋪設(shè)唯一的一個(gè)連接線纜。光導(dǎo)纖維例如可布置在電連接線纜內(nèi)的一個(gè)空心管中。與光導(dǎo)纖維的輸出端間隔布置的連接元件的光束輸出光學(xué)裝置可相對(duì)較大。當(dāng)連接元件還包括附加的部件時(shí)，則尤其是這種情況。因此，特別是若將纖維激光器用作激光束源時(shí)，激光功率或者說(shuō)脈沖峰值功率高的激光束源就需要在纖維輸出端上布置光隔離器，以防止激光束源反射。當(dāng)激光功率或脈沖峰值功率極高時(shí)，在光導(dǎo)纖維中就可能出現(xiàn)非線性效果如自相位調(diào)制、喇曼散射以及布里淵散射，這可能增不利地加寬激光束的波長(zhǎng)譜或者甚至損壞激光束源。這種效果取決于光導(dǎo)纖維的纖維長(zhǎng)度，高功率密度在該纖維長(zhǎng)度上傳播。通過(guò)將光導(dǎo)纖維構(gòu)造為增強(qiáng)纖維，其本身減小，從而使直到纖維輸出端上才出現(xiàn)完全的功率密度。作為替代方案的是，也可以使激光放大器懸置在光導(dǎo)纖維的末端上，如在W02007/0831 IOAl中針對(duì)具有附設(shè)的激光放大器的纖維激光器的情況所述。在這種情況下，供給單元與加工單元之間的光導(dǎo)纖維就具有極小的功率密度，其只有在連接狀態(tài)下才會(huì)被增強(qiáng)至所需的激光功率。這種激光放大器所需的激發(fā)光可例如在一個(gè)附加的光導(dǎo)纖維中由位于供給單元中的激發(fā)源傳輸至激光放大器。特別是在激光打標(biāo)系統(tǒng)中，激光束源為脈沖峰值功率大于IkW或IOkW的脈沖激光器，并且優(yōu)選為纖維激光器。連接元件內(nèi)的激光放大器決定了光束輸出光學(xué)裝置特別大并且構(gòu)成熱源，因?yàn)楸唤o進(jìn)其中的激發(fā)光功率僅有50%至80%被轉(zhuǎn)化為激光功率，激發(fā)光的其余部分作為熱量釋放。因此有利的是，包括激光放大器的連接元件被冷卻。例如通過(guò)使連接元件明顯比加工單元更小更輕，由此也實(shí)現(xiàn)了通過(guò)連接元件與加工單元的分離而要達(dá)到的目的，即更好的操作性以及可集成性。為了維持較小的結(jié)構(gòu)尺寸，在優(yōu)選實(shí)施例中由外部實(shí)現(xiàn)連接元件的冷卻，例如通過(guò)在光束輸出元件與冷卻的加工單元之間的接觸面上進(jìn)行直接的接觸冷卻或者通過(guò)空氣環(huán)流，其中，可在加工單元或周邊設(shè)備中集成某些通風(fēng)機(jī)。加工單元例如可以被動(dòng)(冷卻片)或主動(dòng)(通風(fēng)機(jī))的方式經(jīng)過(guò)空氣冷卻或者水冷卻。根據(jù)本實(shí)用新型的光電連接元件的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于，電連接能夠以非常簡(jiǎn)單且成本極低的方式監(jiān)控，連接元件是否與加工單元相連。在一個(gè)非常簡(jiǎn)單的實(shí)施例中，電連接的兩個(gè)單獨(dú)的管線可在連接狀態(tài)下導(dǎo)電地相互相連。控制單元能夠通過(guò)測(cè)量管線之間的電阻來(lái)識(shí)別，連接元件是否與加工單元連接。這種監(jiān)控用于避免，激光束源被意外驅(qū)動(dòng)，而其連接元件并未與加工單元相連。在這種情況下危險(xiǎn)的激光束不受控制地輸出。

本實(shí)用新型的其他優(yōu)點(diǎn)由說(shuō)明書(shū)以及附圖中得出。上述以及后述的特征可單獨(dú)地或者以多個(gè)任意組合的方式得以應(yīng)用。所示與所述的實(shí)施例不應(yīng)理解為窮盡性的列舉，而是作為用于闡述本實(shí)用新型的示例性說(shuō)明。其中圖1為根據(jù)本實(shí)用新型的具有光電連接元件的激光系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例；圖2為光電連接元件的光電連接側(cè)；圖3、4為根據(jù)本實(shí)用新型的具有光電連接元件的激光系統(tǒng)的另兩個(gè)實(shí)施例；圖5至8為光電連接元件的不同變型；和圖9至11為光電連接元件與激光系統(tǒng)的加工單元的不同連接。
