专利名称：一种双光束耦合装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及耦合聚焦两束不同波长激光的装置，尤其涉及用于利用两束不同波长的激光束进行焊接加工的双光束耦合装置。
背景技术：
近十年，激光已被广泛应用到工业生产中，尤其是用于金属的焊接、切割、打孔、标记以及表面处理等方面。在生产中，激光焊接技术正变得越来越重要，这主要得益于激光焊接所能获得的高精度、高加工速率，和对工件产生较低热应力以及所能达到的自动化程度。 激光焊接技术正逐步取代传统的焊接技术，尤其在生产加工高附加值产品的时候，激光焊接技术是传统焊接技术所无法媲美的。
当前的激光焊接系统最广泛使用的激光光源一般有两种。第一种是气体激光器，即二氧化碳(CO2)激光器，其激光波长是10. 6微米。第二种是固体激光器，即 Nd: YAG (Nd = Y3Al5O12，掺钕钇铝石榴石)激光器，其激光波长是1. 064微米。Nd:YAG激光器的工作介质是掺杂少量稀土元素Nd(钕)的YAG晶体棒。Nd:YAG激光器可以连续振荡，也可以利用Q开关产生巨脉冲振荡，也可以产生脉冲宽度为100微秒以上(一般为1 10毫秒)的长脉冲。
在激光焊接应用中，激光束与待焊接材料的光学耦合特性是相当重要的。如果光学耦合特性不好，材料对该激光波长的反射率高，则材料对该激光的吸收效率低，无法高效地吸收该激光，因此很难获得一个很好的焊接效果。在室温下，金、银、铜等金属对二氧化碳激光和Nd:YAG激光的吸收效率特别低，采用单波长的二氧化碳激光或Nd:YAG激光焊接加工金、银、铜等金属无法获得很好的效果。相比之下，在室温下，金、银、铜等金属对Nd:YAG 激光的倍频激光(波长为532纳米)却非常高，其吸收系数是Nd:YAG激光的5 10倍。
有两个普遍的规律第一，对同一种材料，激光的波长越长，材料对激光的吸收系数越低；激光波长越短，材料对激光的吸收系数越高。第二，金属的温度越高，对激光的吸收效率越高。因此，焊接加工金、银、铜等金属的时候，可以先用Nd:YAG激光的倍频激光对金、 银、铜等金属进行预热，将工件加热到该金属的熔点附近，紧接着施加一束Nd:YAG激光，完成最后的焊接工作。
光学玻璃对Nd: YAG激光(波长为1. 064微米)和Nd: YAG激光的倍频激光(波长为532纳米)的折射率是不一样的，用单片光学玻璃来聚焦这两束激光会产生色差，即，该两束激光的聚焦焦点不在同一个地方。即使使用消色差的组合透镜来耦合聚焦，该两束激光的聚焦位置的距离有所减少，但仍然不在同一个地方上。金、银、铜等金属价格昂贵，采用消色差组合透镜来耦合聚焦Nd YAG激光及其倍频激光，无法获得比较好的焊接效果。发明内容
本发明针对焊接金、银、铜等具有高反射系数的金属和合金存在的问题，提供了一种双光束耦合装置。该耦合装置方便地把NchYAG激光(波长为1. 064微米)和Nd: YAG的倍频激光(波长为532纳米)耦合聚焦到同一个位置上，可以很好地焊接加工具有高反射系数的金属和合金，从而提高生产效率和质量。
本发明采取的技术方案是，一种双光束耦合装置，包括准直系统，用于准直 Nd:YAG激光，使准直后的激光束形成一束平行光；第一 45度反射镜，用于反射和改变 Nd:YAG激光的传输方向；扩束系统，用于扩束Nd:YAG的倍频激光，得到不同发散角的光束； 第二 45度反射镜，用于通过Nd:YAG激光和反射以及改变Nd:YAG的倍频激光的传输方向； 聚焦系统，用于耦合聚焦Nd: YAG激光和Nd: YAG的倍频激光，使这两束激光聚焦在同一个位置。
本发明有益效果在于，Nd: YAG激光与铜、银和金等具有高反射系数金属的光学耦合特性是极差的；但是，Nd:YAG的倍频激光与铜、银和金的光学耦合特性是相当高的。禾IJ用这两束激光来焊接，Nd:YAG的倍频激光先将待加工工件加热到工件的熔点附近，然后再利用Nd: YAG激光完成最后的焊接工作，从而克服了采用单一 Nd: YAG激光焊接加工所产生的困难，并且大大地提高了焊接效率和焊接质量。
图1是依照本发明一个实施例，耦合聚焦两束不同波长激光的装置简化示意图
图2是耦合两束不同波长激光并采用消色差组合透镜聚焦的装置简化示意图
图3a、图北是本实施例中，从光纤耦合输出的激光经光学玻璃准直或扩束的装置简化示意图
图4a、图4b是本实施例中，普通固体激光经光学玻璃准直或扩束的装置简化示意图具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式
作进一步详细地描述。
图1是依照本发明一个实施例，耦合聚焦两束不同波长激光的装置简化示意图。 该耦合装置包括准直系统11，将Nd: YAG激光束1准直成几乎平行的激光束；第一 45度反射镜12，用于小损耗地反射Nd: YAG激光束1，使其传输方向转变90度；扩束系统13，将 Nd: YAG的倍频激光束2扩束成具有一定发散角的光束；第二 45度反射镜14，用于小损耗地通过Nd YAG激光束1，并且小损耗地反射Nd YAG的倍频激光束2，使Nd YAG的倍频激光束 2传输方向转变90度；聚焦系统15，用于耦合聚焦Nd:YAG激光束1和Nd:YAG的倍频激光束2，使这两束激光聚焦在待加工工件16的同一个位置上。
为了小损耗地传输激光，要求准直系统11的光学玻璃上镀有对Nd:YAG激光束1 高透的介质膜；扩束系统13的光学玻璃上镀有对Nd:YAG的倍频激光束2高透的介质膜；第一45度反射镜12的反射面上镀有对Nd: YAG激光束1 (入射角为45度)高反的介质膜；第二45度反射镜14的镜面上镀有对Nd: YAG激光束1 (入射角为45度)高透和对Nd: YAG的倍频激光束2 (入射角为45度)高反的介质膜。聚焦系统15的光学玻璃的两个表面上镀有对Nd: YAG激光束1高透和Nd: YAG的倍频激光束2高透的介质膜。
在本实施例中，激光束1是波长为1. 064微米的Nd:YAG激光，激光束2是波长为 532纳米的Nd: YAG的倍频激光。通过改变扩束系统13内光学玻璃的相对位置，将激光束2扩束成具有一定发散角的光束，使其经聚焦系统聚焦后的焦点位置和激光束1的焦点位置相同。具有激光技术的人员可以轻易的对调激光束1和激光束2，并且改变准直系统11、扩束系统13、第一 45度反射镜12和第二 45度反射镜14上的光学镀膜，从而达到相同的耦合聚焦作用。同样地，改变激光束1和激光束2的波长，以及改变准直系统11、扩束系统13、 第一 45度反射镜12、第二 45度反射镜14和聚焦系统15上的光学镀膜，也可以轻易地实现耦合聚焦两束不同波长激光的目的。图1所讲述的是耦合两束不同波长激光的原理，不应以此限制本发明的保护范围。
图2是耦合两束不同波长激光并采用消色差组合透镜聚焦的装置简化示意图。激光束1经准直系统11准直后变成几乎平行的激光束，经第一 45度反射镜12反射后再通过第二 45度反射镜14，最后被消色差组合透镜21聚焦到工件16上。激光束2经准直系统 13准直后变成几乎平行的激光束，经第二 45度反射镜14反射，最后被消色差组合透镜21 聚焦到工件16上。虽然使用了消色差组合透镜，激光束1和激光束2经消色差组合透镜21 聚焦后的两个焦点之间的距离被大大地减小了，但仍然存在焦距差Δ ·。在需要精密加工和加工昂贵的金、银、铜等金属的时候，该焦距差仍然无法满足加工的要求。要将焦距差减少到零，必须增加组合透镜光学玻璃的数量，但这就大大地增加了成本。图1通过改变扩束系统13内光学玻璃的相对位置，将激光束2扩束成具有合适发散角的激光束，经单片的聚焦透镜耦合聚焦，其焦点位置与激光束1的焦点位置相同，达到了聚焦的要求，并降低了成本。
