基于多个光纤输出激光模块的匀光光学系统及加工头的制作方法

本实用新型属于激光技术领域，涉及一种激光加工光学系统及利用该光学系统的激光加工头，特别是一种基于多个光纤输出激光模块的匀光光学系统及加工头，可广泛应用于激光产业中。

背景技术：

激光应用的许多领域，都需要均匀的激光光斑以保证激光处理的效果。像激光热处理、激光熔覆、激光焊接及激光医疗等诸多领域，都需要各种形状的均匀光斑。目前，光斑匀化激光系统可以分成两大类，一类是将半导体激光阵列激光器输出的光直接进行匀化的激光系统，另一类是将激光器输出的光先耦合到光纤中，之后再在光纤输出端对用光学系统对激光光斑进行匀化的激光系统。第二类系统由于采用光纤进行光的传输，这时激光器与激光加工头是分离的，用光纤连接，匀光系统加工头通常比激光器小的多，因而能提供更大的便利性，在市场上更受用户的欢迎。针对这种系统，目前学术界已有多种解决方案，包括：基于微透镜阵列的匀光方案(基于微透镜阵列的激光扩束匀光器cn201410225708.7)；基于菲涅尔透镜的匀光方案(一种多焦点光斑能量均匀化菲涅尔透镜cn201410499782.8)；基于二元光学元件的匀光方案(有产品)；反射式积分镜匀光方案(激光表面改性常用激光器及常用匀光变换系统，长春大学学报2015年地10期)；组合镜分割叠加变换系统(激光表面改性常用激光器及常用匀光变换系统，长春大学学报2015年地10期)等。

在上述第二类激光匀光方法中，都是采用一个激光器，通过光学系统来进行光束整形和匀光。而在现实中，大功率激光器都是由多个小激光模块通过合束器合束后组成的，因而，目前的匀光激光加工系统实际的实现路径是：1、采用小功率激光模块由光合束器组成光纤输出的大功率激光器；2、通过光学系统将光纤输出的激光进行整形和匀化。在这种技术方案中，大功率合束器是一个制造难度极高且非常昂贵的器件，可靠性也低，因为功率越大，局部损耗光的处理越难，器件很容易烧毁。此外，发功率激光器单位功率的价格通常为组成它的小功率模块单位功率价格的2倍左右。而匀光光学系统都是通过对激光的高斯光束波面进行分割和重新组合来实现光斑整形和匀化，这些方法或者光能损失较大或者光斑均匀性不高。目前商业的激光系统通常采用微透镜整列和二元光学器件进行匀光，但能承受大功率的微透镜阵列和二元光学器件制造困难，价格昂贵。最后，当一个激光系统设计好后，它的光斑结构就确定了，光斑的分布区域无法改变，光斑分布区域内的光功率分布也无法改变，难以适应实际应用中千变万化激光加工工艺要求。

技术实现要素：

为了解决现有上述第二类激光匀光技术中存在问题，本实用新型的目的是提供基于多个光纤输出激光模块的匀光光学系统及加工头，其技术路线是采用多个小功率的激光模块，直接通过光学系统进行整形和匀光，避免了采用大功率激光器，因而回避了现有技术中的合束器的问题，降低了成本，提高了可靠性。同时，本实用新型提供的技术方案采用常规光学元件，避免使用昂贵的特种光学元件，可以进一步降低系统的成本和改善匀光效果。最后，通过对诸模块的独立控制，可以实时对光斑结构进行控制，带来极大的灵活性。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种基于多个光纤输出激光模块的匀光光学系统，其特征在于，包括多个光纤输出激光模块、成像透镜和分光部件；所述多个光纤输出激光模块的光纤输出端面按一定规律在一个平面中排列；所述成像透镜包括至少一片透镜，位于激光模块的光纤输出端面发光方向的输出光路上；所述分光部件包括至少一个空间角度或位置分光器件，这些分光器件各自独立的或者位于成像透镜之前，或者位于成像透镜之后，或者位于成像透镜诸透镜之间；所述成像透镜和分光部件构成一个一对多点的成像系统，使激光模块输出光纤端面在成像透镜的像面上形成多组像，这些像组合形成均匀的光斑。

