專利名稱：一種光纖輸出激光器及其用途的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光機(jī)電一體化中的光纖激光器技術(shù)，具體為一種特別適于并聯(lián)機(jī)床加工使用的光纖輸出激光器及使用該激光器的并聯(lián)機(jī)床，國際專利主分類號擬為Int.Cl7.G02B 6/00。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代光纖具有通頻帶很寬，理論可達(dá)30億兆赫茲；重量輕，體積??；使用環(huán)境溫度范圍寬；耐化學(xué)腐蝕，使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。和傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器相比，光纖輸出激光器的優(yōu)越性主要體現(xiàn)在光纖輸出激光器是波導(dǎo)式結(jié)構(gòu)，可容強(qiáng)泵浦，具有高增益、轉(zhuǎn)換效率高、閾值低、輸出光束質(zhì)量好、線寬窄、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高等諸多特性，并且易于實(shí)現(xiàn)和光纖的耦合。因此光纖輸出激光器技術(shù)是現(xiàn)代光電技術(shù)的研究熱點(diǎn)之一。
并聯(lián)機(jī)床技術(shù)又稱虛似軸機(jī)床技術(shù)，是并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)與機(jī)床結(jié)合的產(chǎn)物，是空間機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)械制造、數(shù)控技術(shù)，計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)和CAD/CAM技術(shù)高度結(jié)合的高技術(shù)。并聯(lián)機(jī)床技術(shù)是當(dāng)今機(jī)械制造領(lǐng)域的主導(dǎo)技術(shù)，而激光技術(shù)是其獲得新飛躍、實(shí)現(xiàn)新興現(xiàn)代光機(jī)電制造的主要技術(shù)手段。
并聯(lián)機(jī)床主要技術(shù)性能是運(yùn)動(dòng)精度高、移動(dòng)路徑復(fù)雜、多樣并連續(xù)。因此并聯(lián)機(jī)床要求其執(zhí)行終端的加工裝置具有較小的體積、良好的柔性、較小的慣性和很小的加工反作用力(如銑削力)等。目前國內(nèi)外并聯(lián)機(jī)床的執(zhí)行終端都是采用并聯(lián)銑刀、并聯(lián)磨頭等機(jī)械件，但并聯(lián)銑刀、并聯(lián)磨頭等機(jī)械件執(zhí)行終端存在著阻力大，加工點(diǎn)不精確等缺點(diǎn)，影響并聯(lián)機(jī)床的性能和高質(zhì)量產(chǎn)品的加工。在申請人已知的范圍內(nèi)，采用激光技術(shù)作為并聯(lián)機(jī)床執(zhí)行終端的文獻(xiàn)尚未見報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是設(shè)計(jì)一種光纖輸出激光器及其用途。該激光器具有體積小、性能高等特點(diǎn)；該激光器可以為并聯(lián)機(jī)床配套，滿足并聯(lián)機(jī)床加工對執(zhí)行終端加工裝置的要求，具有體積小、柔性好、慣性低、加工反作用力微，并可實(shí)現(xiàn)加工的實(shí)時(shí)反饋控制，可進(jìn)行超精密加工等特點(diǎn)。
本發(fā)明解決所述激光器技術(shù)問題的技術(shù)方案是設(shè)計(jì)一種光纖輸出激光器，其特征在于所述的激光器包括箱體及其內(nèi)安裝的激光諧振腔和光纖耦合裝置，所述激光諧振腔的長度在385-580mm范圍內(nèi)可調(diào)，其內(nèi)中間安裝有Nd:YAG激光棒、泵浦激光電源和水冷恒溫器組件，組件的輸出一側(cè)安裝有平面輸出鏡；組件的非輸出一側(cè)依次安裝有聲光Q開關(guān)和凹面全反鏡；所述的凹面全反鏡、聲光Q開關(guān)、Nd:YAG激光棒、平面輸出鏡與光纖耦合裝置的安裝位置使它們之間構(gòu)成激光通道；所述光纖耦合裝置外接能量傳輸光纖，能量傳輸光纖的另一端連接光纖輸出頭，光纖輸出頭前安裝有聚焦透鏡。
