專利名稱：激光加工裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光加工裝置，其向工件施加激光束來執(zhí)行期望的激光加工。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)上，固體激光器常被用于諸如激光焊接和激光刺點(diǎn)(marking)之類的激光加工，并且最常用的是YAG激光器。對(duì)于一般的固體激光器，使用摻雜有稀土元素的離子的塊狀(典型的是棒狀)晶體作為激活媒質(zhì)(active medium)；向該晶體的側(cè)面或端面施加激勵(lì)光以便光學(xué)充能(pump)或激勵(lì)晶體中的激活媒質(zhì)；以及光學(xué)諧振腔諧振和放大從該晶體軸向發(fā)射的具有預(yù)定波長(zhǎng)的振蕩光束，以獲得激光束。盡管以前使用燈作為激勵(lì)光的光源，但目前主要使用半導(dǎo)體激光器，即激光二極管(LD)。
順便一提，在高精度激光加工領(lǐng)域，從加工能力、加工精度和成本方面考慮，期望一種提供高功率單模光束的完全氣冷的激光加工裝置。單模(singlemode)是具有圓波束形狀和集中在中心的功率密度的模式，具有優(yōu)良的聚光性能，并且適合高精度加工。
然而在傳統(tǒng)的固體激光器中，氣冷的單模激光器限制在10W或更低的級(jí)別，因此為了獲得更高的功率必須使用水冷型(如冷卻器(chiller cooler))的。即，氣冷型激勵(lì)LD由于氣冷而導(dǎo)致的熱輻射容易影響晶體(激活媒質(zhì))，該晶體由于光學(xué)諧振腔的結(jié)構(gòu)而被放置在LD附近，因此難以使用具有大量熱輻射的高功率型(例如，具有包括多個(gè)LD元件的陣列結(jié)構(gòu)或棧結(jié)構(gòu))。就這一點(diǎn)來說，即使在高功率型的情況下，水冷型激勵(lì)LD對(duì)晶體的熱影響較小。然而，水冷型需要冷卻器，其最大的弱點(diǎn)就是最初成本和運(yùn)行成本較高。
由于傳統(tǒng)的固體激光器具有低的光-光轉(zhuǎn)換效率，因此如果激勵(lì)LD的功率增加到較高功率，那么振蕩輸出激光束的功率并沒有相應(yīng)增加，而是激光振蕩器中的損耗增加到較高的程度。在向晶體(激活媒質(zhì))的端面會(huì)聚和施加LD光來進(jìn)行光激勵(lì)的端面激勵(lì)模式中，由于激勵(lì)LD的高功率，給晶體施加了額外的熱負(fù)荷，因此晶體容易損壞和老化。另一方面，在向側(cè)面施加LD光的側(cè)面激勵(lì)模式中，盡管晶體損壞和老化得較少，但光束量低，而且尤其是，難以獲得單模波束。
隨著為了更高功率而增加提供到激勵(lì)LD的驅(qū)動(dòng)電流，高速/細(xì)微的電流控制也變得更加困難，而且更難以根據(jù)設(shè)置控制LD光的功率，因此也更難以控制振蕩輸出激光束的功率。
傳統(tǒng)技術(shù)中的上述問題在具有位于激光振蕩器中的Q-開關(guān)的激光刺點(diǎn)裝置中是值得注意的。即，由于Q-開關(guān)的脈沖激光束的峰值功率很高，因此當(dāng)獲得較高功率時(shí)，尤其是當(dāng)在單模下獲得較高功率時(shí)，必須使用昂貴的抗激光光學(xué)諧振腔反光鏡和Q-開關(guān)。另一個(gè)問題是，當(dāng)Q-開關(guān)也是水冷的時(shí)，激光振蕩器的成本進(jìn)一步增加，而且由于每個(gè)脈沖的穩(wěn)定性隨著功率的增加而降低，峰值難題發(fā)生變化(導(dǎo)致激光加工質(zhì)量的惡化)。

發(fā)明內(nèi)容