所述分光部件为偏振分光器件，或者为空间波面分光器件，或者是偏振分光器件和空间波面分光器件的组合。

所述偏振分光器件是将o光(正常光)和e光(异常光)分束并产生相对位移的平行平板晶体位移片，或者是将o光(正常光)和e光(异常光)分束并产生相对角位移的晶体楔形片。

所述空间波面分光器件是产生光束相对偏转的空间排列的光楔，或者是产生光束相对偏转的空间排列的多个反射镜。

所述多个光纤输出模块的输出光纤纤芯截面是圆形的，或者是矩形的。

所述分光部件在一维方向上形成相对位移的分光。

所述光学分光部件在两个正交的方向上同时形成相对位移的分光。

所述诸光纤输出激光模块发光的相对持续时间是相同的，或者是不同的；各光纤输出激光模块发光的相对持续时间内的功率是相同的，或者是不同的；诸光纤输出激光模块发光的相对持续时间是同步的，或者是不同步的；形成光斑形状随时间变化的光斑结构，满足不同激光加工对光斑的要求。

进一步的，所述一种匀光光学系统的激光加工头，包括多个光纤输出激光模块、成像透镜和分光部件组成的一对多点光学成像系统、光纤支架、一对多点光学成像系统支撑部件及管状壳体；所述多个光纤输出激光模块的输出光纤固定在光纤支架上并使其输出端面在一个平面内按一定规律排列；所述一对多点成像系统固定在所述一对多点成像系统支撑部件上；所述光纤支架固定在所述管状壳体内部靠近一端，并使光纤输出端面面向所述管状壳体的另一端；所述一对多点成像系统支撑部件设置在所述管状壳体的内部；固定在所述光纤支架上的光纤输出激光模块的输出光纤端面发出的光通过固定在一对多点成像系统支撑部件上的一对多点成像系统后从所述管状壳体的另一端输出产生的匀光激光光斑。

与现有技术相比，本实用新型至少具有以下有益效果：首先，本实用新型通过采用小功率的光纤输出激光模块回避了大功率光纤输出激光系统的激光合束问题，大幅降低激光光源的成本，并提高系统可靠性；同时，本实用新型的激光匀光系统构成采用的是常用光学元件，避免了昂贵特种光学元件的使用，进一步降低系统了成本；第三、匀光效果有所提升；第四，可以提供随时间变化的光斑，为激光加工提供灵活性。

