專利名稱：激光器系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種主要由高輸出的高強度固體激光器裝置構(gòu)成并且有效功率有很大提高的激光器系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
近年來開發(fā)出了用于增大固體激光器裝置的輸出及強度的技術(shù)，并且已實現(xiàn)了滿足上述兩項性能的固體激光器裝置。因此，可以進行高速的精細焊接和切割加工。高輸出、高強度的固體激光器裝置已經(jīng)積極有效地用在了電氣和電子部件的點焊和縫焊加工中以及用于金屬、半導體、陶瓷等材料的刻劃和切割加工中。
做為常規(guī)固體激光器裝置的一個代表性實例，圖3表示了一種LD(激光二極管)泵浦的脈沖式Nd:YAG激光器系統(tǒng)，其激光器的激活介質(zhì)是棒式Nd:YAG晶體，其平均輸出功率在300W量級，是市場上分布最廣的一種激光器。
Nd:YAG晶體1由做為泵浦源的LD2發(fā)出的LD光束3泵浦。從Nd:YAG晶體1發(fā)出的1.06μm波長的光在構(gòu)成激光諧振腔4的全反射鏡5和輸出耦合反射鏡6之間被選擇性放大。放大的光從輸出耦合反射鏡6做為Nd:YAG激光束7出射。根據(jù)使用情況對Nd:YAG激光器輸出的控制由電耦合到LD2的DC穩(wěn)定電源8執(zhí)行。為了維持穩(wěn)定的Nd:YAG激光輸出，直接或通過冷卻介質(zhì)供給裝置9提供的冷卻介質(zhì)控制Nd:YAG晶體1和LD2的溫度，使得周圍部件的溫度成為恒定。
Nd:YAG激光束7由入射光會聚光學系統(tǒng)10會聚，從而滿足用于傳輸?shù)墓饫w11的傳輸條件，而光纖11具有0.3mm的纖芯直徑。從光纖11發(fā)出的激光束由出射光會聚光學系統(tǒng)14整形并會聚，從而具有適于加工放置在CNC臺12上的工件13的光束形狀，并執(zhí)行所需的激光加工。
但在常規(guī)的結(jié)構(gòu)中，在執(zhí)行激光加工的情形中從激光器系統(tǒng)發(fā)出的激光束由輸入到用于泵浦的LD的電能轉(zhuǎn)化的能量轉(zhuǎn)換效率(以下稱作“電-光轉(zhuǎn)換效率”)是一個非常低的值，約為10～20％。分析該值表明，用于泵浦的LD的電光轉(zhuǎn)換效率為30～50％，由LD泵浦光的能量向Nd/YAG激光束的能量轉(zhuǎn)換效率(以下稱作“光-光轉(zhuǎn)換效率”)為35～50％?！半?光轉(zhuǎn)換效率”是“LD的電-光轉(zhuǎn)換效率”與“光-光轉(zhuǎn)換效率”之積。
另外，如圖4所示，在Nd:YAG激光束的振蕩波長1.06μm處，關(guān)于普通工業(yè)材料鋁(以下稱作“Al”)、銅(以下稱作“Cu”)和鐵(以下稱作“Fe”)的激光束的能量吸收率分別為5％、2％和26％(源自J.H.Weaver的“Physics Data-Optical Properties of Metal”)。
因此，實際輸入到LD的電能中被工件吸收的能量比例較低。在Al的情況下該能量比例為0.5～1％，甚至在具有較高吸收率的Fe的情況下該能量比例為3.5～7％。