考慮到現(xiàn)有技術(shù)中的上述問題構(gòu)思了本發(fā)明，因此本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種可以容易地獲得高功率單模加工激光束的激光加工裝置。
本發(fā)明的另一目的是提供一種以完全氣冷的方式實(shí)現(xiàn)高效率、高功率和高穩(wěn)定性的激光的激光加工裝置。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的一種激光加工裝置包括種子激光振蕩單元，振蕩并輸出種子激光束；放大光纖，包括包含預(yù)定的稀土元素的芯，該放大光纖通過一端將來自種子激光振蕩單元的種子激光束引入到芯中，以將該種子激光束傳播到另一端；纖芯激勵(lì)單元，激勵(lì)該芯來將放大光纖的芯中的該種子激光束放大；激光發(fā)射單元，將從放大光纖的所述另一端得到的、作為放大的種子激光束的加工激光束施加到工件；和激光功率測(cè)量單元，測(cè)量該加工激光束的激光功率，從激光功率測(cè)量單元獲得的激光功率測(cè)量值被反饋到種子激光振蕩單元，以控制該種子激光束的激光功率。
在上述配置中，在用纖芯激勵(lì)單元激勵(lì)放大光纖的芯的同時(shí)，種子激光振蕩單元所生成的種子激光束可以被引入并從一端傳播到另一端，以將種子激光束在芯中放大或轉(zhuǎn)換成高功率加工激光束。從放大光纖得到的加工激光束被激光發(fā)射單元施加到工件，同時(shí)激光功率測(cè)量單元測(cè)量加工激光束的激光功率，并且將激光功率測(cè)量值反饋到種子激光振蕩單元。當(dāng)種子激光振蕩單元將激光功率測(cè)量值與參考值進(jìn)行比較來基于比較誤差補(bǔ)償種子激光束的激光輸出時(shí)，相應(yīng)地補(bǔ)償了加工激光束的激光輸出。由于種子激光振蕩單元可以被配置為小功率激光，因此可以快速和精細(xì)地對(duì)種子激光束的激光功率執(zhí)行可變控制，并且可以用氣冷規(guī)范容易地生成單模種子激光束。
在本發(fā)明的一個(gè)方面中，種子激光振蕩單元振蕩并輸出Q-開關(guān)脈沖激光束，作為該種子激光束。在這種情況下，激光發(fā)射單元可以包括檢流掃描儀，用于以期望圖案用加工激光束掃描工件。
根據(jù)本發(fā)明，在上述Q-開關(guān)模式中，種子激光振蕩單元包括光學(xué)諧振腔，包括光學(xué)相對(duì)排列的一對(duì)鏡；放置于光學(xué)諧振腔中的光路上的固體激活媒質(zhì)；激活媒質(zhì)激勵(lì)單元，其連續(xù)地激勵(lì)該激活媒質(zhì)；放置在光學(xué)諧振腔中的光路上的Q-開關(guān)；和Q-開關(guān)驅(qū)動(dòng)單元，其驅(qū)動(dòng)Q-開關(guān)來以預(yù)定定時(shí)生成Q-開關(guān)脈沖激光束，并且來自激光功率測(cè)量單元的激光功率測(cè)量值被反饋到激活媒質(zhì)激勵(lì)單元。在這樣的配置中，通過Q-開關(guān)在光學(xué)諧振腔中生成巨大的脈沖振蕩，并且從光學(xué)諧振腔得到具有非常高的峰值功率的Q-開關(guān)脈沖激光束，作為種子激光束。
