一种高功率激光切割机的制作方法

本发明涉及激光切割技术领域，特别是涉及一种高功率激光切割机。

背景技术：

激光切割机是一种利用激光切割技术进行切割的设备，通过将激光器发射出的激光束经光路系统聚焦成高功率密度的激光束，并照射在工件表面，使工件达到熔点或沸点，从而达到切割和雕刻目的；由于激光切割机具有切割精度高、切割速度快、热变形和热影响区小、并且操作简便、自动化程度高等优点，被广泛应用于汽车制造、航空、化工、轻工、电器电子、石油、冶金等领域；同时，随着各领域技术的高速发展，对激光切割机也提出了更高的要求，传统的低功率激光切割机已逐渐不能满足市场需求，对万瓦级高功率激光切割机的研究具有重要意义。

激光切割机的功率要突破万瓦级，首先要实现可靠稳定的光源技术，当前常用的激光光源按其激活物质的不同可以分为固体激光源、气体激光源、液体激光源和半导体激光源等类型，其中，半导体激光源以其高转化效率、大功率输出、宽波长范围等优点被广泛应用，当前主要通过对高功率半导体激光器进行光纤合束，从而实现万瓦级的激光输出；同时，尽管半导体激光器的光学转换效率相对其他激光器较高，但随着半导体激光器功率的不断增加，大量未能转化为光能的能量主要以热能形式输出，从而产生大量废热，引起半导体激光器中结温的升高，进而导致输出的激光波长发生漂移、稳定性变差，并严重影响激光器的寿命；因此，为了保障高功率激光切割机的正常运行，必须有效控制激光器的工作温度，与现有技术中通过改进散热系统来提高散热效果相比，通过增加激光器的光学转换效率，从而从源头上减少热量的产生具有更重要的意义。

当前，增加激光器光学转换效率主要是通过单独调整激光器的内部封装结构来降低激光器的内部损耗，但当激光器在高功率激光切割机中使用时，由激光器发出的激光要经过多次反射才进入激光切割头中，该过程中同样会产生光的吸收和散射等损耗，从而降低高功率激光切割机整体的光学转换效率、增加激光切割机内部的工作温度，并影响激光切割机的加工效果。

技术实现要素：

基于现有技术中高功率激光切割机内激光加工装置的光损耗较大、光学转换效率较低的问题，本发明提供了一种高功率激光切割机，通过将激光反射装置设于激光切割头正上方，使产生的激光不经反射直接导入激光切割头中，避免激光在多级反射过程中产生损耗；并通过制备半导体激光器，优化激光器的外延结构，提高半导体激光器内部的光学转换效率，从而获得一种发热较低、光学转换效率高的高功率激光切割机。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种高功率激光切割机，包括控制台、工作台、线缆、固定支架、激光发射装置和激光切割头；所述控制台和工作台通过线缆相连接；所述工作台底部设有底座，两侧分别设有两条纵向移动滑轨，所述固定支架两端通过纵向移动滑轨与工作台相连接；所述固定支架上端设有一条横向移动滑轨，所述激光发射装置通过横向移动滑轨与固定支架相连接；所述激光切割头固定于激光发射装置正下方。

进一步地，所述激光发射装置由半导体激光器、传输光纤、光纤合束器、第一光栅、双包层光纤、第二光栅和激光输出头组成；所述半导体激光器数量为多个，每个所述半导体激光器均通过传输光纤与光纤合束器的光束入口端相熔接，所述光纤合束器的出口端与第一光栅的一端相熔接，所述第一光栅的另一端与双包层光纤的一端相连接，所述双包层光纤的另一端与第二光栅的一端相熔接，所述第二光栅的另一端与激光输出头相熔接。

进一步地，所述半导体激光器包括负电极、衬底、下限制层、下波导层、量子肼有源层、上限制层、上波导层和正电极；所述衬底、下限制层、下波导层、量子肼有源层、上限制层和上波导层为由下至上依次采用金属有机物化学气相沉淀法生成；所述衬底的底部设有负电极，所述上波导层顶部设有正电极。

进一步地，所述负电极为ti-pt-au电极，所述衬底为n型gaas材料，所述下限制层为n型al0.2ga0.8as材料，所述下波导层为n型al0.1ga0.9as材料，所述量子肼有源层为ingaas材料，所述上限制层为p型al0.2ga0.8as材料，所述上波导层为p型al0.1ga0.9as材料，所述正电极为au电极。

