用于激光加工材料的装置的制作方法

本发明涉及一种用于材料激光加工的装置。

背景技术：

1、激光广泛用于切割和焊接工业材料。不同的工艺和应用对激光束参数有不同的要求，例如加工点处的聚焦直径、光强度分布或光束质量。激光加工装备是市售的，其中输出激光束可以在不同的激光束参数(例如，来自激光切割工艺所需的具有清晰聚焦点的相对良好的光束质量以及具有不太清晰聚焦点和光束横截面中均匀强度分布的较低的光束质量(例如，用于焊接和厚截面切割工艺))之间切换。

2、此类激光加工装备在用于激光切割和其他激光材料加工的最佳光束质量下具有更大的可用功率将是期望的。此类激光加工装备将实现更快的切割速度，这将降低制造成本，因此在商业上是有利的。

3、本发明旨在提供一种用于材料激光加工的装置，该装置解决了上述问题。

技术实现思路

1、根据本发明的非限制性实施例，提供了一种用于激光加工材料的装置，该装置包括至少一个第一激光器、至少一个第二激光器、光学组合器和多芯光纤，其中：

2、●每个第一激光器经由第一输送光纤连接到光学组合器；

3、●每个第二激光器经由第二输送光纤连接到光学组合器；

4、●光学组合器将第一输送光纤连接到多芯光纤的第一芯，并且将第二输送光纤连接到多芯光纤的第二芯；

5、●光学组合器提供从第一激光器到多芯光纤的第一芯的第一光学路径；

6、●光学组合器提供从第二激光器到多芯光纤的第二芯的第二光学路径；以及

7、●光学组合器包括一个熔融拉锥沿其长度逐渐变细的光纤束。

8、光纤束可包括至少一个间隔光纤，其中该第一输送光纤或一第一输送光纤通过该间隔光纤或一间隔光纤与该第二输送光纤或一第二输送光纤分隔开。这种束几何形状是有益的，因为它能够产生分开/非毗邻的第一和第二输送光纤，而不需要将内毛细管引入束组件。因此，束几何形状可以与多芯光纤的几何形状更好地匹配。因此，它可以提高组合器的传输效率，而没有与使用将第一输送光纤与第二输送光纤分开的内毛细管相关联的附加成本和复杂性。

9、第一输送光纤、第二输送光纤和间隔光纤可以以一构造布置，并且第一输送光纤可以偏离该构造的中心。该构造可以是方形或三角形或六边形构造。其他构造也是可能的。

10、光纤束可包括两个第一输送光纤、两个第二输送光纤和三个间隔光纤，并且第一输送光纤、第二输送光纤和间隔光纤可以以六边形构造布置。间隔光纤之一可以在六边形的中心处。

11、光纤束可包括以一构造布置的至少一个第一输送光纤、至少两个第二输送光纤以及至少三个间隔光纤。间隔光纤之一可以在该构造的中心处。这种构造使得一个或多个第一输送光纤能够耦合到多芯光纤的第一芯，并且使得第二输送光纤能够耦合到多芯光纤的第二芯。在这种布置中可以提供两个、三个、四个或更多个第二输送光纤，使得由该装置发射的光学功率能够被缩放。中心间隔光纤可以比该构造中的其他光纤具有更大的直径。

12、光纤束可包括一个第一输送光纤、三个第二输送光纤和两个间隔光纤。输送光纤、第二输送光纤和间隔光纤可以以六边形构造布置。可提供附加的第二输送光纤。间隔光纤之一可以在该构造的中心处。这种束几何形状是有益的，因为它使得基lp0,1光学模式能够从第一输送光纤耦合到多芯光纤的第一芯，随后指向被加工的材料。应用于第一输送光纤和/或输出光纤的模式转换器可以根据正在对材料执行的激光加工将基模转换为更高阶模。

13、第一输送光纤和第二输送光纤可以以方形构造布置，该方形构造包括第一输送光纤、第二输送光纤和两个间隔光纤。第一输送光纤和第二输送光纤可以彼此对角相对。

14、光纤束可包括多个第二输送光纤和多个间隔光纤。第一输送光纤、第二输送光纤和间隔光纤可以以六边形构造布置。第一输送光纤可以设置在六边形构造的中心。这种束几何形状也能够产生分开/非毗邻的第一和第二输送光纤，而不需要将内毛细管引入束组件。当提供四个第二输送光纤时，束几何形状允许至多达四个第二激光器连接到光纤束，这取决于需要多少激光器而为不同的生产工艺提供功率缩放。附加的第二输送光纤可以纳入到围绕中心六边形构造的束中，从而使得附加的第二激光器能够连接到光纤束，并因此实现附加的功率缩放。

15、光纤束可包括多个第一输送光纤。多个第一输送光纤通过取决于多芯光纤的第一芯所需的功率而增加附加的第一激光器来实现从多芯光纤的第一芯发射的激光束的功率缩放。光纤束可包括与第一输送光纤的包层毗邻的低折射率环，其中该低折射率环的折射率小于该包层的折射率。低折射率环可以是环绕包层的第一输送光纤的包层。

16、光纤束可包括内毛细管。内毛细管可包括至少一个凹槽。该凹槽是有利的，因为它有助于光纤束的组装。

17、光纤束可包括第一输送光纤、以及第二输送光纤中的至少一者。第一输送光纤和第二输送光纤可以位于毛细管中。第一输送光纤可以毗邻于毛细管孔的壁。这种布置可以简化光纤束的结构，并且对于具有2到5个第二激光器的产品特别有用。该孔可以偏离毛细管的中心轴，使得第一输送光纤与毛细管的中心轴对齐。

18、光纤束可包括环绕该至少一个第二输送光纤的外毛细管。外毛细管可以是方形毛细管。外毛细管可采用其他构型。当以没有内毛细管的方形构造布置时，方形毛细管有利于填充第一和第二输送光纤。可以包括间隔光纤以将毗邻的第一和第二输送光纤间隔开。

19、第一激光器可包括单模激光器。单模激光器在相同波长下比多模激光器具有更高的光束质量，因此能够优化从多芯光纤的第一芯发射的激光辐射。第一激光器可包括多模激光器。

20、第一输送光纤可以是多模光纤，第一激光器可包括输出光纤，并且输出光纤和第一输送光纤可以利用熔融接头来熔接在一起，使得在输出光纤中传播的基模耦合到在第一输送光纤中传播的基模。输出光纤和/或第一输送光纤可以在熔融接头处或熔融接头附近逐渐变细，以便匹配两个基模的轮廓，从而减少熔接损耗以及耦合到更高阶模。

21、第一输送光纤可以逐渐变细，使得第一输送光纤在光学组合器的输出处的芯直径小于临界直径，在临界直径处第一输送光纤的基模的模场直径达到光学组合器中的最小模场直径。优选地，锥形端头是绝热的，以便减少从第一输送光纤的基模到更高阶模的耦合。

22、第一输送光纤可以是双包层光纤。双包层光纤可具有比内包层具有更低折射率的外包层。这使得从第一输送光纤的芯耦合到其内包层的光学辐射能够通过全内反射被内包层引导。

23、第二激光器可包括单模激光器。

24、第二输送光纤可以是多模光纤，第二激光器可包括输出光纤，并且输出光纤和第二输送光纤可以利用熔融接头熔接在一起，使得在输出光纤中传播的基模耦合到在第二输送光纤中传播的基模。输出光纤和/或第二输送光纤可以在熔融接头处或熔融接头附近逐渐变细，以便匹配两个基模的轮廓，从而减少熔接损耗以及减少在熔融接头处耦合到更高阶模。

25、第二输送光纤可以被拉锥并逐渐变细，使得第二输送光纤在光学组合器的输出处的芯直径小于临界直径，在临界直径处第二输送光纤的基模的模场直径达到最小模场直径。优选地，锥形端头是绝热的，以便减少从第二输送光纤的基模到更高阶模的耦合。

26、第二输送光纤可以被拉锥并逐渐变细，使得第二输送光纤在光学组合器的输出处的芯直径大于临界直径，在临界直径处第二输送光纤的基模的模场直径达到最小模场直径。优选地，锥形端头是绝热的，以便减少从第二输送光纤的基模到更高阶模的耦合。

27、第二输送光纤可以是双包层光纤。双包层光纤具有比内包层具有更低折射率的外包层。这使得从第二输送光纤的芯耦合到其内包层的光学辐射能够通过全内反射被内包层引导。

28、该装置可包括在第一输送光纤和第二输送光纤上的包层模式剥离器。包层模式剥离器可以从第一或第二输送光纤中去除不想要的包层模式，从而降低由杂散光引起的光学部件和涂层的光学损坏的可能性。

29、该装置可包括多芯光纤上的包层模式剥离器。包层模式剥离器可以从多芯光纤中去除不想要的包层模式，从而降低其他装备或正加工的材料被杂散光损坏的可能性。

30、光纤束可以在其较大直径端具有输入面，该输入面相对于其纵向轴具有角度θ。角度θ可以在35与55度之间。这确保了沿着光纤束反射回来的光学辐射通过全内反射被反射出光纤束。角度θ优选为45度。

31、该装置可包括在多芯光纤远端的准直器，并且其中该准直器连接到包括聚焦透镜的激光加工头。准直器和聚焦透镜可以将多芯光纤的远端成像到待加工的材料上。

32、该装置可包括控制单元，其联接到第一激光器和第二激光器以控制由第一激光器和第二激光器发射的激光辐射的功率，从而独立地控制沿着第一光学路径传播到多芯光纤的第一芯的激光辐射的功率、以及沿着第二光学路径传播到多芯光纤的第二芯的激光辐射的功率。

33、控制单元可以联接到模式转换器，以控制沿着第一或第二光学路径传播的激光辐射的光束质量，从而控制从多芯光纤发射的激光辐射的光束质量。

34、至少一个第一激光器和/或至少一个第二激光器可以连接到模式转换器。模式转换器可将由第一和/或第二激光器发射的基模转换成至少一个更高阶模，该至少一个更高阶模可通过光纤束传播到多芯光纤。这使得由多芯光纤发射的激光辐射的光束质量能够在材料的激光加工之前或期间进行调整。模式转换器可以使得由第一输送光纤引导的lp0,1模式耦合到第一输送光纤的一个或多个lpp,1光学模式。

35、该装置可包括作用于多芯光纤的模式转换器。

36、多芯光纤的第一芯可以使得其可引导lpp,1模式，从而允许根据正对材料执行的激光加工来选择由第一芯11发射的第一光束31的模态内容。

37、模式转换器可以使得由第二输送光纤引导的lp0,1模式耦合到第二输送光纤的一个或多个lpp,1光学模式。

38、光纤束的锥度比可以使得lpp,1模式在光纤束的最小锥形直径处不被第二输送光纤引导。最小锥形直径可以位于光纤束和输出光纤之间的熔融接头之前。这使得由lpp,1模式发射的模式或射线的数值孔径或发散角能够在耦合到多芯光纤之前减小。

39、多芯光纤可具有对接到光纤束的锥形。这使得光纤束能够对接到具有不同芯直径的不同光束传递线缆。

40、控制单元可通过在加工材料时实现自动调整从多芯光纤的第一芯、第二芯和玻璃体发射的功率和光束质量来实现提高切割、焊接和增材制造应用中的生产率。可以取决于正执行的工艺对调整进行编程，并且可以在工艺之前和期间进行调整(例如，考虑材料厚度的变化)。

41、该装置可包括连接到光学组合器的输入的光学分析器。光学分析器可以使从待分析材料反射或发射的光学辐射能够被分析，以便控制材料的激光加工。光学分析器可用于检测材料何时被刺穿、监视薄、厚和可变厚度切割期间的切割速度、监视焊接和钎焊质量、以及监视增材制造应用中金属粉末烧结层的质量。光学分析器可以向控制单元提供输出。控制单元可以使用由光学分析器提供的信息来控制一个或多个第一激光器、一个或多个第二激光器、光学开关(如果提供)和至少一个模式转换器(如果提供)中的至少一者。该装置可包括多个第二输送光纤。该装置可包括光学开关，该光学开关具有连接到该至少一个第一激光器的输入、用于第一输送光纤的第一输出、以及用于第二输送光纤中的至少一者的第二输出，从而使得由该至少一个第一激光器发射的第一激光辐射能够耦合到第一输送光纤和所述至少一个第二输送光纤中的一者或两者中。光学开关可以在该至少一个第一激光器与光学组合器之间。

42、本发明的装置可用于通过开启至少一个第一激光器来形成第一图像。可以使用作用于第一激光辐射的模式转换器和/或作用于多芯光纤的模式转换器来修改第一图像，以增加第一光束的光束参数乘积。可以使用作用于第一激光辐射的模式转换器和/或作用于多芯光纤的模式转换器来修改第一图像，以将主要具有lp0,1模态内容的第一光束转换为主要具有lpp,1模态内容的光束，其中p是整数。

43、第一光束对于刺穿金属和微加工特别有用。

44、本发明的装置可用于通过开启至少一个第二激光器来形成第二图像。可以使用作用于第二激光辐射的模式转换器和/或作用于多芯光纤的模式转换器来修改第二图像，以增加第二光束的光束参数乘积和/或均匀化第二图像。通过使用光学开关将第一激光辐射耦合到第二输送光纤，可以增加第二图像的强度。

45、第二光束对于切割和焊接特别有用。

46、本发明的装置可用于通过开启第一激光器和/或第二激光器并操作至少一个模式转换器将第一和/或第二输送光纤耦合到第一和第二输送光纤在逐渐变细的光纤束组合器中逐渐变细时的非导光学模式来形成第三图像。可以使用作用于第一或第二激光辐射的模式转换器和/或作用于多芯光纤的模式转换器来修改第三图像，以增加第三光束的光束参数乘积和/或均匀化第三图像。

47、本发明的装置可以通过包括提供用于激光加工材料的装置的方法来生产，该装置包括至少一个第一激光器、至少一个第二激光器、光学组合器和多芯光纤，其中：

48、●每个第一激光器经由第一输送光纤连接到光学组合器；

49、●每个第二激光器经由第二输送光纤连接到光学组合器；

50、●光学组合器将第一输送光纤连接到多芯光纤的第一芯，并且将第二输送光纤连接到多芯光纤的第二芯；

51、●光学组合器提供从第一激光器到多芯光纤的第一芯的第一光学路径；

52、●光学组合器提供从第二激光器到多芯光纤的第二芯的第二光学路径；以及●光学组合器包括沿其长度逐渐变细的光纤束；

53、以及取决于要在材料上执行的激光加工而控制从多芯光纤发射的第一光束、第二光束和第三光束中的至少一者的功率和光束质量。

54、该方法可以使得其包括用于提供上述装置的可任选部件的一个或多个方法步骤。

55、使用本发明的装置的方法可以是提供本发明的装置，并取决于要在材料上执行的激光加工而在第一图像、第二图像和第三图像之间切换。

56、在另一方面，本发明提供了一种激光加工材料的方法、或者一种使用所描述的方法或装置在材料加工期间定制光束轮廓的方法。