根據(jù)一優(yōu)選方面，激活媒質(zhì)激勵(lì)單元包括第一激光二極管，輸出連續(xù)振蕩的第一激勵(lì)光；第一激光電源單元，驅(qū)動(dòng)第一激光二極管發(fā)光；和第一光學(xué)透鏡，將第一激光二極管振蕩和輸出的第一激勵(lì)光會(huì)聚并施加到該激活媒質(zhì)。第一激光電源單元基于加工激光束的激光功率的參考值和來自激光功率測(cè)量單元的激光功率測(cè)量值，控制到第一激光二極管的驅(qū)動(dòng)電流的電子電流值。由于在本發(fā)明中種子激光束的激光功率可以較低，因此第一激光二極管可以是小功率型的，并且第一激光電源單元可以用小驅(qū)動(dòng)電流來驅(qū)動(dòng)第一激光二極管發(fā)光。由于第一激光二極管的熱輻射量較小，因此可以以較小的尺寸設(shè)計(jì)氣冷機(jī)構(gòu)。為了獲得單模激光束，最好使用端面激勵(lì)模式，并且第一激光二極管所生成的第一激勵(lì)光被會(huì)聚并入射到激活媒質(zhì)的一個(gè)端面。
在本發(fā)明中，種子激光振蕩單元可以被配置以振蕩并輸出脈沖激光束，其波形可被控制得與該種子激光束一樣。根據(jù)一個(gè)優(yōu)選方面，種子激光振蕩單元包括光學(xué)諧振腔，包括光學(xué)相對(duì)排列的一對(duì)鏡；放置于光學(xué)諧振腔中的光路上的固體激活媒質(zhì)；和激活媒質(zhì)激勵(lì)單元，其激勵(lì)該激活媒質(zhì)來生成脈沖激光束，并且來自激光功率測(cè)量單元的激光功率測(cè)量值被反饋到激活媒質(zhì)激勵(lì)單元。在這種情況下，激活媒質(zhì)激勵(lì)單元包括第一激光二極管，輸出脈沖振蕩的第一激勵(lì)光；第一激光電源單元，驅(qū)動(dòng)第一激光二極管發(fā)光；和第一光學(xué)透鏡，將第一激光二極管振蕩和輸出的第一激勵(lì)光會(huì)聚并施加到該激活媒質(zhì)。第一激光電源單元基于加工激光束的激光功率波形的參考值和來自激光功率測(cè)量單元的激光功率測(cè)量值，控制到第一激光二極管的驅(qū)動(dòng)電流的波形或峰值。
根據(jù)一優(yōu)選方面，包括第一冷卻單元，其用氣冷來冷卻第一激光二極管。第一冷卻單元用氣冷來一起冷卻激活媒質(zhì)和第一激光二極管。或者，可以與第一冷卻單元相分離地包括第二冷卻單元，其用氣冷來冷卻激活媒質(zhì)。
根據(jù)一優(yōu)選方面，纖芯激勵(lì)單元包括第二激光二極管，振蕩并輸出脈沖振蕩或連續(xù)振蕩的第二激勵(lì)光；第二激光電源單元，驅(qū)動(dòng)第二激光二極管發(fā)光；和傳輸光纖，將第二激光二極管與放大光纖光耦合，并且從第二激光二極管振蕩并輸出的第二激勵(lì)光通過傳輸光纖，入射到放大光纖的一個(gè)端面或另一端面。用這種光纖耦合LD激勵(lì)模式，纖芯激勵(lì)單元可以被放置在任何位置，特別是在遠(yuǎn)離加工位置和種子激光振蕩單元的位置。
在纖芯激勵(lì)單元中，也可以用氣冷來冷卻第二激光二極管。即，由于可以避免種子激光振蕩單元中的熱輻射的影響，如果第二激光二極管是高功率激光，則第二激光二極管可以適用氣冷模式。
根據(jù)本發(fā)明的激光加工裝置，使用上述配置，可以容易地獲得高功率的單模加工激光束，并且可以以完全氣冷的方式實(shí)現(xiàn)高效率、高功率和高穩(wěn)定性的激光。結(jié)果，可以提高激光加工能力和精度，并且可以減少成本。


通過下面結(jié)合附圖的詳細(xì)描述，本發(fā)明的上述和其他目的、方面、特征和優(yōu)點(diǎn)將變得更加清楚，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的激光加工裝置的結(jié)構(gòu)框圖；圖2是根據(jù)該實(shí)施例的激光加工裝置的操作的波形圖；圖3是根據(jù)另一實(shí)施例的激光加工裝置的結(jié)構(gòu)框圖；和圖4是根據(jù)該實(shí)施例的激光加工裝置的操作的波形圖。