本發(fā)明解決所述激光器用途技術(shù)問題的技術(shù)方案是把本發(fā)明所述的光纖輸出激光器直接用于并聯(lián)機(jī)床的激光加工，以所述的光纖輸出頭和聚焦透鏡取代并聯(lián)機(jī)床的機(jī)械執(zhí)行件。
本發(fā)明還提出了解決并聯(lián)機(jī)床技術(shù)問題的技術(shù)方案是設(shè)計(jì)一種并聯(lián)機(jī)床，其特征在于該并聯(lián)機(jī)床直接配裝本發(fā)明所述的光纖輸出激光器作為加工執(zhí)行機(jī)件。
與現(xiàn)有類似的激光器比較，本發(fā)明的光纖輸出激光器利用了光纖的優(yōu)點(diǎn)，成功地將Nd:YAG激光器和輸出光纖連接起來，并對激光諧振腔的腔長、反射鏡的凹面曲率半徑以及后續(xù)輸出光纖的耦合匹配等都做了優(yōu)化設(shè)計(jì)，具有性能高、體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，方便應(yīng)用等特點(diǎn)。
目前使用的并聯(lián)銑刀、并聯(lián)磨頭等并聯(lián)機(jī)床加工執(zhí)行機(jī)件本身的刀尖面積比較大，不能進(jìn)行超精密加工，并且機(jī)械件的阻力大，動(dòng)力系統(tǒng)體積大，是技術(shù)升級的瓶頸。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的光纖輸出激光器創(chuàng)新性地用于并聯(lián)機(jī)床，通過能量傳輸光纖將激光能量傳輸?shù)讲⒙?lián)機(jī)床的加工執(zhí)行終端(即激光器的光纖輸出頭)上，徹底去除了銑刀、磨頭等機(jī)械件，因此具有系統(tǒng)體積小、柔性好、慣性低、加工反作用力微，并可實(shí)現(xiàn)超精密加工和激光加工的實(shí)時(shí)反饋控制等特點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明光纖輸出激光器一種實(shí)施例的整體光路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖；圖2為本發(fā)明光纖輸出激光器一種實(shí)施例用于并聯(lián)機(jī)床的示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例及其附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明，但本發(fā)明不受實(shí)施例的限制本發(fā)明光纖輸出激光器(以下簡稱激光器，參見圖1)，其特征在于所述的激光器包括箱體14及其內(nèi)安裝的激光諧振腔13和光纖耦合裝置6，所述激光諧振腔13的長度在385-580mm范圍內(nèi)可調(diào)，其內(nèi)中間安裝有Nd:YAG激光棒4、泵浦激光電源3和水冷恒溫器12組件，組件的輸出一側(cè)安裝有平面輸出鏡5；組件的非輸出一側(cè)依次安裝有聲光Q開關(guān)2和凹面全反鏡1；所述的凹面全反鏡1、聲光Q開關(guān)2、Nd:YAG激光棒4、平面輸出鏡5與光纖耦合裝置6的安裝或可調(diào)位置使它們之間構(gòu)成激光通道；所述光纖耦合裝置6外接能量傳輸光纖7，能量傳輸光纖7的另一端連接光纖輸出頭8，光纖輸出頭8前安裝有聚焦透鏡9。
本發(fā)明激光器一種實(shí)施例的設(shè)計(jì)為外型尺寸設(shè)計(jì)為500×240×260mm，激光諧振腔13的優(yōu)化長度為416mm，并且在385-580mm范圍內(nèi)可調(diào)；所述的Nd:YAG激光棒4實(shí)施例的直徑是φ6mm，并且要把Nd:YAG激光棒4的圓柱面打毛，兩端鍍有的增透膜，所謂增透膜是一種使玻璃鏡片的透光性能更好的玻璃加工工藝，其厚度為光在其中波長的1/4，實(shí)施例為1064nm；在激光諧振腔13內(nèi)的一端設(shè)置所述的凹形全反射鏡1，另一端設(shè)置所述的平面輸出鏡5；所述的聲光Q開關(guān)2設(shè)置在所述Nd:YAG激光棒4與凹形全反射鏡1之間垂直于所述Nd:YAG激光棒4軸線的位置上；所述水冷恒溫器12配置在Nd:YAG激光棒4的下面，而Nd:YAG激光棒4組件安裝在聲光Q開關(guān)2與平面輸出鏡5之間；所述激光諧振腔13內(nèi)的各部件安裝在激光通用導(dǎo)軌(圖中未畫出)上，并且它們的安裝或可調(diào)位置應(yīng)使它們之間構(gòu)成激光通道；所述的平面輸出鏡5后配置所述的光纖耦合裝置6，光纖耦合裝置6與能量傳輸光纖7的一端相連接，能量傳輸光纖7的另一端連接光纖輸出頭8，光纖輸出頭8前安裝有聚焦透鏡9，實(shí)施例優(yōu)化設(shè)計(jì)的聚焦透鏡9的直徑為20mm，焦距30mm。