本发明涉及金属材料表面处理技术领域，具体涉及激光输出功率稳定输出光斑可调装置及其激光器。
背景技术：
采用激光对金属材料表面进行加工的技术属于激光技术和加工技术相结合的先进制造技术，近几年来发展相当迅速。由于高功率半导体激光器具有光电转换效率高、能耗低、重量轻、体积小、寿命长等优点，是满足高效率、高效益、低成本以及低消耗的金属材料表面加工技术的重要技术手段，在激光加工领域表现出明显的优势。
在金属材料表面加工过程中，激光的功率直接影响产品的加工质量。由于温度、湿度的变化，激光器输出功率不可避免有所变化，并且在长时间的生产加工过程中，生产环境的恶劣、操作人员的使用不当以及激光器本身的寿命，会使激光器的功率随着时间不断的衰减，这将严重影响金属材料表面加工的质量，增加产品的次品率。
为了保持激光器功率的稳定性，一般通过置于激光器输出光路中的电光调制器或声光调制器来监控激光输出功率，再通过控制器调整激光器的电流或电压保持输出功率稳定。但是由于电光调制器或声光调制器的光损伤阈值较低，不适用于稳定高功率激光器的输出功率，且采用该方法设计成本较高。而此种方法一般用于固体激光器、光纤激光器、气体激光器或染料激光器，通常使用在激光通讯领域以及激光医疗领域中，并不适用于采用激光对金属材料表面进行加工。
目前工业上应用在金属材料表面加工的半导体堆栈激光器没有保持功率稳定的装置。半导体堆栈激光器一般采用在非加工状态下使用高功率激光功率计进行功率测试，这种方法在生产实践中不能及时了解功率的变化，难以保证激光器功率的稳定输出，常常造成生产残次品的增加。
为了满足金属材料表面实际加工生产需求，对于不同表面形状或不同加工要求的工件，需要不同尺寸的激光束进行表面加工，这就需更换激光头装置或更换表面加工设备，在实际使用中非常不便。
因此迫切需要一种能实时监控调整功率变化，保持输出功率稳定，使加工和检测同步进行，同时又能实现输出光斑可调的装置。
技术实现要素：
本发明的目的是克服现有激光器难以保证激光器功率稳定输出以及输出光斑不可调的缺陷，而提供激光输出功率稳定输出光斑可调装置及其激光器。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：激光输出功率稳定输出光斑可调装置，其特殊之处在于，包括信号处理器、激光器控制系统、以及在待调节激光器的输出激光光路上依次设置的快轴准直镜和分束镜；分束镜用于将输出激光分成反射采样激光和透射激光；沿反射采样激光的传输方向依次设置光学采样系统和高功率探测传感器；光学采样系统对反射采样激光的尺寸进行转换，高功率探测传感器实时探测经过转换的反射采样激光的功率；信号处理器分别与高功率探测传感器和激光器控制系统电连接，用于对反射采样激光的功率进行分析处理，并将处理结果传输至激光器控制系统；激光器控制系统与待调节激光器电连接，用于接收信号处理器传送的处理结果，并根据该处理结果向待调节激光器发送输出激光功率调节信号；通过改变激光器的驱动电流或驱动电压来改变激光器输出激光的功率，从而使透射激光的功率保持稳定。沿透射激光的传输方向设置光束整形系统，用于对透射激光进行准直以及整形，从而得到符合表面加工需要的光束尺寸要求的工作激光。
进一步地，上述光学采样系统包括沿反射采样激光传输方向依次设置的非球面透镜和柱面透镜。
进一步地，上述光束整形系统包括沿透射激光传输方向依次设置的光焦度为正的第一透镜组、光焦度为负的第二透镜组、光焦度为正的第三透镜组和光焦度为正的第四透镜组；第二透镜组沿透射激光光轴移动实现变焦；第三透镜组沿透射激光光轴移动，用于补偿第二透镜组移动引起的像差。
进一步地，上述分束镜为平板式分光镜或分光棱镜。
进一步地，上述高功率探测传感器为风冷或水冷的使用热敏电阻或热电偶元件的激光功率计。
另外，本发明还提供一种输出功率稳定及输出光斑可调激光器，包括高功率半导体堆栈激光器本体，其特殊之处在于：还包括上述激光输出功率稳定输出光斑可调装置。
进一步地，上述高功率半导体堆栈激光器本体采用一个或多个高功率半导体堆栈激光器。多个高功率半导体堆栈激光器发出的多个激光束采用合束技术，包括空间合束技术、偏振合束技术和波长合束技术方案合成为一个激光束作为输出激光输出。
本发明的工作过程：
预先设定激光器的输出激光功率值，选取具有合适入射面透光率的分束镜，得到预设的反射激光功率值。
输出激光经分束镜分为沿不同方向传输的反射采样激光和透射激光。
反射采样激光通过光学采样系统从大尺寸光束转换为小尺寸光斑后，高功率探测传感器对反射采样激光小尺寸光斑的功率进行实时探测，将光功率信息转换为电信号，传输到信号处理器进行分析处理。
信号处理器将获取的光功率与预设的反射激光功率设定值进行比较，判断差值是否在允许范围内，并将判断结果反馈给激光器控制系统。
激光器控制系统控制高功率半导体堆栈激光器的驱动电流，当差值超出允许范围值时，调节高功率半导体堆栈激光器的驱动电流，使差值一直保持在允许范围值内，确保半导体堆栈激光器的输出激光功率稳定在预设值，从而保持输出的工作激光功率的稳定。