具體實(shí)施例方式
下面將結(jié)合附圖描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。
圖1繪出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的激光加工裝置的結(jié)構(gòu)。該激光加工裝置被配置為激光刺點(diǎn)裝置，并且包括用于放大的光纖(下面稱為“放大光纖”)10、種子激光振蕩單元12、纖芯激勵(lì)單元14、激光發(fā)射單元16、加工表18、控制單元20、光傳感器64等。
盡管未示出，但放大光纖10包括例如由摻雜有稀土元素(例如鐿(Yb))離子的石英制成的芯、以及由例如同軸環(huán)繞著芯的石英制成的包層；芯被定義為稍后描述的種子激光束SB的傳播光路徑；而包層被定義為芯激勵(lì)光FB的傳播光路徑。放大光纖10可以是任何長(zhǎng)度，例如幾米。
種子激光振蕩單元12被配置為YAG激光振蕩器，其振蕩和輸出Q-開關(guān)的脈沖YAG激光束(具有1064nm的波長(zhǎng))，并且YAG棒(激活媒質(zhì))26和Q-開關(guān)28在光學(xué)諧振腔內(nèi)被直線排列地放置，光學(xué)諧振腔包括光學(xué)上相對(duì)排列的一對(duì)鏡22和24。Q-開關(guān)28例如是聲光開關(guān)，并且在控制單元20的控制下由Q-開關(guān)驅(qū)動(dòng)器30以預(yù)定頻率開關(guān)。
種子激光振蕩單元12采用端面激勵(lì)模式來激勵(lì)YAG棒26。具體地說，激光二極管(LD)32作為激勵(lì)光源放置在光學(xué)諧振腔的全反射鏡22后面，并且來自激勵(lì)LD 32的激活媒質(zhì)激勵(lì)光EB被會(huì)聚透鏡34會(huì)聚，并且施加到Y(jié)AG棒26的端面。全反射鏡22具有不反射激勵(lì)光EB的波長(zhǎng)的涂層。
LD 32被LD電源36驅(qū)動(dòng)以發(fā)光，對(duì)激勵(lì)光EB連續(xù)振蕩并輸出具有波長(zhǎng)808nm的激光束，并且連續(xù)和可持續(xù)地用激勵(lì)光EB的能量對(duì)YAG棒26泵浦(pump)。當(dāng)通過連續(xù)激勵(lì)在光學(xué)諧振腔中累積能量并且Q-開關(guān)28被切換時(shí)，在光學(xué)諧振腔中出現(xiàn)巨大的脈沖振蕩，并且從光學(xué)諧振腔的輸出鏡24輸出具有極高峰值功率的Q-開關(guān)的脈沖YAG激光束。
通過這種方式，Q-開關(guān)的脈沖YAG激光束被振蕩并從種子激光振蕩單元12輸出，并且作為種子激光束SB被導(dǎo)入放大光纖10。具體地說，放大光纖10的一個(gè)端面10a相對(duì)地放置在種子激光振蕩單元12的激光出射口處，使得光軸對(duì)準(zhǔn)，并且其間放置入射光學(xué)系統(tǒng)的擴(kuò)束器38和會(huì)聚透鏡40。來自種子激光振蕩單元12的Q-開關(guān)的脈沖YAG激光束，即，種子激光束SB的光束直徑被擴(kuò)束器38擴(kuò)展，并且通過會(huì)聚透鏡40會(huì)聚并入射到放大光纖10的芯端面10a上。
由于在放大光纖10中將種子激光束SB放大預(yù)定放大比例來產(chǎn)生稍后所述的、用于該激光加工裝置中的工件W的加工激光束MB，因此種子激光束SB的激光功率(有效值)可以被設(shè)為很低的值(例如，在1W的量級(jí)上)，相應(yīng)地，種子激光振蕩單元12可以被配置為小功率固體激光器，尤其是可以使用小功率(例如，在2W的量級(jí)上)LD來進(jìn)行光源32的激勵(lì)。