本發(fā)明實(shí)施例所述的水冷恒溫器12、能量傳輸光纖7、光纖輸出頭8。泵浦激光電源3、聲光Q開關(guān)2、平面輸出鏡5等為現(xiàn)有技術(shù)產(chǎn)品，可按設(shè)計(jì)需要購買或定制；所述的能量傳輸光纖7、光纖輸出頭8、聚焦透鏡9、凹面全反鏡1的半徑及激光諧振腔13的長度等為本發(fā)明優(yōu)化設(shè)計(jì)特別定制。
本發(fā)明激光器實(shí)施例所述的凹形全反射鏡1和平面輸出鏡5的直徑均為φ20mm。所述凹面全反鏡1與平面輸出鏡5的鏡片在激光諧振腔13內(nèi)均采用徑向調(diào)整式支撐架(圖中未畫出)安裝。該支撐架系發(fā)明人的專利(參見“徑向調(diào)整式的激光光學(xué)鏡片支撐架”，專利號CN00264981.0)。這種設(shè)計(jì)的好處是軸向尺寸小，調(diào)整方便。所述的凹形全反射鏡1經(jīng)優(yōu)化處理，即按最大模式體積優(yōu)化設(shè)計(jì)凹形全反射鏡1的凹面曲率半徑R。R的數(shù)學(xué)范圍很大，應(yīng)通過實(shí)驗(yàn)和計(jì)算得出最優(yōu)值。實(shí)施例的凹形全反射鏡1的最優(yōu)凹面曲率半徑R為3.25m，實(shí)施例即按此參數(shù)定做凹形全反射鏡1。其余定制元器件雷同。
本發(fā)明激光器實(shí)施例的主要設(shè)計(jì)參數(shù)為驅(qū)動(dòng)功率為100W(激光器的能量傳輸光纖7傳輸?shù)焦饫w輸出頭8的平均輸出功率達(dá)100W)，工作頻率為27MHz，靜態(tài)透過率為98.5％(對1064nm波長)，衍射效率為20.5％，調(diào)制頻率為1-50kHz，激光脈沖寬度135ns。調(diào)整聲光Q開關(guān)2的調(diào)制頻率，獲得重復(fù)頻率為20.4kHz、脈沖寬度135ns、平均功率為100W輸出。但本發(fā)明理想設(shè)計(jì)的激光器輸出功率可實(shí)現(xiàn)幾十毫瓦到100W。所述水冷恒溫器12可根據(jù)激光器功率的大小配套選取，實(shí)施例的水冷恒溫器12的制冷量為5000W，流量50L/H，工作溫度20-30℃，實(shí)施例工作溫度25±1℃，為定購產(chǎn)品。在此狀態(tài)下，調(diào)整激光諧振腔13內(nèi)的激光介質(zhì)Nd:YAG激光棒4的位置及腔長，可實(shí)現(xiàn)激光諧振腔13的優(yōu)化設(shè)計(jì)。實(shí)施例激光諧振腔13的優(yōu)化腔長為416mm，激光諧振腔13形成一個(gè)望遠(yuǎn)鏡穩(wěn)定腔，激光的輸出功率最大，并可實(shí)現(xiàn)高功率、高穩(wěn)定性運(yùn)轉(zhuǎn)，不穩(wěn)定性小于1.03％，重復(fù)頻率在1-35KHz可調(diào)。本發(fā)明激光器可廣泛應(yīng)用于激光直寫高密度電路板、復(fù)雜形狀的立體刻蝕等精密制造領(lǐng)域中。
本發(fā)明未述及的適用于現(xiàn)有技術(shù)。
本發(fā)明激光器工作原理如下由泵浦激光電源3去抽運(yùn)Nd:YAG激光棒4的Nd離子，其躍遷輻射為1064nm波長的光子，經(jīng)凹-平腔結(jié)構(gòu)的激光諧振腔13形成1064nm的激光，用聲光Q開關(guān)2(即聲光調(diào)制器)予以調(diào)制，并由聲光系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)激光器高輸出功率的準(zhǔn)連續(xù)輸出運(yùn)轉(zhuǎn)。所述的激光諧振腔13的一端為優(yōu)化的凹形全反射鏡1，另一端設(shè)置1064nm平面輸出鏡5，1064nm激光從平面輸出鏡5輸出后，經(jīng)與諧振腔13連接的光纖耦合裝置6耦合進(jìn)入能量傳輸光纖7，再經(jīng)能量傳輸光纖7傳輸?shù)焦饫w輸出頭8，經(jīng)所述的聚焦透鏡9聚焦后輸出。聚焦透鏡9完成激光能量的穩(wěn)定輸出。所述的能量傳輸光纖7應(yīng)有一定的長度，以便使工作范圍廣闊和方便。實(shí)施例的能量傳輸光纖7為2m長，并選用輸出功率大、衰減少的石英光纖。