雖然把常規(guī)的固體激光器裝置安置在其上的激光加工機可以獲得高速、高精細的加工性能，但它有一個問題，即由于能量利用率很低，所以激光器系統(tǒng)的引進及操作成本很高。所有沒被轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)換成最終的Nd:YAG激光束的剩余能量都變成熱量，用于冷卻LD和Nd:YAG晶體的冷卻介質(zhì)被該熱量加熱。其結(jié)果是從冷卻裝置向周圍排出熱量。雖然激光器是沒有問題的，但會出現(xiàn)第二個問題，即激光器向周圍環(huán)境散發(fā)熱量。
考慮到這一問題，人們已經(jīng)嘗試著利用電光轉(zhuǎn)換效率為40％或更高的LD光束直接進行加工。但LD光束的聚光能力很低，難以用在通過小直徑、0.3mm或更小的光纖進行普通加工所必需的傳輸300W量級的輸出。
本發(fā)明提供了一種激光器系統(tǒng)，解決了存在于高輸出高強度的固體激光器裝置中的由于低能量轉(zhuǎn)換效率所致的高成本和高功耗的問題。
發(fā)明概述為解決上述問題，本發(fā)明提供了一項提高固體激光器光束吸收率并實現(xiàn)激光器系統(tǒng)的較高效率的技術(shù)，該技術(shù)利用光吸收率隨金屬材料的基礎(chǔ)材料溫度的升高而增大的物理現(xiàn)象通過另一個裝置同時或提前加熱固體激光器激光束的加工點。
如果不必加工的部分也被加熱，則不能獲得理想的加工精度，并且還造成能量損失。因此，必需集中加熱加工點。為此目的，通過合并用于加熱傳輸固體激光器激光束的光纖的光束，用固體激光器的激光束以及合并的光束輻射同一加工點。
用于傳輸固體激光器激光束的光纖的纖芯直徑通常不大于0.3mm以便高精度地進行微加工。合并的光束必需經(jīng)小直徑光纖高效率地傳輸。因此，如果激光束不用作合并光，就不能實現(xiàn)本發(fā)明目的。
做為被合并的激光束，根據(jù)對圖4所示普通金屬材料的吸收特性的估計，如果把波長短于Nd:YAG激光束的振蕩波長1.06μm的激光束用于聯(lián)合激光器系統(tǒng)，則金屬的吸收率增大。預先進行的工件加熱效果也因而增強。
因此，做為用于聯(lián)合激光器系統(tǒng)，選擇激光二極管做為激光器系統(tǒng)，用于發(fā)射波長短于Nd:YAG激光束的波長并具有幾乎與Nd:YAG激光束相同的光束會聚性的光束，該光束甚至具有激光器系統(tǒng)最高的振蕩效率。
因為通常將LD用作常規(guī)結(jié)構(gòu)的固體激光器裝置的泵浦源，所以對于LD很難將光束會聚成小的形狀。但是，當輸出水平不大于50W時，通過進行光發(fā)射點的重新光分布并校正激光束擴展角，LD可以將光束會聚成直徑小于0.3mm。
通過對本發(fā)明應用激光束合并和分解技術(shù)，可以不降低加工精度及高速度地大大提高激光加工效率，以致于可以減小固體激光器的輸出。其結(jié)果是可以實現(xiàn)固體激光器裝置的尺寸減小、即固體晶體尺寸的減小以及高成本部件數(shù)量的減少，如減少用于泵浦的LD的數(shù)量。而且還可以降低激光器系統(tǒng)的工作成本并大大改善對周圍環(huán)境的影響。
附圖簡述

圖1是表示根據(jù)本發(fā)明實施例的結(jié)構(gòu)示圖。圖2是表示所示實施例中焊接加工特性的曲線。圖3是常規(guī)技術(shù)的結(jié)構(gòu)簡圖。圖4是能量吸收率與材料波長的關(guān)系曲線。
執(zhí)行本發(fā)明的最佳模式下面參考附圖描述本發(fā)明的實施例。