由于種子激光振蕩單元12是小功率YAG激光器，并且采用上述端面激勵(lì)模式，因此可以容易地獲得單模種子激光束SB。冷卻單元42用于增加激光振蕩的穩(wěn)定性和單模的穩(wěn)定性，它可以被配置成氣冷型。由于LD 32是小功率，因此其熱輻射很難影響YAG棒26。
盡管未示出，冷卻單元42被配置為被熱耦合到要冷卻的部分的珀耳帖效應(yīng)器件(Peltier device)、散熱器、氣冷風(fēng)扇等，并且在控制單元20的控制下將冷卻目標(biāo)部分調(diào)節(jié)到恒定溫度。盡管冷卻目標(biāo)部分必須包括LD 32，但冷卻目標(biāo)部分中可以不包括YAG棒26和Q-開關(guān)28(由于熱負(fù)荷和發(fā)熱量低)?；蛘撸N子激光振蕩單元12可以全部或部分地安裝在導(dǎo)熱共用基礎(chǔ)部件上，來通過該共用基礎(chǔ)部件以共用冷卻機(jī)制冷卻每個(gè)單元。
在任一情況下，氣冷規(guī)范就足夠用了，而不需要諸如冷卻器之類的水冷系統(tǒng)。因此，對(duì)于Q-開關(guān)28和Q-開關(guān)驅(qū)動(dòng)器30可以不使用水冷的高RF功率型。對(duì)于光學(xué)諧振腔鏡22和24，可以不使用昂貴的具有高激光抵抗力的鏡(涂層膜不容易燒壞)。由于種子激光振蕩單元12中的熱應(yīng)力通常較小，因此可以對(duì)每個(gè)單元使用小的、不那么昂貴的部件。
纖芯激勵(lì)單元14采用所謂的纖耦合LD結(jié)構(gòu)，并且包括LD單元44、用于傳輸?shù)墓饫w(下面稱為“傳輸光纖”)46以及光學(xué)透鏡48、50和52。LD單元44可以放置在任何地方，特別是在遠(yuǎn)離種子激光振蕩單元12和激光發(fā)射單元16(加工位置)的地方，并且包括激光二極管(LD)54，連續(xù)振蕩和輸出具有980nm波長(zhǎng)的芯激勵(lì)激光束FB；LD電源56，驅(qū)動(dòng)LD 54發(fā)光；氣冷型冷卻單元58，冷卻LD 54；等等。LD電源和冷卻單元58的操作由控制單元20控制。
由于LD 54生成具有相對(duì)較大功率(例如，在50W到80W的量級(jí)上)的芯激勵(lì)光FB，因此LD 54采用相對(duì)大規(guī)模的陣列結(jié)構(gòu)或棧結(jié)構(gòu)，包括以一維或二維排列的多個(gè)LD元件。盡管未示出，冷卻單元58包括熱耦合到LD 54的珀耳帖效應(yīng)器件、散熱器、氣冷風(fēng)扇等，它是用于冷卻上述相對(duì)大規(guī)模LD54的相對(duì)大規(guī)模的氣冷機(jī)構(gòu)，并且具有大量的熱輻射。然而，由于冷卻單元58遠(yuǎn)離種子激光振蕩單元12，因此冷卻單元58的熱輻射不影響種子激光振蕩單元12(特別是作為激活媒質(zhì)的YAG棒26)。
從LD 54發(fā)射的激勵(lì)光FB通過會(huì)聚透鏡48被會(huì)聚并入射到傳輸光纖46的一個(gè)端面46a上。傳輸光纖46例如是SI(階躍折射率)光纖，并且將獲得的芯激勵(lì)光FB從LD單元44傳輸?shù)椒糯蠊饫w10的另一端附近。
傳輸光纖46的另一端的表面46b通過準(zhǔn)直透鏡50、會(huì)聚透鏡52和反射鏡(turn-back mirror)60光學(xué)耦合到放大光纖10的另一端的表面10b。反射鏡60以一預(yù)定角度或方向放置在傳輸光纖46的端面46b的光軸與放大光纖10的端面10b的光軸相交的位置，并且涂有對(duì)芯激勵(lì)光FB的波長(zhǎng)反射的薄膜和對(duì)加工激光束MB的波長(zhǎng)不反射的薄膜。從傳輸光纖46的端面46b發(fā)射的芯激勵(lì)光FB被準(zhǔn)直透鏡50準(zhǔn)直成平行光，被會(huì)聚透鏡52會(huì)聚，并通過以與反射鏡60成直角來彎曲光路，入射到放大光纖10的端面10b上。