附图说明

图1为本实用新型提出的基于多个光纤输出激光模块的匀光光学系统的原理性结构示意图。

图2a为本实用新型提出的第一种分光部件的结构示意图，它是产生相对位移的平行平板晶体位移片。

图2b为本实用新型提出的第二种分光部件的结构示意图，它是产生相对角位移的晶体楔形片。

图3a为本实用新型提出的第三种分光部件的结构示意图，它是产生光束相对偏转的光楔。

图3b为本实用新型提出的第四种分光部件的结构示意图，它是产生光束相对偏转的空间排列的多个反射镜。

图4a为基于本实用新型提出的基于多个光纤输出激光模块的匀光光学系统方案的一种实施方案的结构示意图。

图4b为图4a所示实施例中光纤端面分布的示意图。

图4c为图4a所示实施例中光斑分布的示意图。

图5a为基于本实用新型提出的基于多个光纤输出激光模块的匀光光学系统方案的第二种实施方案的结构示意图。

图5b为图5a所示实施例中光纤端面分布的示意图。

图5c为图5a所示实施例中光斑分布的示意图。

图6a为基于本实用新型提出的基于多个光纤输出激光模块的匀光光学系统方案的第三种实施方案的结构示意图。

图6b为图6a所示实施例中光纤端面分布的示意图。

图6c为图6a所示实施例中成像透镜成像的光斑分布的示意图。

图7为利用本实用新型提出的基于多个光纤输出激光模块的匀光光学系统的激光加工头的结构示意图。

其中：m1、m2、…、mn分别表示光纤输出模块；ob和i分别表示光纤输出激光模块的输出光纤端面所在的物面和其对应的共轭像面；m11、…、m1m分别表示一对多点成像系统对光纤输出激光模块输出光纤端面成的多个像；bs表示光学分光系统，1→mim表示一对多点成像系统；pbs1、pbs2分别表示晶体分光器件；bs1表示光楔分光器件；rbs1和rbs2分别表示反射式分光器件；l表示成像透镜，l1表示准直透镜，l2表示聚焦透镜；gxj表示光纤支架；1→mzj表示一对多点成像系统支撑部件；gzk表示管状壳。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本实用新型提出的基于多个光纤输出激光模块的匀光光学系统及利用该系统的激光加工头。

图1为本实用新型提出的基于多个光纤输出激光模块的匀光光学系统的原理性结构示意图，n个光纤输出模块：m1、m2、…、mn的输出光纤的端面按一定规律分布在物面ob上，它们发出的光由成像透镜和分光部件构成的1对m(多)点成像系统1→mim成像在物面ob的共轭像面i上，在像面i上形成的共n×m个光纤端面的像。图中，m11、…、m1m分别表示一对多点成像系统1→mim对光纤输出激光模块m1的输出光纤端面成的多个像。利用该系统，可以根据设计要求形成所需形状和均匀度的光场分布，以满足不同的加工要求。

在图1所示的基于多个光纤输出激光模块的匀光光学系统中，光学分光部件和光学成像透镜各由一个或多个元件组成，其组合关系根据需要可以是各自元件组成一个整体，也可以是各自元件交互在一起，设置顺序也是根据需要灵活设置的。

在图1所示的基于多个光纤输出激光模块的匀光光学系统中，光学分光部件可以采用偏振分光的方法实现，这种分光可以是空间平行位移分光，也可以是空间角位移分光。图2a给出了一种平行位移实现结构，是一种采用单轴晶体的平行平板晶体位移片，晶体光轴与平板晶体表面成一定的夹角，当光通过该晶片时，光束被分成正常光(o)和异常光(e)，它们之间在光轴与表面法线确定的平面内形成相对横向位移，位移量由晶体的两种折射率、厚度及光轴与表面法线夹角决定。图2b给出了一种角位移实现结构，是一种采用单轴晶体的晶体楔形片，晶体光轴与楔形片的一个表面平行，当光通过该晶片时，光束被分成正常光(o)和异常光(e)，由于o光和e光的折射率不同，各自光楔产生的偏转角不同，在o光和e光间产生一定的角分离。角位移量由晶体的两种折射率及楔角决定。

在图1所示的基于多个光纤输出激光模块的匀光光学系统中，光学分光部件可以采用空间方法实现，即在光束的传输空间中，在传输截面的不同位置上进行空间角偏转分光。图3a给出了实现空间角偏转分光的基本元件光楔的示意图，当在光束传输截面的不同位置插入不同楔角的光楔时，就可以实现角位移分光。图3b给出了由2反射镜组实现的角分光结构，当两个反射镜间有夹角时，就实现偏转分光。

在图1所示的基于多个光纤输出激光模块的匀光光学系统中，光纤输出模块的输出光纤的芯的截面的形状可以多种多样，可以是常用的圆形，也可以是矩形的。

在图1所示的基于多个光纤输出激光模块的匀光光学系统中，光学分光部件可以在一维方向上形成相对位移的分光；也可以在两个正交的方向上同时形成相对位移的分光。

在图1所示的基于多个光纤输出激光模块的匀光光学系统中，诸光纤输出激光模块可以独立控制，激光模块可以是连续光激光器，也可以是准连续光激光器，还可以是脉冲光激光器，即发光的相对持续时间可以是相同的，也可以是不同的；各光纤输出激光模块发光的相对持续时间内的功率可以是相同的，也可以是不同的；诸光纤输出激光模块发光的相对持续时间可以是同步的，也可以是不同步的；形成光斑形状随时间变化的光斑结构，满足不同激光加工对光斑的要求。

图4a为基于本实用新型提出的基于多个光纤输出激光模块的匀光光学系统的一个实施例，多个光纤输出模块的输出光纤的端面分布在物面ob上，某个输出光纤端面上a点发出的光通过偏振分光器件pbs1后被分成正常光o光和异常光e光，这两束光相对横向位移，相当于形成了a和a’两个像，通过成像透镜后在共轭像面上形成2个像点ai1和ai2。显然，该系统将多个光纤输出模块的输出光纤的端面在像面上形成了2组相互横向错位的像，他们共同组成了像面上的光分布。

在该实施例中：光纤输出模块的输出光纤芯的横截面为方形，所有端面按一个方向以2倍方形光纤芯的边长间距排成直线，如图4b所示。偏振分光器件pbs1是一平行平板晶体位移片，将光纤输出模块的输出光纤端面分成o光和e光两组相对横向位移的像，其横向位移量等于方形光纤芯的边长，且位移方向与光纤排列方向相同，通过透镜后，这两种像形成图4c所示的条形均匀光分布。这种光分布可被应用于激光热处理和激光熔覆加工中。

在我们的一个实际设计中，共采用20根光纤，输出光纤的方形芯的边长为100微米，光纤排列间距为200微米，形成了一个长宽比40：1的条状光斑，采用不同放大倍率的镜头，就可以形成不同尺寸的激光光斑。

在我们的一个实际设计中，上述20根光纤构成的激光系统中的最边缘的两根光纤的输出功率比中间其它光纤的输出功率大20％，该肩部升高的条状能量分布结构，可以补偿边缘热导对激光加工的影响，提供更均匀的处理效果。

在我们的一个实际设计中，上述20根光纤构成的激光系统中各模块的输出功率独立控制，可以对宽度变化的区域进行激光加工。

图5a为基于本实用新型提出的基于多个光纤输出激光模块的匀光光学系统的第二个实施例，多个光纤输出模块的输出光纤的端面分布在物面ob上，某个输出光纤端面上a点发出的光通过偏振分光器件pbs2后被分成正常光o光和异常光e光，这两束光相对角向位移，相当于形成了a’和a”两个像，在通过成像透镜后，被设置在光传输截面上且占有50％截面的bs1进一步在共轭像面i上形成4个像点ao1、ao2、ae1和ae2。显然，该系统将多个光纤输出模块的输出光纤的端面在像面上形成了4组相互横向错位的像，他们共同组成了像面上的光分布。

在图5a所示的实施例中：光纤输出模块的输出光纤芯的横截面为圆形，直径为125微米，所有端面按一个方向按间距125微米排成直线，如图5b所示。偏振分光器件pbs1是一晶体楔形片，它将光纤端面形成o光和e光两个由一定角位移的像，像的间距由位移角和pbs2到物面的距离决定，在本实施例中，该间距为光纤间距的四分之一，即31.25微米，其位移方向与光纤端面排列方向相同；通过透镜后，光束又被分光镜bs1分成两组，该分光镜为一光楔，占据光束截面一半的区域，在像面上形成两组有一定位移的像，这两组像之间的距离，由该光楔的偏转角和光楔到像面的距离决定，在本实施例中，位移量为62.5微米乘以成像系统的放大倍率，且位移方向与光纤端面分布方向相同，这就在共轭像面上形成了4组光纤端面的像，他们叠加后形成图5c所示的条形均匀光分布。这种光分布可以被应用于激光热处理和激光熔覆加工中。

图6a为基于本实用新型提出的基于多个光纤输出激光模块的匀光光学系统的第三个实施例，成像透镜由准直透镜l1和聚焦透镜l2组成，多个光纤输出模块的输出光纤的端面分布在准直透镜的前焦面ob上。某个输出光纤端面上a点发出的光通过偏振分光器件pbs1后被分成正常光o光和异常光e光，这两束光相对角向位移，相当于形成了a’和a”两个像，这两个像在垂直纸面的方向上分离。在通过准直透镜后，被设置在光传输截面上且各占有50％截面的具有一定夹角的反射镜rbs1和rbs2在空间分成两束有一定夹角的光，他们经过聚焦透镜后，在聚焦透镜后焦面i上形成4个像点ao1、ao2、ae1和ae2。反射镜rbs1和rbs2在平行于纸面方向上形成像的分离。显然，该系统的分光系统在两个垂直的方向分光，将多个光纤输出模块的输出光纤的端面在像面上形成了4组相互横向错位的像，他们共同组成了像面上的光分布。

在图6a所示的实施例中：光纤输出模块的输出光纤芯的横截面为方形，6根光纤端面在物面呈两维分别，如图6b所示，其中4根光纤两维分布排成方形，间距为光纤芯的横截面的边长，另外两根在上4根光纤下方3倍光纤芯边长的地方，它们之间为3倍芯边长。偏振分光器件pbs1是一晶体楔形片，它将光纤端面形成o光和e光两个由一定角位移的像，像的间距由位移角和pbs1到物面的距离决定，在本实施例中，该间距与方形光纤的芯的边长相同，其位移方向与方形光纤的芯的一个边平行；通过透镜后，光束又被设置在光传输截面上且各占有50％截面的具有一定夹角的反射镜rbs1和rbs2进一步在共轭像面i上分成两组，在像面上形成两组有一定位移的像，这两组像之间的距离，由反射镜形成的相对偏转角和它们到像面的距离决定，在本实施例中，位移量为方形光纤芯的边长，且位移方向与pbs1产生的方向垂直，这就在共轭像面上形成了4组光纤端面的像，他们叠加后形成图6c所示的分布在3个区域的均匀光分布。这种光分布被广泛应用于激光焊接加工中。

在我们的一个实际设计中，上述激光系统中各模块的输出功率独立控制，可以通过控制主光斑和两个辅助光斑的相对功率，满足不同工艺条件下激光加工的要求。所用激光模块可以是连续光模块，也可以是脉冲光模块。

图7为利用本实用新型提出的基于多个光纤输出激光模块的匀光光学系统的激光加工头的结构示意图。n个光纤输出模块：m1、m2、…、mn的输出光纤的端面按一定规律固定在光纤支架gxj上；光纤支架gxj被固定在管状壳体gzk的一端；由成像透镜和分光镜组成的一对多点成像系统1→mim被固定在一对多点成像系统支撑部件1→mzj上；一对多点成像系统支撑部件1→mzj被设置在管状壳体gzk内部。固定在光纤支架上的光纤输出激光模块的输出光纤端面发出的光通过固定在一对多点成像系统支撑部件1→mzj上的一对多点成像系统1→mim后从管状壳体gzk的另一端输出，所产生的匀光激光光斑用于激光加工。

本实用新型提出的基于多个光纤输出激光模块的匀光光学系统，采用多个小功率激光模块作为光源，避免了采用大功率激光器中需要的激光合束问题，降低了系统成本，系统的可靠性更高。此外，采用传统成像和分光部件构造匀光系统，进一步降低了系统的成本。最后，可以对光斑结构进行实时操控，灵活适应不同的激光加工工艺要求。利用该光学系统设计的激光加工头，可以被用在激光热处理、激光熔覆和激光焊接等领域中。