具體實(shí)施方式
在圖1中所示的激光系統(tǒng)I用于進(jìn)行材料加工，尤其是用于工件打標(biāo)。激光系統(tǒng)I包括一個(gè)用于產(chǎn)生激光束3的激光束源2 ;—個(gè)加工單元(例如加工頭)
4、在自由光束傳播中被引導(dǎo)通過(guò)加工單元4的激光束3從該加工單元輸出以進(jìn)行材料加工；一個(gè)用于控制激光束源2和加工單元4的控制單元5 ;—個(gè)用于引導(dǎo)激光束3從激光束源2至加工單元4的光導(dǎo)纖維6 ;用于連接控制單元5和加工單元4的電線(例如以電纜的形式)。所述光導(dǎo)纖維與電線7在光電連接元件10中結(jié)束，光電連接元件與加工單元4可分地相連。激光束源2與控制單元5設(shè)置在一個(gè)供給單元101中。連接元件10具有與光導(dǎo)纖維6的輸出端11間隔布置的光束輸出光學(xué)裝置12以及電線7的末端電觸點(diǎn)(例如插拔觸點(diǎn))13。在所不實(shí)施例中,光束輸出光學(xué)裝置12由防護(hù)玻璃12a構(gòu)成。當(dāng)連接元件10正確地與加工單元4相連時(shí)，末端電觸點(diǎn)13會(huì)接觸加工單元4的相應(yīng)的配對(duì)觸點(diǎn)14，從輸出端11中輸出的發(fā)散的激光束3會(huì)穿過(guò)光束輸出光學(xué)裝置12耦合輸入到加工單元4耦合，激光束3在加工單元中繼續(xù)傳輸直到其在自由光束傳播中輸出。控制單元15通過(guò)測(cè)量各電線7之間的電阻會(huì)識(shí)別到，連接元件10是否通過(guò)觸點(diǎn)13、14與加工單元正確連接，并且在未正確連接的情況下避免激光束源2運(yùn)行而激光束3則不受控制地從連接元件10中輸出。此外，加工單元4還可例如具有激光警示燈、電控的機(jī)械式光掣、電控冷卻裝置、用于使激光束轉(zhuǎn)向的光學(xué)掃描儀、集成式攝像裝置以及供電式和電驅(qū)動(dòng)式傳感裝置。圖2示出了連接元件10的光電連接側(cè)15，即連接元件10與加工單元4之間的連接面。連接側(cè)15具有帶光束輸出光學(xué)裝置的光學(xué)輸出端、帶末端電觸點(diǎn)13的電輸出端以及用于固定到加工單元4上的兩個(gè)定位銷16和兩個(gè)螺紋孔17。定位銷16給定了連接元件10相對(duì)于加工單元4的明確的定位，從而能實(shí)現(xiàn)快速的更換而無(wú)需調(diào)整。作為替代方案的是，還可以例如通過(guò)錐連接或其他方式構(gòu)成的精確止擋來(lái)實(shí)現(xiàn)精確定位。此外，還能夠采用帶附加編碼的夾緊裝置。電輸出端包括用來(lái)發(fā)動(dòng)加工單元4的電供給線。如圖3所示，光導(dǎo)纖維6與電線7可共同被構(gòu)造為混合線纜30。這種混合線纜給操作性、可集成性以及成本方面帶來(lái)了優(yōu)勢(shì)，因?yàn)榭蔁o(wú)需光導(dǎo)纖維6上的保護(hù)軟管并且僅須鋪設(shè)唯一的一個(gè)連接線纜。光導(dǎo)纖維6可例如布置在電連接線纜內(nèi)的空心管中。混合線纜30與設(shè)置在供給單元101的殼體31上的混合線纜接頭32相連，混合線纜接頭再通過(guò)附加的電線33與控制單元5相連。與圖3所示不同的是，所述附加的電線33在圖4中延伸穿過(guò)激光束源2，即穿過(guò)激光束源接通。激光束源2具有電輸入端和/或輸出端，其在激光束源2中沒(méi)有任何功能，而是直接被導(dǎo)向混合線纜30，以便與加工單元4相連。這就使混合線纜30的構(gòu)型更加有利。在維修狀態(tài)下，激光束源2的拆卸也非常簡(jiǎn)單，因?yàn)楦郊拥碾娋€33可通過(guò)單獨(dú)的插口(未示出)被導(dǎo)進(jìn)激光束源2的殼體40中，并且可直接借助混合線纜接頭32將混合線纜30與激光束源2的殼體40擰緊。與圖1所示所不同的是，光束輸出光學(xué)裝置12在圖5中是由光學(xué)準(zhǔn)直儀(例如以準(zhǔn)直透鏡的形式)12b構(gòu)成，以便使輸出的激光束3對(duì)準(zhǔn)。在圖6中示出了由光學(xué)準(zhǔn)直儀12b和防護(hù)玻璃12a構(gòu)成的組合。由此一方面使輸出的激光束3對(duì)準(zhǔn)，另一方面也能夠在弄臟或受損的情況下簡(jiǎn)單地更換防護(hù)玻璃12a，因?yàn)閷?duì)于防護(hù)玻璃12a在定位方面的要求明顯要低于對(duì)光學(xué)準(zhǔn)直儀12b的要求。圖7所示的連接元件10在光導(dǎo)纖維6的末端具有光隔離器70，以防止激光束源2受反射影響。與所示的準(zhǔn)直狀態(tài)所不同的是，也可以使激光束3發(fā)散地從光隔離器70中輸出。在圖8中示出的連接元件10在光導(dǎo)纖維6的末端上具有激光放大器80，以使得以極小的功率密度被引導(dǎo)通過(guò)光導(dǎo)纖維6的激光束3在光導(dǎo)纖維6后被增強(qiáng)至所需的激光功率。激光放大器80所需的激發(fā)光可例如在一個(gè)附加的光纖(未示出)中由位于供給單元中的激發(fā)源傳輸至激光放大器80。在所示的實(shí)施例中，激光束3發(fā)散地從防護(hù)玻璃12a中輸出。連接元件10還可附加地具有一個(gè)與激光放大器80串聯(lián)的光隔離器。如圖9所示，連接元件10可完全被插入加工單元4的井狀結(jié)構(gòu)4a中并且與加工單元4齊平地或與其非齊平地(未示出)封閉。也可以如圖10所示，將連接元件10安裝在加工單元4的背側(cè)壁4b上。在圖11中，加工單元4具有冷卻體90，連接元件10以接觸面91貼靠在冷卻體90上。冷卻體90可例如被動(dòng)地通過(guò)冷卻片或者主動(dòng)地借助通風(fēng)機(jī)進(jìn)行空氣冷卻或者也進(jìn)行水冷卻。
權(quán)利要求1.激光系統(tǒng)(I)，包括: 一個(gè)用于產(chǎn)生激光束(3)的激光束源(2)； 一個(gè)加工單元(4)，在自由光束傳播中被引導(dǎo)通過(guò)加工單元(4)的激光束(3)從該加工單兀輸出； 一個(gè)用于控制激光束源(2)和/或加工單元(4)的控制單元(5)； 一個(gè)用于引導(dǎo)激光束(3)從激光束源(2)至加工單元(4)的光導(dǎo)纖維(6)； 用于連接控制單元(5)和加工單元(4)的電線(7);和 一個(gè)與加工單元(4)可分地連接的連接元件(10)，光導(dǎo)纖維(6)和電線(7)在該連接元件中結(jié)束， 其中，所述連接兀件(10)具有與光導(dǎo)纖維(6)的輸出端(11)間隔布置的光束輸出光學(xué)裝置(12)以及電線(7)的末端電觸點(diǎn)(13)，連接元件(10)的末端電觸點(diǎn)(13)與加工單元(4)的配對(duì)電觸點(diǎn)(14)相連，并且從輸出端(11)輸出的激光束(3)穿過(guò)光束輸出光學(xué)裝置(12)耦合輸入到加工單元(4)中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光系統(tǒng)，其特征在于，所述光導(dǎo)纖維(6)和電線(7)共同構(gòu)造為混合線纜(30)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光系統(tǒng)，其特征在于，所述混合線纜(30)與設(shè)置在激光束源(2)的殼體(40)上的混合線纜接頭(32)相連，并且控制單元(5)的電線(33)通過(guò)激光束源(2)直至混合線纜接頭(32)構(gòu)成回路。