图3a、图北是本实施例中，从光纤耦合输出的激光经光学玻璃准直或扩束的装置简化示意图。在图3a中，激光经光纤31耦合输出后，采用单片的光学玻璃32可以实现激光准直的目的，将激光准直成几乎平行的激光束。图北的扩束系统中，激光经光纤31耦合输出后，将单片光学玻璃32向光纤31移动，可以将激光扩束成具有一定发散角的目的。
图4a、图4b是本实施例中，普通固体激光经光学玻璃准直或扩束的装置简化示意图。在图如中，准直系统是由一个负透镜41和一个正透镜42组成的倒装的伽利略望远镜， 激光经过该准直系统后可以变成几乎平行的激光束。图4b的扩束系统中，将正透镜42向负透镜41移动，可以将激光扩束成具有一定发散角的目的。
针对不同的激光光源，在图1中的准直系统11可以采用图3&或如所示的准直系统；扩束系统13则可以采用图北或4b所示的扩束系统。权利要求
1.一种双光束耦合装置，其特征在于包括准直系统，用于准直Nd: YAG激光，使准直后的激光束形成一束平行光；第一 45度反射镜，用于反射和改变Nd:YAG激光的传输方向； 扩束系统，用于扩束Nd:YAG的倍频激光，得到不同发散角的光束；第二45度反射镜，用于通过Nd:YAG激光和反射以及改变Nd:YAG的倍频激光的传输方向；聚焦系统，用于耦合聚焦 Nd: YAG激光和Nd: YAG的倍频激光，使这两束激光聚焦在同一个位置。
2.根据权利要求1所述的双光束耦合装置，其特征在于所述的扩束系统通过移动系统内的光学玻璃改变该系统的扩束倍数，从而得到合适发散角的激光。
3.根据权利要求1所述的双光束耦合装置，其特征在于所述的准直系统准直的 Nd: YAG激光波长为1. 064微米。
4.根据权利要求1所述的双光束耦合装置，其特征在于所述扩束系统扩束Nd:YAG的倍频激光波长为532纳米。
5.根据权利要求1所述的双光束耦合装置，其特征在于所述的第一45度反射镜的反射面上镀有对Nd: YAG激光、入射角为45度的高反射介质膜。
6.根据权利要求1所述的双光束耦合装置，其特征在于所述的第二45度反射镜的镜面上镀有对Nd: YAG激光、入射角为45度高透和对Nd: YAG的倍频激光、入射角为45度高反射的介质膜。
7.根据权利要求1所述的双光束耦合装置，其特征在于聚焦系统的光学玻璃的表面上镀有对Nd: YAG激光高透和Nd: YAG的倍频激光高透的介质膜。
8.根据权利要求1所述的双光束耦合装置，其特征在于准直系统的光学玻璃上镀有对Nd: YAG激光高透的介质膜。
9.根据权利要求1所述的双光束耦合装置，其特征在于扩束系统的光学玻璃上镀有对Nd: YAG的倍频激光高透的介质膜。
全文摘要
本发明公开了一种双光束耦合装置，准直系统，用于准直Nd:YAG激光，使准直后的激光束形成一束平行光；第一45度反射镜，用于反射和改变Nd:YAG激光的传输方向；扩束系统，用于扩束Nd:YAG的倍频激光，得到不同发散角的光束；第二45度反射镜，用于通过Nd:YAG激光和反射以及改变Nd:YAG的倍频激光的传输方向；聚焦系统，用于耦合聚焦Nd:YAG激光和Nd:YAG的倍频激光，使这两束激光聚焦在同一个位置。克服了采用单一Nd:YAG激光焊接加工所产生的困难，并且大大地提高了焊接效率和焊接质量。
文档编号G02B27/09GK102508362SQ201110362238
公开日2012年6月20日 申请日期2011年11月15日 优先权日2011年11月15日
发明者何林, 叶毅聪, 叶红 申请人:深圳市光大激光科技股份有限公司