进一步地，所述负电极的厚度为500nm，所述衬底的厚度为4μm，所述下限制层的厚度为1μm，所述下波导层的厚度为1.5μm，所述量子肼有源层的厚度为15nm，所述上限制层的厚度为1μm，所述上波导层的厚度为1.2μm，所述正电极的厚度为300nm。

进一步地，所述半导体激光器采用如下步骤制备而成：

（a）采用金属有机物化学气相沉淀法，在衬底上由下至上依次生成下限制层、下波导层、量子肼有源层、上限制层和上波导层；

（b）对衬底进行减薄处理，使衬底厚度减至4μm；

（c）采用溅射法在减薄后的衬底的底部制备ti-pt-au膜，作为负电极；

（d）采用电子束热蒸发法在上波导层上方镀au膜，作为正电极，即制得所述半导体激光器。

进一步地，所述半导体激光器的中心波长和所述双包层光纤的吸收波长一致，均为980nm。

进一步地，所述双包层光纤为双包层铥镱共掺光纤，所述双包层铥镱共掺光纤的纤芯中铥离子掺杂量为0.4%mol，镱离子掺杂量为3%mol；所述纤芯直径为15μm，内包层直径为150μm，外包层直径为300μm。

进一步地，所述第一光栅为高反射光栅，反射率为99%，中心波长为1.5μm；所述第一光栅通过相位掩模板刻写于双包层铥镱共掺光纤的纤芯区域。

进一步地，所述第二光栅为低反射光栅，反射率为60%，中心波长为1.6μm；所述第二光栅通过相位掩模板刻写于双包层铥镱共掺光纤的纤芯区域。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过优化半导体激光器的外延结构及改变激光发射装置和激光切割头之间的位置，降低了激光在产生和传输两方面的损耗，从而提高激光切割机的整体光学转换效率，从源头上降低了热量的产生，制得的高功率激光切割机发热较低、光学转换效率高；

2、本发明通过将激光反射装置设于激光切割头正上方，使产生的激光不用经过多级反射即可直接导入激光切割头中，作用于带切割物体上，降低了激光在传输过程的损耗，提高了高功率激光切割机的激光利用率；

3、本发明通过制备半导体激光器，优化激光器的外延结构，降低了波导层与量子肼有源层之间的能阶，并增加了限制层与波导层之间的带阶，从而阻碍了价带空穴或导带电子的漂移，提高电流的注入效率，进而提高半导体激光器的光学转换效率；

4、本发明通过使用光纤耦合技术对多个半导体激光器进行合束，从而提高发射激光的亮度和功率，实现激光切割机的高功率输出；且制得的高功率激光切割机结构简单紧凑、工作过程光学转换效率高、发热量较低，应用前景广泛。

附图说明

图1是本发明一种高功率激光切割机的结构示意图；

图2是本发明一种高功率激光切割机中激光发射装置的结构示意图；

图3是图2中半导体激光器的结构示意图；

图4是本发明实施例中电流与光学转换效率的关系曲线；

附图中各部件的标记如下：1、控制台；2、工作台；3、线缆；4、固定支架；5、激光发射装置；6、激光切割头；21、底座；22、纵向移动滑轨；41、横向移动滑轨；51、半导体激光器；52、传输光纤；53、光纤合束器；54、第一光栅；55、双包层光纤；56、第二光栅；57、激光输出头；511、正电极；512、上波导层；513、上限制层；514、量子肼有源层；515、下波导层；516、下限制层；517、衬底；518、负电极。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。

实施例

如图1所示，本发明提供了一种高功率激光切割机，包括控制台1、工作台2、线缆3、固定支架4、激光发射装置5和激光切割头6；所述控制台1和工作台2通过线缆3相连接；所述工作台2底部设有底座21，两侧分别设有两条纵向移动滑轨22，所述固定支架4两端通过纵向移动滑轨22与工作台2相连接；所述固定支架4上端设有一条横向移动滑轨41，所述激光发射装置5通过横向移动滑轨41与固定支架4相连接；所述激光切割头6固定于激光发射装置5的正下方。

图2所示为所述激光发射装置5的结构示意图，由图2可以看出，所述激光发射装置5由半导体激光器51、传输光纤52、光纤合束器53、第一光栅54、双包层光纤55、第二光栅56和激光输出头57组成；本实施例中所述半导体激光器51数量为4个，这4个所述半导体激光器51均通过传输光纤52与光纤合束器53的光束入口端相熔接，所述光纤合束器53的出口端与第一光栅54的一端相熔接，所述第一光栅54的另一端与双包层光纤55的一端相连接，所述双包层光纤55的另一端与第二光栅56的一端相熔接，所述第二光栅56的另一端与激光输出头57相熔接。

