專利名稱：光纖激光束處理裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種使用光纖(fiber)激光束來執(zhí)行激光束處理的激光束處理裝置。
背景技術：
傳統(tǒng)上，已知具有光纖結構的激光器，其通過使用激發(fā)光束光學地泵浦其包括發(fā)光元素的芯來振蕩并輸出具有預定波長的原始激光束，因此被稱為“光纖激光器”。因為光纖激光器使用很長的芯來作為其工作介質(zhì)(activemedium)，因此，光纖激光器可以振蕩并輸出具有小光束直徑和小光束發(fā)散角的激光束(光纖激光束)。另外，當光線在長光路上傳播時，在被注入到光纖中的激發(fā)光束通過多次通過芯而完全消耗其激發(fā)能量，因此，可以以非常高的振蕩效率來產(chǎn)生光纖激光束。另外，對于光纖激光器，光纖激光束的光束模式非常穩(wěn)定，這是因為光纖的芯不產(chǎn)生熱透鏡效應。
傳統(tǒng)的光纖激光束處理裝置設置對應于期望的激光輸出的用于激發(fā)的電流值，并且激光器電源向諸如激光二極管(LD)的激發(fā)光源提供對應于已被設置的電流值的激發(fā)電流。因為可以任意選擇光纖激光器的光纖長度，因此將光纖激光器的輸出端終端置于處理地點，并且通過聚光光學系統(tǒng)將從光纖激光器振蕩和輸出的光纖激光束直接施加到要處理的工件上的處理點。
但是，傳統(tǒng)的光纖激光束處理裝置由于激發(fā)LD的老化、波長偏移等的影響而具有其不穩(wěn)定的激光輸出的方面。因此，激光束處理的重復性和可靠性差。因為光纖激光器也容易受到熱、振動、環(huán)境光等的影響，因此已經(jīng)出現(xiàn)了以下問題，即光纖激光器趨向于發(fā)生激光器振蕩性能的惡化、其部件(用于振蕩的光纖、光學諧振腔等)的損壞、老化等。

發(fā)明內(nèi)容
考慮到上述傳統(tǒng)技術問題而構想了本發(fā)明，并且本發(fā)明的目的是提供一種光纖激光束處理裝置，其改善了光纖激光輸出的穩(wěn)定性，并且作為結果，改善了激光束處理的重復性和可靠性。
本發(fā)明的另一目的是提供一種光纖激光束處理裝置，其被適配用來通過減小從處理地點處的干擾對光纖激光器或光纖激光振蕩器施加的影響，來防止激光器振蕩性能的惡化以及振蕩光纖的損壞和老化。
為了實現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種光纖激光束處理裝置，包括用于振蕩的光纖，包含含有發(fā)光元素的芯和包圍所述芯的包層；泵浦單元，用來向用于振蕩的光纖的芯提供激發(fā)光束；電源單元，其接通和驅(qū)動泵浦單元，以便使用于振蕩的光纖振蕩和輸出具有預定波長的激光束；激光束輻射單元，其對由用于振蕩的光纖產(chǎn)生的激光束進行聚光，并且將其施加到要處理的工件上的處理點上；設置單元，其設置激光束的激光輸出的期望基準值或期望基準波形；激光輸出測量單元，其測量由用于振蕩的光纖振蕩和輸出的激光束的激光輸出；以及控制單元，其控制電源單元，使得從激光輸出測量單元獲得的激光輸出測量值等于所述基準值或基準波形。
為了實現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種光纖激光束處理裝置，包括光纖激光振蕩器，其具有光纖結構，其使用包含發(fā)光元素的芯作為工作介質(zhì)，通過使用預定激發(fā)光束光學地泵浦所述芯而振蕩和輸出具有預定波長的激光束；激光束輻射單元，其向要處理的工件上的處理點輻射由光纖激光振蕩器振蕩和輸出的激光束；激光輸出測量單元，其測量由光纖激光振蕩器振蕩和輸出的激光束的激光輸出；以及激光器電源單元，通過反饋從激光輸出測量單元獲得的激光輸出測量值來控制由光纖激光振蕩器使用的激發(fā)光束的輸出。