本發(fā)明實(shí)施例的激光器特別適用于并聯(lián)機(jī)床的激光加工。本發(fā)明激光器所述的光纖輸出頭8可按并聯(lián)機(jī)床11的加工執(zhí)行終端10的加裝要求設(shè)計(jì)，并與之直接配裝(參見圖2)，可完成加工信號的精確傳輸，并利用所述能量傳輸光纖7、光纖輸出頭8和聚焦透鏡9完成激光器柔性無阻力地移動(dòng)跟隨，實(shí)現(xiàn)并聯(lián)機(jī)床11的高精度激光加工。換言之，本發(fā)明同時(shí)設(shè)計(jì)了一種并聯(lián)機(jī)床，其特征在于該并聯(lián)機(jī)床直接配裝本發(fā)明所述的光纖輸出激光器作為加工執(zhí)行機(jī)件，替代現(xiàn)有的并聯(lián)銑刀、并聯(lián)磨頭等并聯(lián)機(jī)床加工執(zhí)行機(jī)件，使并聯(lián)機(jī)床技術(shù)升級，可以完成傳統(tǒng)并聯(lián)機(jī)床難以完成的高、精、深加工任務(wù)。
權(quán)利要求
1.一種光纖輸出激光器，其特征在于所述的激光器包括箱體及其內(nèi)安裝的激光諧振腔和光纖耦合裝置，所述激光諧振腔的長度在385-580mm范圍內(nèi)可調(diào)，其內(nèi)中間安裝有Nd:YAG激光棒、泵浦激光電源和水冷恒溫器組件，組件的輸出一側(cè)安裝有平面輸出鏡；組件的非輸出一側(cè)依次安裝有聲光Q開關(guān)和凹面全反鏡；所述的凹面全反鏡、聲光Q開關(guān)、Nd:YAG激光棒、平面輸出鏡與光纖耦合裝置的安裝或可調(diào)位置使它們之間構(gòu)成激光通道；所述光纖耦合裝置外接能量傳輸光纖，能量傳輸光纖的另一端連接光纖輸出頭，光纖輸出頭前安裝有聚焦透鏡。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖輸出激光器，其特征在于所述的激光諧振腔的長度經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)為416mm；所述Nd:YAG激光棒的的直徑為φ6mm，且圓柱面要打毛，兩端鍍有1064nm增透膜；所述凹形全反射鏡和平面輸出鏡的直徑均為φ20mm，凹形全反射鏡的凹面曲率半徑R按最大模式體積優(yōu)化設(shè)計(jì)為3.25m；所述聚焦透鏡的直徑為φ20mm，焦距30mm；所述凹面全反鏡與平面輸出鏡的鏡片在激光諧振腔內(nèi)均采用徑向調(diào)整式支撐架安裝。
3.權(quán)利要求1或2所述的光纖輸出激光器，其特征在于該光纖輸出激光器直接用于并聯(lián)機(jī)床的激光加工，以所述的光纖輸出頭和聚焦透鏡取代并聯(lián)機(jī)床的機(jī)械執(zhí)行件。
4.一種并聯(lián)機(jī)床，其特征在于該并聯(lián)機(jī)床直接配裝權(quán)利要求1或2所述的光纖輸出激光器作為加工執(zhí)行機(jī)件。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光纖輸出激光器及其用途，其特征在于所述激光器包括箱體及其內(nèi)安裝的激光諧振腔和光纖耦合裝置，所述激光諧振腔長度在385－580mm范圍內(nèi)可調(diào)，其內(nèi)中間安裝有Nd:YAG激光棒、泵浦激光電源和水冷恒溫器組件，組件的輸出一側(cè)安裝有平面輸出鏡；組件的非輸出一側(cè)依次安裝有聲光Q開關(guān)和凹面全反鏡；所述凹面全反鏡、聲光Q開關(guān)、Nd:YAG激光棒、平面輸出鏡與光纖耦合裝置的安裝位置使它們之間構(gòu)成激光通道；所述光纖耦合裝置外接能量傳輸光纖，能量傳輸光纖的另一端連接光纖輸出頭，光纖輸出頭前安裝有聚焦透鏡。本發(fā)明光纖輸出激光器特別適用于并聯(lián)機(jī)床的激光加工。
文檔編號B23K26/00GK1866646SQ20061001342
公開日2006年11月22日 申請日期2006年4月4日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月4日
發(fā)明者王濤, 張明路, 王陽, 孫立新, 蔡彬晶, 劉寶利 申請人:河北工業(yè)大學(xué)