图3所示为所述半导体激光器51的结构示意图，由图3可以看出，所述半导体激光器51包括负电极518、衬底517、下限制层516、下波导层515、量子肼有源层514、上限制层513、上波导层512和正电极511；所述衬底517、下限制层516、下波导层515、量子肼有源层514、上限制层513和上波导层512为由下至上依次采用金属有机物化学气相沉淀法生成；所述衬底517的底部设有负电极518，所述上波导层512顶部设有正电极511。

所述负电极518为ti-pt-au电极，厚度为500nm；所述衬底517为n型gaas材料，其电阻较低，有利于电子的注入，所述衬底517的厚度为4μm；所述下限制层516为n型al0.2ga0.8as材料，用于限制激光向衬底517的扩散，从而减小激光的损耗，提高光学转换效率，所述下限制层516的厚度为1μm；所述下波导层515为n型al0.1ga0.9as材料，用于增强对激光场的限制，减小光束的发散和对激光的吸收损耗，所述下波导层515的厚度为1.5μm；所述量子肼有源层514为ingaas材料，用于提供足够的光增益，所述量子肼有源层514的厚度为15nm；所述上限制层513为p型al0.2ga0.8as材料，用于阻碍电子的漂移，并限制光场横摸的扩展，从而降低阈值电流和激光的损耗，提高光学转换效率，所述上限值层513的厚度为1μm；所述上波导层512为p型al0.1ga0.9as材料，用于增强对激光场的限制，减小光束的发散和对激光的吸收损耗，所述上波导层512的厚度为1.2μm；所述正电极511为au电极，厚度为300nm。

所述半导体激光器51采用如下步骤制备而成：

（a）采用金属有机物化学气相沉淀法，在衬底517上由下至上依次生成下限制层516、下波导层515、量子肼有源层514、上限制层513和上波导层512；

（b）对衬底517进行减薄处理，使衬底517厚度减至4μm；

（c）采用溅射法在减薄后的衬底517的底部制备ti-pt-au膜，作为负电极518；

（d）采用电子束热蒸发法在上波导层512上方镀au膜，作为正电极511，即制得所述半导体激光器51。

所述半导体激光器51的中心波长和所述双包层光纤55的吸收波长一致，均为980nm；所述双包层光纤55为双包层铥镱共掺光纤，所述双包层铥镱共掺光纤的纤芯中铥离子掺杂量为0.4%mol，镱离子掺杂量为3%mol；所述纤芯直径为15μm，内包层直径为150μm，外包层直径为300μm。

所述第一光栅54为高反射光栅，反射率为99%，中心波长为1.5μm；所述第一光栅54通过相位掩模板刻写于双包层铥镱共掺光纤的纤芯区域；所述第二光栅56为低反射光栅，反射率为60%，中心波长为1.6μm；所述第二光栅56通过相位掩模板刻写于双包层铥镱共掺光纤的纤芯区域。

因此，当本实施例提供的一种高功率激光切割机开始使用时，通过控制台1控制固定支架4沿纵向移动滑轨22滑动，并控制激光发射装置5沿横向移动滑轨41滑动，从而实现激光切割头6在平面内的运动，便于对样品的不同位置进行切割；同时，当需要对样品进行切割时，通过控制台对激光发射装置5输入电流，激发激光发射装置5中的四个半导体激光器51，被激发的四个半导体激光器51发出激光，四束激光分别通过4条传输光纤52进入合束器53，在合束器53内合为一束激光，再依次经过第一光栅54、双包层光纤55和第二光栅56，之后从激光输出头57输出，并直接进入位于激光发射装置5正下方的激光切割头6中，从而对样品进行切割。

对本实施例提供的一种高功率激光切割机的激光发射装置的光学转换效率进行测试，得到电流与光学转换效率的曲线如图4所示，由图4可以看出，随着输入电流的增加，所述激光发射装置的光光转换效率前期变化不大，当输入电流大于30a时开始呈现降低趋势，而所述激光发射装置的电光转换效率则随输入电流的增加呈现先升高后降低的趋势；综合激光发射装置的光光转换效率和电光转换效率可以看出，当输入电流为25a时，光光转换效率达到87.3%，电光转换效率达到59.7%，表明本实施例提供的一种高功率激光切割机的光学转换效率较高，能够满足实际应用的需求，具有较好的应用前景。

以上所述仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。