在本發(fā)明的光纖激光束處理裝置中，通常根據(jù)實時功率反饋控制、對應于期望基準值或期望基準波形來精確地穩(wěn)定由振蕩光纖或光纖激光振蕩器產(chǎn)生的光纖激光束的激光輸出(功率)。因此，即使在出現(xiàn)電源單元輸出的變化、泵浦單元的老化、波長偏移等的任何一個時，也可以穩(wěn)定地和精確地執(zhí)行波形的任意控制，并且可以改善激光束處理的重復性和可靠性。
根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選方面，由振蕩光纖或光纖激光振蕩器產(chǎn)生的光纖激光束被注入到傳送光纖中，并且被傳送給處理地點處的激光束輻射單元。根據(jù)這一配置，光纖激光束的光束模式和激光輸出都是穩(wěn)定的。因此，向傳送光纖上的會聚可以是非常好的，并且所述注入和輻射數(shù)值孔徑(NA)可以是穩(wěn)定的。因此，允許高精度和高效率的光纖傳送，并且可以改善遠程激光束處理的質(zhì)量。另外，可以遠離處理地點而放置振蕩光纖或光纖激光振蕩器，因此可以保護光纖激光振蕩器不受諸如熱、振動、環(huán)境光等的干擾。
根據(jù)另一優(yōu)選方面，提供了一對諧振腔反射鏡，它們通過振蕩光纖的芯而光學地彼此面對，并且泵浦單元具有激光二極管，其發(fā)射激發(fā)光束；光學透鏡，其將來自激光二極管的激發(fā)光束會聚到振蕩的光纖的端面上。
根據(jù)本發(fā)明的光纖激光束處理裝置，根據(jù)上述配置和行為，可以改善光纖激光輸出的穩(wěn)定性，并且作為結果，可以改善激光束處理的重復性和可靠性，另外，通過減小從處理地點處的干擾對光纖激光器或光纖激光振蕩器施加的影響，可以防止激光器振蕩性能的惡化以及振蕩光纖的損壞和老化。


圖1示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的激光束處理裝置的配置；以及圖2示出了在該實施例中的激光束處理裝置的激光器電源單元中的配置的方框圖。
具體實施例方式
下面將參照附圖來給出對本發(fā)明優(yōu)選實施例的描述。
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的光纖激光束處理裝置的配置。該光纖激光束處理裝置被配置為包括光纖激光振蕩器10、激光器電源單元12、激光束注入單元14、光纖傳送系統(tǒng)16、激光束輻射單元18、處理臺18等。
光纖激光振蕩器10包括用于振蕩的光纖(以下稱為“振蕩光纖”)22；電光泵浦單元24，其將用于光泵浦的激發(fā)光束MB施加到振蕩光纖22的端面上；以及一對光學諧振腔反射鏡26和28，其通過振蕩光纖22而光學地彼此面對。
電光泵浦單元24包括激光二極管(LD)30和用于對光束進行聚光的光學透鏡32。LD30被來自激光器電源單元12的激發(fā)電流導通和驅(qū)動，并且振蕩和輸出用于激發(fā)的激光束MB。光學透鏡32對來自LD30的用于激發(fā)的激光束MB進行聚光并且將其注入到振蕩光纖22的端面上。被布置在LD30和光學透鏡32之間的光學諧振腔反射鏡26被適配為透射從LD30注入的用于激發(fā)的激光束MB、以及在諧振腔的光軸上全反射從振蕩光纖22注入的激發(fā)光束。
雖然省略了圖解，但是振蕩光纖22包括被摻雜有例如稀土元素的離子作為發(fā)光元素的芯以及同軸地圍繞所述芯的包層，并且使用所述芯作為其工作介質(zhì)以及使用所述包層作為激發(fā)光束的傳播光路。受到包層外圓周界面上的全反射限制，如上所述被注入到振蕩光纖22的端面上的激發(fā)激光束MB在振蕩光纖22中沿軸向傳播，并且通過在傳播期間多次通過所述芯而光學地激發(fā)所述芯中的稀土元素離子。以這種方式，從芯的兩個端面沿軸向發(fā)射具有預定波長的振蕩光束。該振蕩光束在光學諧振腔反射鏡26和28之間多次往返，由此被諧振放大，并且，從由部分反射鏡組成的所述一對的光學諧振腔反射鏡28獲得具有所述預定波長的光纖激光束FB。