關(guān)于本發(fā)明的實施例，圖1表示一種激光器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，其中主要處于Al激光焊接目的的激光器激活介質(zhì)是棒狀Yd:YAG晶體，該激光器系統(tǒng)主要由平均輸出為300W量級的LD泵浦的脈沖式Nd:YAG激光器裝置A(對應于本發(fā)明的固體激光器裝置)構(gòu)成。
棒直徑為φ5mm、長度為116mm的Nd:YAG晶體1由LD泵浦裝置2發(fā)出的LD光束3泵浦，而LD泵浦裝置上安置60條在中心波長808nm處振蕩的20W/條的LD。從Nd:YAG晶體1發(fā)出的1.06μm的光束在全反射鏡5和反射率為70％的輸出耦合反射鏡6之間被選擇放大，其中全反射鏡5和輸出耦合反射鏡6構(gòu)成一個諧振腔長度為400mm的激光諧振腔。放大的光做為Nd:YAG激光束7從輸出耦合反射鏡6出射(對應于本發(fā)明的固體激光器光束)。由電連結(jié)到LD2的DC穩(wěn)定電源8執(zhí)行對Nd:YAG激光器根據(jù)用途的輸出控制。為了維持穩(wěn)定的Nd:YAG激光輸出，直接或通過純凈水冷卻裝置9供給的純凈水控制Nd:YAG晶體1和LD2的溫度，使得周圍部件的溫度變?yōu)楹愣囟?。在此結(jié)構(gòu)中，當LD峰值電流為110A、脈寬為0.5msec、脈沖頻率為200Hz、純凈水溫度為11℃時獲得Nd:YAG激光束7最大的平均激光輸出290W。
另一方面，用于發(fā)射與Nd:YAG激光器裝置A發(fā)出的激光束7合并的合并LD(激光二極管)光束11的聯(lián)合LD為連續(xù)輸出式，并以808nm為中心波長地振蕩。具有橢圓形狀的合并的LD光束11穿過柱狀準直透鏡12的快軸和慢軸以減小擴展角，并經(jīng)合并的LD光束入射光學系統(tǒng)13進入纖芯直徑為0.2mm的折射率漸變式(以下稱作SI式)光纖14以進行光束整形。該光束被整形并在光纖發(fā)射端做為在所有方向上有著幾乎均勻的圓形形狀的合并的LD光束15發(fā)射。聯(lián)合LD10固定在冷卻水從中流過的冷卻板16上。LD本身被間接地冷卻。
具有圓形形狀的合并的LD光束15被平凸準直透鏡17準直成具有與Nd:YAG激光束7相同的形狀。之后，通過Nd:YAG激光束7和二色分束器18合并激光輸出。Nd:YAG激光束7分布在二色分束器18的相反側(cè)，圓形的合并的LD光束15分布在發(fā)射端，再進行光軸調(diào)節(jié)，使得激光束7和15共軸重疊。之后，由入射光會聚光學系統(tǒng)19會聚合成的激光束，從而滿足纖芯直徑為0.3mm、傳輸距離為20m的SI式光纖20的傳輸條件，并進入傳輸光纖20。從傳輸用的光纖20發(fā)射的激光束被加工焦距為100mm的輸出光會聚光學系統(tǒng)21會聚，從而獲得適于加工的光束形狀。用會聚的激光束輻射放置在CNC臺22上的工件23并進行所需的激光加工。在輸出光會聚光學系統(tǒng)21上安置一個光學部件，該部件在具有波長1.06μm的Nd:YAG激光束的波長區(qū)域中以及在具有波長808nm的合并LD光束的波長區(qū)域中具有不小于98％的透射率。
在輻射Nd:YAG激光束7之前或同時，用合并LD光束15輻射工件23?？梢钥勺兊鬲毩⒖刂坡?lián)合LD10的輸出激光輸出值、Nd:YAG激光輸出值以及輻射的開/關(guān)。
圖2表示在只使用Nd:YAG激光束7的情況下的焊接性能和在合并的LD光束15與激光束7合并的情況下的焊接性能的比較試驗結(jié)果。在該試驗中，做為測試件，JIS標準的#3003鋁件，加工速度固定在20mm/sec，氮氣(N2)做為加工點周圍的屏蔽氣體以10升/分鐘的流速供給。