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的激光系統(tǒng)，其特征在于，所述光束輸出光學(xué)裝置(12)由防護(hù)玻璃(12a)、由光學(xué)準(zhǔn)直儀(12b)或者由防護(hù)玻璃(12a)和光學(xué)準(zhǔn)直儀(12b)的組合構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的激光系統(tǒng),其特征在于,在光導(dǎo)纖維(6)的輸出端(11)與光束輸出光學(xué)裝置(12)之間的所述連接元件(10)具有光隔離器(70)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的激光系統(tǒng),其特征在于,在光導(dǎo)纖維(6)的輸出端(11)與光束輸出光學(xué)裝置(12 )之間的所述連接元件(10 )具有激光放大器(80 )。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的激光系統(tǒng)，其特征在于，所述連接元件(10)至少部分地、沉降地布置在加工單元(4)中。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的激光系統(tǒng)，其特征在于，所述連接元件(10)安裝在加工單元(4)的背側(cè)(4b)上。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的激光系統(tǒng)，其特征在于，所述連接元件(10)通過(guò)加工單元(4)冷卻。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的激光系統(tǒng)，其特征在于，所述激光束源(2)是脈沖峰值功率至少為IkW的脈沖激光器。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的激光系統(tǒng)，其特征在于，所述激光束源(2)是纖維激光器。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的激光系統(tǒng)，其特征在于，所述激光束源(2)和控制單元(5)設(shè)置在一個(gè)供給單元(101)中。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光系統(tǒng)，其特征在于，所述激光系統(tǒng)是激光打標(biāo)系統(tǒng)。
14.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的激光系統(tǒng)，其特征在于，所述連接元件(10)完全地、沉降地布置在加工單元(4)中。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的激光系統(tǒng)，其特征在于，所述激光束源(2)是脈沖峰值功率至少I(mǎi)OkW 的脈沖激光器。
專利摘要根據(jù)本實(shí)用新型的激光系統(tǒng)(1)包括一個(gè)用于產(chǎn)生激光束(3)的激光束源(2)；一個(gè)加工單元(4)，在自由光束傳播中被引導(dǎo)通過(guò)加工單元(4)的激光束(3)從該加工單元輸出；一個(gè)用于控制激光束源(2)和/或加工單元(4)的控制單元(5)；一個(gè)用于引導(dǎo)激光束(3)從激光束源(2)至加工單元(4)的光導(dǎo)纖維(6)；用于連接控制單元(5)和加工單元(4)的電線(7)；和一個(gè)與加工單元(4)可分地連接的連接元件(10)，光導(dǎo)纖維(6)和電線(7)在該連接元件中結(jié)束，其中，所述連接元件(10)具有與光導(dǎo)纖維(6)的輸出端(11)間隔布置的光束輸出光學(xué)裝置(12)以及電線(7)的末端電觸點(diǎn)(13)，連接元件(10)的末端電觸點(diǎn)(13)與加工單元(4)的配對(duì)電觸點(diǎn)(14)相連，并且從輸出端(11)輸出的激光束(3)穿過(guò)光束輸出光學(xué)裝置(12)耦合輸入到加工單元(4)中。
文檔編號(hào)G02B6/42GK202910460SQ20122040171
公開(kāi)日2013年5月1日 申請(qǐng)日期2012年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月28日
發(fā)明者D·克魯澤, D·比歇 申請(qǐng)人:通快激光標(biāo)記系統(tǒng)公司