在放大光纖10中，來自種子激光振蕩單元12的Q-開關(guān)的脈沖種子激光束SB進(jìn)入一個(gè)端面10a，并且來自纖芯激勵(lì)單元14的連續(xù)振蕩的芯激勵(lì)光FB進(jìn)入上述另一端面10b。種子激光束SB在受到芯和包層之間的邊界面的全反射限制的同時(shí)，沿軸朝著光纖的另一端面10b傳播。另一方面，芯激勵(lì)光FB在受到包層的外圓周面的全反射限制的同時(shí)，沿軸通過放大光纖10傳播，并且在傳播期間經(jīng)過芯許多次，以光學(xué)激勵(lì)芯中的Yb離子。種子激光束SB在通過放大光纖10傳播期間，被放大成在激活芯中具有例如在30W的量級(jí)上的激光功率(平均功率)，并且作為高功率加工激光束MB從放大光纖10的另一端面10b出來。當(dāng)然，加工激光束MB是具有與種子激光束SB相同波長(zhǎng)(1064nm)的YAG激光束。
由于放大光纖10將種子激光束SB限制在具有10μm量級(jí)的直徑和幾米量級(jí)的長(zhǎng)度的細(xì)長(zhǎng)芯中，因此可以獲得具有小光束直徑和小光束擴(kuò)散角的加工激光光束MB。由于入射到放大光纖10的端面10b上的芯激勵(lì)光FB在傳播通過長(zhǎng)的光路徑期間經(jīng)過芯許多次而消耗激勵(lì)能量，因此低功率(例如1W)種子激光束SB可以以很高的效率被放大到高功率(例如30W)加工激光束MB。
由于放大光纖10的芯不引起熱透鏡效應(yīng)，因此光束模非常穩(wěn)定，不需要專門的冷卻。因此，種子激光束SB的單?？梢苑€(wěn)定地保持，并在放大光纖10中放大以獲得單模加工激光束MB。
芯激勵(lì)FB在放大光纖10中消耗了幾乎所有激光能量，并且從放大光纖10的一個(gè)端面出來，光強(qiáng)度大大減弱。為了側(cè)向偏轉(zhuǎn)經(jīng)過放大光纖10之后的、使用過的芯激勵(lì)光FB，可以在入射光學(xué)系統(tǒng)38和40的光路徑上傾斜地放置反光鏡(未示出)。
Q-開關(guān)脈沖加工激光束MB在上述光軸上從放大光纖10的端面10b出來，直接穿過反射鏡60，并且在例如由折射鏡(bent mirror)64改變光路徑之后進(jìn)入激光發(fā)射單元16。
激光發(fā)射單元16配有檢流掃描儀、fθ透鏡等。檢流掃描儀包括一對(duì)可移動(dòng)的鏡，其允許在兩個(gè)正交方向上振蕩移動(dòng)，并且檢流掃描儀在控制單元20的控制下，與種子激光振蕩單元12的Q-開關(guān)操作同步地將兩個(gè)可移動(dòng)的鏡的方向控制到預(yù)定角度，以便將來自放大光纖10的Q-開關(guān)脈沖加工激光束MB會(huì)聚并施加到加工臺(tái)18上的工件W表面上的期望位置。盡管在工件W表面上執(zhí)行的穿刺加工典型地是畫字符、圖形等的加工，但也可以執(zhí)行諸如修整之類的表面移除加工。
在該實(shí)施例中，例如，將光傳感器64放置在折射鏡62附近或后面來測(cè)量Q-開關(guān)脈沖加工激光束MB的激光功率。光傳感器64包括例如由光電二極管構(gòu)成的光電換能器，并且在折射鏡62的后面接收漏光LMB，以生成表示加工激光束MB的激光功率(例如，峰值功率或平均功率)的電信號(hào)(激光功率檢測(cè)值)JMB。從光傳感器64獲得的激光功率檢測(cè)值JMB被送到種子激光振蕩單元12的LD電源36。
LD電源36從控制單元20接收用于加工激光束MB的激光功率的設(shè)定值PS，作為反饋控制的參考值，并且從光傳感器64接收激光功率檢測(cè)值JMB，作為反饋返回的信號(hào)。對(duì)每個(gè)Q-開關(guān)脈沖都比較PS和JMB以獲得誤差，并且控制LD 32的驅(qū)動(dòng)電流ILD，使得在下一Q-開關(guān)中誤差達(dá)到0。
例如，如圖2所示，如果對(duì)于一個(gè)Q-開關(guān)脈沖，激光功率檢測(cè)值JMB低于設(shè)定值PS，則根據(jù)誤差的量值，增加LD驅(qū)動(dòng)電流(恒定電流)ILD的電流值。LD 32是具有可以以高響應(yīng)速度任意和可變地控制的、小驅(qū)動(dòng)電流ILD的小功率LD。即，如果Q-開關(guān)頻率相當(dāng)高，則可以以足夠的容限對(duì)每個(gè)周期的Q-開關(guān)操作執(zhí)行反饋控制。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流ILD被適當(dāng)增加時(shí)，在下一Q-開關(guān)所生成的種子激光束SB中，激光功率變得比之前高了一些，并且相應(yīng)的加工激光束MB的激光功率也變得比之前高了一些，并且達(dá)到參考值PS。
這樣，對(duì)于每個(gè)Q-開關(guān)脈沖，光傳感器64將加工激光束MB的激光功率反饋到LD電源36，并且LD電源36響應(yīng)于該反饋，迅速和可變地控制到小功率LD 32的驅(qū)動(dòng)電流ILD，以在下一Q-開關(guān)中對(duì)種子激光束SB的激光功率施加負(fù)反饋補(bǔ)償。該負(fù)反饋補(bǔ)償還被施加到根據(jù)種子激光束SB從放大光纖10中獲得的高功率加工激光束MB的激光功率，并且每個(gè)脈沖的激光功率和激光能量穩(wěn)定在設(shè)定值附近。由于激光功率和激光能量的穩(wěn)定性、結(jié)合上述單模，因此可以大大提高激光加工質(zhì)量(尤其是，加工能力和加工精度)。
盡管描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但上述實(shí)施例不限制本發(fā)明。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以做出各種修改和改變，而不背離特定實(shí)施例中的本發(fā)明技術(shù)構(gòu)思和技術(shù)范圍。
例如，盡管上述實(shí)施例涉及Q-開關(guān)模式的激光加工裝置，但本發(fā)明不限于Q-開關(guān)模式。例如，如圖3所示，在種子激光振蕩單元12中可以省略Q-開關(guān)28。在該裝置配置中，在控制單元20的控制下，LD電源36將提供到激勵(lì)LD 32的驅(qū)動(dòng)電流ILD控制成任意脈沖波形，以允許種子激光振蕩單元12生成脈沖激光束作為種子激光束SB，并且從而可以從放大光纖10獲得脈沖激光束作為加工激光束MB。在這種情況下，光傳感器64也可以對(duì)每個(gè)脈沖測(cè)量加工激光束MB的激光功率，來將激光功率測(cè)量值JMB反饋到LD電源36。