從簡圖中看到，在只使用Nd:YAG激光束7的情況下，當平均激光輸出為250W時，以0.4mm的焊點點核直徑獲得0.74mm的最大穿透深度。當合并10W的合并LD光束15的激光輸出時，與只利用Nd:YAG激光束7的情形相比，穿透深度變深5％。在LD光束15的激光輸出為20W和30W的情況下，穿透量分別增加19％和46％。通過單個的Nd:YAG激光器裝置A，當最大平均激光輸出為290W時，獲得1.0mm的最大穿透深度。在合并30W的LD光束15的情況下，以240W的激光輸出做為單個Nd:YAG激光器裝置A的平均輸出，獲得相同的穿透深度。因而可以減小單個Nd:YAG激光器裝置A中大約50W的平均激光輸出。
測量穿透深度為1.0mm時的功耗。結(jié)果是，在輸出290W做為單個Nd:YAG激光器裝置A的平均輸出的情況下，功耗為2.015W。在合并LD光束15的30W并且單個Nd:YAG激光器裝置A的輸出為240W的情況下，功耗為1750W。即，可以以小于13％的能量執(zhí)行相同的加工。
此時，在輻射Nd:YAG激光束7之前或同時，用合并的LD光束15輻射工件，并且獨立可變地控制聯(lián)合LD10的出射激光輸出值、Nd:YAG激光器裝置A的輸出值和輻射的開/關(guān)。因此，通過適當?shù)卣{(diào)節(jié)加工點的加熱時間和程度，可以有效地追尋更高的效率。
特別是，在二色分束器18中與Nd:YAG激光束15合并之前，利用準直透鏡12校正從聯(lián)合LD10發(fā)出的合并LD光束11的擴展角，使得幾乎在所有方向上均勻。之后，激光束進入用于光束整形的光纖14，在那里LD發(fā)射模式圖案形成為圓形，并且徑向光束量均勻，所得的光束在二色分束器18中與Nd:YAG激光束7合并。因此，用于加熱的LD光束11可以會聚成直徑小于0.3mm，可以有效地進行對加工點的高效加熱。
另外，本實施例中的Nd:YAG激光器裝置是一種利用LD泵浦裝置2做為泵浦源的固體激光器裝置。用于發(fā)射與固體激光器泵浦LD發(fā)射的光束相同波長的光束的LD10也用作聯(lián)合激光二極管。因此，聯(lián)合LD的可靠性很高，并且可以方便地獲得LD。
因為只加熱必需的加工點而不加熱不必要的部件，所以當用隨時間恒定的連續(xù)發(fā)射激光輸出的連續(xù)模式代替從聯(lián)合LD10發(fā)出的合并LD光束11的發(fā)射模式時，不出現(xiàn)問題。因而可以有效地增大加工點的激光束吸收率。
本發(fā)明不限于前述實施例的每個部件的具體結(jié)構(gòu)。
例如，在本實施例中，把用于發(fā)射與泵浦Nd:YAG激光器的激光二極管發(fā)射的光束具有相同波長的激光束的激光二極管用作聯(lián)合激光二極管，其中泵浦的Nd:YAG激光器處于不大于±3nm的波段中。如果用于聯(lián)合激光二極管的波段是不大于用于泵浦的激光二極管波段的±50，則從要加工的金屬和陶瓷材料的吸收特性來看，一般地可以預期達到與實施例相同的效果。
雖然連續(xù)輸出式激光二極管在本實施例中用作用于合并的激光二極管，但對于脈沖輸出式激光二極管來說可以預期有類似于本實施例的效果。
另外，在前述實施例中描述了激光激活介質(zhì)為Nd:YAG晶體的Nd:YAG激光器的情形。在激光激活介質(zhì)為單個固體晶體、如Yb:YAG或Nd:YVO4的情形中，也可以預期效果與本實施例相同的固體晶體或陶瓷晶體的組合。