在光學諧振腔中，光學透鏡32和34將從振蕩光纖22的端面發(fā)射的振蕩光束準直為平行光束，將該平行光束引導到光學諧振腔反射鏡26和28，并且在振蕩光纖22的端面上對由光學諧振腔反射鏡26和28反射和返回的振蕩光束進行聚光。已經(jīng)通過振蕩光纖22的用于激發(fā)的激光束MB透射過光學透鏡34和光學諧振腔反射鏡28，并且隨后被指向該側(cè)的激光吸收器38的返回反射鏡36返回。從光學諧振腔反射鏡28輸出的光纖激光束FB直接透射過返回反射鏡36，通過分束器40，并且進入激光束注入單元14。
分束器40反射被注入到預定方向、即被注入到用于監(jiān)控功率的光接收元件(例如光電二極管(PD)42)的光纖激光束FB的一部分(例如百分之一)?？梢栽诠怆姸O管(PD)42的前面布置用于對來自分束器40的反射光束或者監(jiān)控器光束RFB進行聚光的聚光透鏡44。
光電二極管(PD)42對來自分束器40的監(jiān)控器光束RFB進行光電轉(zhuǎn)換，輸出指示光纖激光束FB的激光輸出(峰值功率)的電信號(激光輸出測量信號)SFB，并且將這個信號SFB發(fā)送到激光器電源單元12。
已經(jīng)進入激光束注入單元14的光纖激光束FB被彎鏡(bent mirror)46偏轉(zhuǎn)到預定方向，被注入單元48中的聚光透鏡50聚光，并且被注入到光纖傳送系統(tǒng)16的用于傳送的光纖(以下稱為“傳送光纖”)52的端面上。傳送光纖52包括例如SI(階躍指數(shù))型光纖，并且向激光束輻射單元18的輻射單元54傳送被注入在注入單元48中的光纖激光束FB。
輻射單元54包括準直透鏡56，其將已經(jīng)從傳送光纖52的端面離開的光纖激光束FD準直為平行光束；以及聚光透鏡58，其將作為平行光束的光纖激光束FB聚光在預定的聚焦位置上，并且對光纖激光束FB進行聚光并將其施加到要加工的工件60上的處理點W上。
例如，在激光束焊接的情況下，從激光器電源單元12向LD30提供具有脈沖波形的激發(fā)電流，由此，從LD30向光纖激光振蕩器10中的振蕩光纖22提供具有脈沖波形的激發(fā)激光束MB，由此，具有脈沖波形的光纖激光束FM被振蕩并從光纖激光振蕩器10輸出。具有脈沖波形的光纖激光束FM通過激光束注入單元14、光纖傳送系統(tǒng)16和激光束輻射單元18，并且被聚光和施加到要處理的工件60上的處理點W上。在處理點W處，要加工的材料被具有脈沖波形的光纖激光束FB的能量熔化，并且在施加脈沖之后凝固和形成熔核(nugget)。
在所述實施例的光纖激光束處理裝置中，光纖激光振蕩器10使用振蕩光纖22作為工作介質(zhì)，所述振蕩光纖22包括具有大約10μm直徑和大約幾米長度的伸長的芯，因此，光纖激光振蕩器10可以振蕩并且輸出具有小光束直徑和小光束發(fā)散角的光纖激光束FB。另外，當被注入振蕩光纖22的端面中的激發(fā)激光束MB在振蕩光纖22中的幾米長的長光路上傳播時，該光束MB通過多次通過所述芯而完全消耗其激發(fā)能量，因此，振蕩器10可以以很高的振蕩效率來產(chǎn)生光纖激光束FB。光纖激光振蕩器10的光束模式很穩(wěn)定，因為振蕩光纖22的芯不產(chǎn)生熱透鏡效應。如下所述，通常根據(jù)實時功率反饋控制、精確地對應于期望基準值或期望基準波形來穩(wěn)定光纖激光束FB的激光輸出。
如上所述，因為光束模式和激光功率都是穩(wěn)定的，因此在激光束注入單元14和激光束輻射單元18中，光纖激光束FB向傳送光纖52上的會聚非常好，并且注入和輻射數(shù)值孔徑(NA)是穩(wěn)定的。因此，允許高精度和高效率的光纖傳送，并且可以改善激光束處理的質(zhì)量。
通過使傳送光纖52介于光纖激光振蕩器10和處理地點處的激光束輻射單元18之間，可以防止光纖激光振蕩器10受到在處理地點存在或產(chǎn)生的干擾，例如振動、熱、環(huán)境光等。雖然來自處理點W的反射光束可以通過激光束輻射單元18、光纖傳送系統(tǒng)16和激光束注入單元14返回光纖激光振蕩器10，但是，可以通過使振蕩光纖22的數(shù)值孔徑(NA)大于傳送光纖46的數(shù)值孔徑(NA)來將返回光束限制在振蕩光纖22中，因此，(在沒有將NA設置得過大的情況下)可以防止由于返回光束導致的振蕩光纖22的破損。