透射激光通过光束整形系统的准直和整形设计，达到表面加工需要的光束形状和尺寸；针对不同的表面加工要求的光束尺寸要求，通过改变光束整形系统内部多个透镜组的相对位置，使输出的工作激光光束尺寸相应改变，从而实现不同光束尺寸的工作激光输出。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1、本发明能够在不影响激光正常使用的情况下，可以对激光器的功率进行实时监控反馈和控制，并保持激光器功率的稳定输出，有利于提高加工过程中产品质量的稳定性，保持产品的一致性，改善产品的性能，对于提高产品的质量与合格率有着极其重要的意义。
2、针对不同表面形状及表面加工光斑尺寸的要求，通过改变光束整形系统内光学元件相对位置，使激光头输出光斑尺寸根据表面加工需要进行相应变化，可以在不更换激光头装置或更换表面加工设备的情况下，非常方便的满足不同加工的需求。
附图说明
图1是本发明输出功率稳定及输出光斑可调激光器实施例的结构示意图；
图2是高功率半导体堆栈激光器本体实施例的结构示意图；
图3是图1激光器的光路系统示意图。
图中各标号的说明如下：
1—高功率半导体堆栈激光器本体，11—输出激光、12—快轴准直镜；
2—分束镜，21—反射采样激光、22—透射激光；
3—光学采样系统，31—非球面透镜、32—柱面透镜；
4—高功率探测传感器；
5—信号处理器；
6—激光器控制系统；
7—光束整形系统，71—第一透镜组、72—第二透镜组、73—第三透镜组、74—第四透镜组、75—工作激光。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示的一种输出功率稳定及输出光斑可调激光器，包括高功率半导体堆栈激光器本体1和激光输出功率稳定输出光斑可调装置。
如图2所示，高功率半导体堆栈激光器本体1采用一个高功率半导体堆栈激光器，其发出的激光束尺寸很大，其中在快轴方向发散角很大，约为40°，快轴方向输出激光11尺寸最大可达到100mm；慢轴方向发散角约5°，慢轴方向输出激光11尺寸≤10mm。
参见图1，激光输出功率稳定输出光斑可调装置，包括信号处理器5、激光器控制系统6、以及位于高功率半导体堆栈激光器本体1的输出激光11光路上依次设置的快轴准直镜12和分束镜2；快轴准直镜12将很大的快轴发散角压缩；分束镜2采用平板式分光镜，用于将输出激光11分成沿不同方向传输的反射采样激光21和透射激光22；沿反射采样激光21的传输方向依次设置光学采样系统3和高功率探测传感器4；沿透射激光22的传输方向设置光束整形系统7。本实施例中高功率探测传感器4采用风冷的激光功率计。
信号处理器5分别与高功率探测传感器4和激光器控制系统6电连接，激光器控制系统6与待调节激光器电连接。
如图3所示，光学采样系统3包括沿反射采样激光21传输方向依次设置的非球面透镜31和柱面透镜32；经过非球面透镜31和柱面透镜32将反射采样激光21的大尺寸激光束转换为适于高功率探测传感器4接收的小尺寸光斑，小尺寸光斑的尺寸范围一般为φ2～φ20mm。
由于高功率半导体堆栈激光器发出的激光功率可达几千瓦，甚至更高，普通的功率探测传感器不能达到功率检测的要求，因此采用高功率探测传感器4实时探测经过转换的反射采样激光21的功率。高功率探测传感器4是指探测功率≥5w、使用热敏电阻或热电偶元件的功率探测器。
参见图1，信号处理器5用于对反射采样激光21的功率进行分析处理，并将处理结果传输至激光器控制系统6。
激光器控制系统6用于接收信号处理器5传送的处理结果，并根据该处理结果向待调节激光器发送输出激光11功率调节信号，通过改变激光器的驱动电流来改变激光器输出激光的功率，使透射激光的功率保持稳定。
光束整形系统7用于对透射激光22进行准直以及整形。如图3所示，包括沿透射激光22传输方向依次设置的光焦度为正的第一透镜组71、光焦度为负的第二透镜组72、光焦度为正的第三透镜组73和光焦度为正的第四透镜组74；第一透镜组71、第二透镜组72、第三透镜组73和第四透镜组74均采用柱面透镜。
通过四个柱面透镜组将光束聚焦在待加工工件的工作面上，得到尺寸为a×b的矩形光束光斑。可通过改变四个柱面透镜之间的距离，实现变焦和像差补偿，可以将聚焦在工作面上的光束尺寸改变为a×c；例如将尺寸a×b为2×14的矩形光束光斑调整至尺寸a×c为2×20。根据实际需要改变工作激光的光束尺寸，使要求的尺寸光斑到达工件表面，从而得到符合表面加工需要的光束尺寸要求的工作激光75。
以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，例如光学采样系统和光束整形系统可以是多个柱面透镜的组合，也可以是多个柱面透镜、球面透镜、非球面透镜的组合。本领域技术人员在本发明的主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴。