光纤输出混光式雷射系统的制作方法

本技术是有关一种雷射光加工，尤指应用两种波长的雷射光源，透过光纤合束使输出光束为同轴并重合发光，且借由光学组件产生两个波长的聚焦点，改善雷射加工制程稳定性的一种光纤输出混光式雷射系统。

背景技术：

1、雷射光具有良好的指向性与集中性，且雷射加工没有刀具磨耗以及环境污染的问题，因此，以雷射进行金属焊接，是今日工业制造上的重要课题。但查，铜金银铝等高反射金属，在295k绝对温度时，对于各种波长的雷射光具有不同的表面吸收率，变化状态如图1所示；其中，铜材料(cu)对于波长约1060nm的近红外光(near-ir)雷射，其表面吸收率为5％，而铜材料(cu)对于波长约450nm的蓝光(blue)雷射，其表面吸收率可达65％。其次，图2所示，为应用红外光(ir)雷射加热铜材，材料温度相对于雷射功率的双稳态现象；其中，当铜材到达熔点，其融化温度(吸收率)将会增加5倍，此时必须很快减少红外光(ir)雷射的功率才能避免表面温度进入沸腾区域；此时表面虽有融池(液态金属)，但因雷射的功率变化，也有可能造成融池中断，因而影响焊接制程的稳定性。显然，若以红外光(ir)雷射进行铜材料的焊接，很容易造成融池中断、喷溅等质量不良的问题。

2、近几年来，国际上逐渐以蓝光雷射取代红外雷射进行铜片焊接的趋势；但蓝光雷射是由许多蓝光半导体雷射合束组成，功率越高需要合并的半导体雷射越多，其光束质量亦随之下降；例如500w级的蓝光雷射，其beam parameter product(bpp)已高达40mm xmrad，由于光束景深太小，无法进行厚度大于1mm的铜板焊接；一般雷射光束的质量状态可用光束参数乘积(bpp)来衡量，参阅图3所示，其中，bpp的数值由雷射光束发散角α与雷射光束最窄点半径r的乘积来取得；因此，bpp的数值不但可量化雷射光束的质量，同时也可以衡量雷射光束聚焦到一个小点的程度；由于半导体雷射在高功率状态下的bpp数值高达10以上，将使其光束的传播特性与变换特性受到限制。

3、基于前述问题，产业界也有应用数百瓦蓝光雷射与千瓦光纤雷射进行空间合束，但其成本高昂，且空间合束需要对光学镜片进行精密调整，因此具有稳定性不佳的缺点，其实用性受到业者质疑。

4、是以，发明人认知到若能应用蓝光雷射与光纤雷射二种不同波长的雷射光源，在降低雷射输出功率与bpp数值的情况下，使合并的雷射光束聚焦在焊接区，应可进一步改善铜焊接的制程稳定性；但，如何达成该项方案的效益便成为发明人所要积极思考的课题。

技术实现思路

1、本实用新型所要解决的主要技术问题在于，克服现有技术存在的上述缺陷，而提供一种光纤输出混光式雷射系统，其可将高亮度蓝光模组与红外光光纤雷射进行混光，并由一条光纤输出；使输出的光束可以有效提高铜金属的吸收，且具有相对较高的光束质量，较低的加工成本，并改善铜焊接制程稳定性的问题。

2、本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

3、一种光纤输出混光式雷射系统，包括：至少一组蓝光雷射模组，借由蓝光光纤发出蓝光雷射光束；红外光光纤雷射模组，借由红外光光纤发出红外光雷射光束；光纤合束器，用以嵌入该蓝光光纤与该红外光光纤，并借由输出光纤产生输出光束；输出光学组件，具有前后配置的准直透镜与聚焦透镜，其中，该准直透镜用以将该输出光束形成准直平行光束；且该聚焦透镜使通过的该平行光束产生两个波长的聚焦点，即第一焦点与第二焦点；以及该输出光纤所产生的输出光束，包括该蓝光雷射光束与该红外光雷射光束，为同轴并重合发光，且该蓝光雷射光束与该红外光雷射光束的光束参数乘积bpp皆小于10mm x mrad；而经由该聚焦透镜的调整，将使该蓝光雷射光束的该第一焦点形成在待加工材料的表面，并使该红外光雷射光束的该第二焦点深入该待加工材料中，且使该第一焦点与第二焦点的相距位置达1～3mm，借以获得最佳的焊接及积层融覆效果。

4、依据前揭特征，本实用新型中该蓝光雷射模组，具有至少7颗以上的蓝光雷射二极管，以激发至少7道波长为400nm～670nm的蓝光光束，光学镜片组件，包括至少7枚快轴准直镜、慢轴准直镜、反射镜，及聚焦镜，使该个别蓝光光束经过各该快轴准直镜、各该慢轴准直镜分别准直后，并经各该反射镜后，而在空间合并成蓝光雷射光束，且该蓝光雷射光束经由该聚焦镜的作用后可耦合至该蓝光光纤的纤核中。

5、依据前揭特征，本实用新型中该红外光光纤雷射模组，具有种子光源装置，其使用红外光雷射二极管，发出波长为1064nm的种子雷射光束，激发光源装置，其使用高功率半导体雷射，发出波长为800～980nm的激发雷射光束，合束器，将该种子雷射光束与该激发雷射光束进行耦合至该红外光光纤的纤核中，形成该红外光雷射光束，光纤放大器，则将该红外光雷射光束的能量进行放大。

6、依据前揭特征，本实用新型中该输出光纤，具有直径100μm的纤核及300μm的包层。

7、依据前揭特征，本实用新型中该输出光束中的蓝光雷射光束，其波长介于400nm～480nm，功率介于20～100w，该输出光束中的红外光雷射光束，其波长介于900nm～1100nm，功率介于500～5000w。

8、借助前揭特征，本实用新型『光纤输出混光式雷射系统』，应用至少一组蓝光雷射模组及红外光光纤雷射模组，以分别发出总功率小于1百瓦的蓝光雷射光束与总功率达千瓦的红外光雷射光束；光纤合束器合并所述的蓝光雷射光束与红外光雷射光束，输出光学组件，则将光束予以准直并产生两个波长的聚焦点；其中，输出的蓝光雷射光束与红外光雷射光束为同轴且重合发光，以及光束参数乘积bpp皆小于10mm x mrad；而蓝光的功率介于20～100w，红外光的功率介于500～5000w，且蓝光的焦点将形成在待加工件的表面，而红外光的焦点与其相距1～3mm并深入待加工件中，借以获得最佳的焊接及积层融覆效果；由于本实用新型应用的光纤合束相较于传统的空间合束，具有较低成本的效益；再者，输出的蓝光雷射光束与红外光雷射光束，其光束参数乘积bpp皆小于10mm x mrad，使合并的雷射光束聚焦在焊接区，其光束质量佳，可进一步改善铜焊接的制程稳定性。

9、本实用新型的有益效果是，其可将高亮度蓝光模组与红外光光纤雷射进行混光，并由一条光纤输出；使输出的光束可以有效提高铜金属的吸收，且具有相对较高的光束质量，较低的加工成本，并改善铜焊接制程稳定性的问题。

技术特征：

1.一种光纤输出混光式雷射系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的光纤输出混光式雷射系统，其特征在于，所述蓝光雷射模组，具有至少7颗以上的蓝光雷射二极管，以激发至少7道波长为400nm～670nm的蓝光光束，光学镜片组件，包括至少7枚快轴准直镜、慢轴准直镜、反射镜，及聚焦镜，使该个别蓝光光束经过各该快轴准直镜、各该慢轴准直镜分别准直后，并经各该反射镜后，而在空间合并成蓝光雷射光束，且该蓝光雷射光束经由该聚焦镜的作用后可耦合至该蓝光光纤的纤核中。

3.根据权利要求1所述的光纤输出混光式雷射系统，其特征在于，所述红外光光纤雷射模组，具有种子光源装置，其使用红外光雷射二极管，发出波长为1064nm的种子雷射光束，激发光源装置，其使用高功率半导体雷射，发出波长为800～980nm的激发雷射光束，合束器，将该种子雷射光束与该激发雷射光束进行耦合至该红外光光纤的纤核中，形成该红外光雷射光束，光纤放大器，则将该红外光雷射光束的能量进行放大。

4.根据权利要求1所述的光纤输出混光式雷射系统，其特征在于，所述输出光纤，具有直径100μm的纤核及300μm的包层。

5.根据权利要求1所述的光纤输出混光式雷射系统，其特征在于，所述输出光束中的蓝光雷射光束，其波长介于400nm～480nm，功率介于20～100w，该输出光束中的红外光雷射光束，其波长介于900nm～1100nm，功率介于500～5000w。

技术总结
一种光纤输出混光式雷射系统，包括至少一组蓝光雷射模组及红外光光纤雷射模组，以分别发出蓝光雷射光束与红外光雷射光束；光纤合束器合并所述的二种雷射光束，输出光学组件，则将光束予以准直并产生两个波长的聚焦点；其中，输出的蓝光雷射光束与红外光雷射光束为同轴且重合发光，以及BPP皆小于10mm x mrad；而蓝光的功率介于20～100W，红外光的功率介于500～5000W，且蓝光的焦点将形成在待加工件的表面，而红外光的焦点与其相距1～3mm并深入待加工件中，借以获得最佳的焊接及积层融覆效果。

技术研发人员：王启伦,李鸿生,苏益信,林师纬,欧思村
受保护的技术使用者：腾錂镭射股份有限公司
技术研发日：20221129
技术公布日：2024/1/13