在光纖激光束處理裝置中，光纖激光振蕩器10(具體是LD30和振蕩光纖22)、激光器電源單元12、PD42和控制板62配置功率控制機構，以便實時地對光纖激光束FB的激光輸出進行反饋控制。
圖2示出了在激光器電源單元12內(nèi)部的配置。如所示出的那樣，激光器電源單元12被提供有DC電源64，其向LD30提供激發(fā)電流ILD；和控制單元66，用來控制激發(fā)電流ILD。DC電源64包括例如變壓器、整流電路、變換電路等，并且被配置為被輸入商用AC，并且輸出DC LD驅(qū)動電流或者DC激發(fā)電流ILD。
控制單元66包括開關元件68，其越過DC電源64而串聯(lián)連接到LD30；開關控制單元70，其以例如脈沖寬度調(diào)制(PWM)的方式來控制開關元件68的切換；向開關控制單元70提供各種設置值和反饋控制信號的電路，等等。
激光輸出設置單元72保留或者輸出已經(jīng)作為功率反饋控制的基準值或者基準波形Ref而從控制板62輸入的、用戶期望的激光輸出設置值或設置波形。激光輸出測量電路74基于從用于監(jiān)控功率的PD42發(fā)送的電信號(激光輸出測量信號)SFB獲得實時指示光纖激光束FB的激光輸出的激光輸出測量值MFB。比較電路76將由激光輸出測量電路74獲得的激光輸出測量值MFB與來自激光輸出設置單元72的基準值或基準波形Ref相比較，產(chǎn)生表示它們之間的差的比較誤差δ，并且通過切換電路78來向開關控制單元70提供該比較誤差δ。
開關控制單元70以PWM的方式來控制開關元件(例如晶體管)的切換，使得由比較電路76產(chǎn)生的比較誤差δ接近0，即，激光輸出測量值MFB等于所述基準值或基準波形Ref。
在激光器電源單元12中，向其提供了檢測激發(fā)電流MFB的電流傳感器80和反饋激發(fā)電流MFB的測量電流值的電流測量電路82來作為電流反饋控制電路，以便在啟動所述裝置時穩(wěn)定LD30的輸出。切換電路78在開始啟動光纖激光振蕩器10之后立即選擇電流反饋控制，并且在光纖激光束FB的激光輸出被穩(wěn)定之后切換到功率反饋控制。
基準電流設置單元84設置用于電流反饋控制的基準電流值。待機電流電路86用于設置當振蕩器10待機時要流向LD30的偏置電流。選擇電路88在振蕩器10待機時向開關控制單元70提供偏置電流設置值，并且在正在啟動振蕩器10時向開關控制單元70提供基準電流值。
控制箱62構成人機接口，包括諸如鍵盤等的輸入單元和諸如LCD顯示器等的顯示單元，并且還包括計算電路等，以進行條件設置。例如，當用戶設置和輸入期望的激光能量值時，控制箱62將所述激光能量設置值轉(zhuǎn)換為激光輸出設置值。
在所述實施例中，即使在出現(xiàn)DC電源64的輸出的變化、LD30的老化、波長的偏移等的任何一個時，也因為上述實時功率反饋控制起作用，所以從光纖激光振蕩器10振蕩和輸出的光纖激光束FB的激光輸出被保持在已經(jīng)被設置的值上，并且根據(jù)所述設置來精確地執(zhí)行任意波形控制。當并行操作多個光纖激光束處理裝置時，不存在所述裝置之間的激光功率的差別，并且可以將所有處理裝置設置為具有相同的激光功率(或相同的激光能量)。因此，可以顯著改善激光束處理的重復性和可靠性。
雖然如上所述已經(jīng)給出了對優(yōu)選實施例的描述，但是上述實施例并不限制本發(fā)明。在不背離本發(fā)明的技術精神和技術范圍的情況下，本領域技術人員可以在其特定操作模式上對本發(fā)明進行各種修改和改變。