在不脫離本發(fā)明實質(zhì)的前提下也可以改進其它的結(jié)構(gòu)。
工業(yè)實用性本發(fā)明可以提供一種具有上述結(jié)構(gòu)的激光器系統(tǒng)，可以無需降低激光器加工精度和高速度地實現(xiàn)較大的功率減小以及更加環(huán)保。另外，還可以實現(xiàn)激光器系統(tǒng)更小的大小，以致于可以提供一種有利于更小設(shè)備的激光器系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一種激光器系統(tǒng)，其特征在于通過二色分束器合并由固體激光器裝置發(fā)出的固體激光束和由振蕩波長范圍短于固體激光束的激光二極管發(fā)出的激光二極管光束，所得的光束在空間中被導向相同的傳輸介質(zhì)，并且用該激光二極管光束和固體激光束以彼此幾乎匹配的光束絕對輻射位置和輻射形狀來輻射工件。
2.如權(quán)利要求1所述的激光器系統(tǒng)，其特征在于傳輸介質(zhì)是一種能夠傳輸固體激光束的光纖。
3.如權(quán)利要求1所述的激光器系統(tǒng)，其特征在于在用固體激光束輻射之前或同時，用所述的聯(lián)合激光二極管光束輻射工件，并且可變地獨立控制激光二極管的輸出激光的輸出值、固體激光器的輸出值以及輻射的開/關(guān)。
4.如權(quán)利要求1所述的激光器系統(tǒng)，其特征在于在二色分束器中合并固體激光束之前，校正從激光二極管發(fā)出的激光二極管光束的擴展角，從而通過利用單個柱狀透鏡或多個柱狀透鏡使光束在所有方向上幾乎均勻，之后，將所得的激光束引向光纖，通過光纖激光二極管發(fā)射模式的圖案形成為圓形，并且使得徑向光束量均勻，所得的光束在二色分束器中與固體激光束合并。
5.如權(quán)利要求1所述的激光器系統(tǒng)，其特征在于所述的固體激光器裝置是一種利用激光二極管做為泵浦源的固體激光器裝置，并利用發(fā)射的激光束與用于在不大于±50nm的波長范圍內(nèi)泵浦固體激光器的激光二極管的激光束具有相同波長的激光二極管做為聯(lián)合激光二極管。
6.如權(quán)利要求1所述的激光器系統(tǒng)，其特征在于聯(lián)合激光二極管的激光束發(fā)射模式是一種連續(xù)發(fā)射激光輸出的連續(xù)模式，發(fā)射的激光輸出相對于時間恒定，或是一種脈沖輸出模式，發(fā)出的激光輸出隨時間變化。
7.如權(quán)利要求1所述的激光器系統(tǒng)，其特征在于固體激光器裝置的激光激活介質(zhì)是一種單個的固體晶體，如Nd:YAG、Yb:YAG或Nd:YVO4、單個固體晶體的組合或是陶瓷晶體。
全文摘要
將激光器系統(tǒng)構(gòu)造成通過二色分束器合并由固體激光器裝置發(fā)出的固體激光束和由振蕩波長范圍短于固體激光束的激光二極管發(fā)出的激光二極管光束，所得的光束在空間中被導向光纖，并且用合并的LD光束和固體激光束以彼此幾乎匹配的光束絕對輻射位置和輻射形狀輻射工件。由此可以解決激光器系統(tǒng)由于較低的能量轉(zhuǎn)換效率所致的高成本和高功耗的問題，而較低的能量轉(zhuǎn)換效率在高輸出、高亮度固體激光器裝置是個問題。
文檔編號H01S3/23GK1572050SQ0282062
公開日2005年1月26日 申請日期2002年2月18日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月16日
發(fā)明者家久信明 申請人:株式會社片岡制作所