例如，在上述實施例中，光纖激光振蕩器10和激光束輻射單元18通過光纖傳送系統(tǒng)16(傳送光纖52)而被光學地連接，并且如上所述保護光纖激光振蕩器10以防止處理地點處的干擾。但是，可以使用這樣的方式或配置，根據(jù)所述方式或配置，將從光纖激光振蕩器10振蕩和輸出的光纖激光束FB直接地或者通過彎鏡等發(fā)送到激光束輻射單元18，而不使用光纖傳送系統(tǒng)16。
在光纖激光振蕩器10中，對于電光泵浦單元24、光學諧振腔26和28、光學透鏡32和35等，修改或部分省略是有可能的，并且可以使用施加相同功能和操作的其他部件。例如，雖然上述實施例使用一側(cè)激發(fā)方案，其中根據(jù)所述方案，激發(fā)激光束EM被施加到振蕩光纖22的一側(cè)上，但是，可以使用雙側(cè)激發(fā)方案，根據(jù)該雙側(cè)激發(fā)方案，激發(fā)激光束被施加到在振蕩光纖22兩側(cè)的端面上。另外，可以通過在光纖激光振蕩器10中提供Q開關來產(chǎn)生Q開關脈沖的光纖激光束，在功率反饋控制環(huán)中，通過在激光器電源單元12中提供PD42，來自分束器40的監(jiān)控光束RFB可以通過用于傳送的光纖而被傳送到激光器電源單元12中的PD42。
本發(fā)明的光纖激光束處理裝置不限于用于激光焊接，而是可以被應用于諸如激光打標、鉆孔和切割的激光束處理。
權利要求
1.一種光纖激光束處理裝置，包括用于振蕩的光纖，包含芯，包含發(fā)光元素，和包層，圍繞所述芯；泵浦單元，用來向用于振蕩的光纖的芯提供激發(fā)光束；電源單元，其接通和驅(qū)動所述泵浦單元，以便使用于振蕩的光纖振蕩和輸出具有預定波長的激光束；激光束輻射單元，其對由用于振蕩的光纖產(chǎn)生的激光束進行聚光并且將其施加到要加工的工件上的處理點；設置單元，其設置激光束的激光輸出的期望基準值或期望基準波形；激光輸出測量單元，其測量由用于振蕩的光纖振蕩和輸出的激光束的激光輸出；以及控制單元，其控制所述電源單元，使得從激光輸出測量單元獲得的激光輸出測量值等于所述基準值或基準波形。
2.如權利要求1所述的激光束處理裝置，還包括用于傳送的光纖，用來向激光束輻射單元傳送由用于振蕩的光纖產(chǎn)生的激光束。
3.如權利要求2所述的激光束處理裝置，還包括一對諧振腔反射鏡，其通過用于振蕩的光纖的芯而光學地彼此面對。
4.如權利要求1至3中的任一項所述的激光束處理裝置，其中，泵浦單元包括激光二極管，其發(fā)射激發(fā)光束；和光學透鏡，其將來自所述激光二極管的激發(fā)光束聚光到用于振蕩的光纖的端面上。
5.一種光纖激光束處理裝置，包括光纖激光振蕩器，其具有光纖結構，使用包含發(fā)光元素作為工作介質(zhì)的芯，通過使用預定激發(fā)光束光學地泵浦所述芯而振蕩和輸出具有預定波長的激光束；激光束輻射單元，其向要加工的工件上的處理點輻射由光纖激光振蕩器振蕩和輸出的激光束；激光輸出測量單元，其測量由光纖激光振蕩器振蕩和輸出的激光束的激光輸出；以及激光器電源單元，通過反饋從激光輸出測量單元獲得的激光輸出測量值來控制由光纖激光振蕩器使用的激發(fā)光束的輸出。
6.如權利要求5所述的激光束處理裝置，還包括傳送光纖，用于向激光束輻射單元傳送由光纖激光振蕩器產(chǎn)生的激光束。
全文摘要
通過光纖激光振蕩器、激光器電源單元、激光束注入單元、光纖傳送系統(tǒng)、激光束輻射單元、處理臺等來配置光纖激光束處理裝置。由光纖激光振蕩器振蕩和輸出的光纖激光束的一部分通過分束器而被用于監(jiān)控的光電二極管接收。光電二極管的輸出信號被發(fā)送到激光器電源單元。該電源單元接收作為反饋信號的光電二極管的輸出信號，并且控制要提供給泵浦單元的激光二極管的驅(qū)動電流或激發(fā)電流，使得光纖激光束的激光輸出等于設置值。
文檔編號H01S3/00GK101025539SQ20071000380
公開日2007年8月29日 申請日期2007年1月17日 優(yōu)先權日2006年1月17日
發(fā)明者松田恭, 島田秀寬, 柳沼宏一, 田中慎吾 申請人:宮地技術株式會社