例如，如圖4所示，如果對(duì)于一個(gè)脈沖，激光功率檢測(cè)值JMB低于設(shè)定值PS，那么根據(jù)誤差的量值增加LD驅(qū)動(dòng)電流(恒定電流)ILD的電子電流值。在這種情況下，由于LD 32是小功率LD，因此LD電源36可以快速和細(xì)致地執(zhí)行脈沖驅(qū)動(dòng)電流ILD的波形控制。通過這種方式，種子激光振蕩單元12振蕩并輸出具有對(duì)應(yīng)于驅(qū)動(dòng)電流ILD的、具有反饋控制補(bǔ)償?shù)拿}沖波形的脈沖波形的種子激光束SB，并且從放大光纖10得到對(duì)應(yīng)于該種子激光束SB的脈沖波形的加工激光束MB。在不使用Q-開關(guān)的情況下，可以如上所述生成脈沖加工激光束MB并用于各種激光加工。
特別是，對(duì)于對(duì)工件具有大的熱量輸入的激光加工(如激光焊接)來說，通常最好使用正常脈沖或長(zhǎng)脈沖(具有0.1ms或更多的脈沖寬度)的脈沖激光束。在這種情況下，對(duì)LD驅(qū)動(dòng)電流ILD使用具有任意波形的長(zhǎng)脈沖的脈沖電流，以便種子激光振蕩單元12生成對(duì)應(yīng)于長(zhǎng)脈沖驅(qū)動(dòng)電流ILD的長(zhǎng)脈沖種子激光束SB；從放大光纖10得到對(duì)應(yīng)于該種子激光束SB的長(zhǎng)脈沖加工激光束MB；并且該長(zhǎng)脈沖加工激光束MB可以被施加到工件W，來執(zhí)行期望的激光焊接。在這種長(zhǎng)脈沖模式下，光傳感器64獲得的激光功率測(cè)量值JMB可以被反饋到LD電源36，來執(zhí)行驅(qū)動(dòng)電流ILD的波形控制，因此實(shí)時(shí)地執(zhí)行加工激光束MB的波形控制。如果種子激光振蕩單元12逐一地或間歇地生成種子激光束SB，則纖芯激勵(lì)單元14可以同步地、逐一地或間歇地生成芯激勵(lì)光FB。
如圖3所示，激光發(fā)射單元16可以配置為固定發(fā)射型(不掃描型)，包括準(zhǔn)直透鏡66、光閘(shutter)68和會(huì)聚透鏡70，而不是由檢流掃描儀和fθ透鏡組成的掃描機(jī)制。加工臺(tái)18可以以XY臺(tái)機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)、θ旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等布置。
如圖3所示，纖芯激勵(lì)單元14可以與種子激光振蕩單元12共同光學(xué)耦合到放大光纖10的一個(gè)端面10a。在這種情況下，反射鏡60放置在種子激光束SB的會(huì)聚透鏡40與放大光纖10的一個(gè)端面10a之間。來自種子激光振蕩單元12的種子激光束SB的光束直徑被擴(kuò)束器38擴(kuò)展，由會(huì)聚透鏡40會(huì)聚，直接穿過反射鏡60，并被會(huì)聚和入射到放大光纖10的芯端面10a上。另一方面，從傳輸光纖46的端面46b發(fā)出的芯激勵(lì)光FB被準(zhǔn)直透鏡50準(zhǔn)直成平行光，被會(huì)聚透鏡52會(huì)聚，并通過以與反射鏡60成直角彎曲光路，入射到放大光纖10的端面10a上。放大光纖10中每個(gè)光束的操作，如傳播和放大，基本與上述實(shí)施例相同，并且也從放大光纖10的另一端10b得到高功率加工激光束MB。
盡管在上述實(shí)施例中對(duì)種子激光振蕩單元12使用YAG激光，但也可以使用其他形式或模式的激光，并且對(duì)種子激光束和激勵(lì)光可以任意選擇波形。盡管上述實(shí)施例的激光加工裝置是完全氣冷的，但該裝置也可以是部分地水冷的。
盡管這里詳細(xì)描述了本發(fā)明的示例性和當(dāng)前優(yōu)選實(shí)施例，但應(yīng)當(dāng)理解，可以通過其他不同方式實(shí)現(xiàn)和采用該發(fā)明構(gòu)思，并且權(quán)利要求書意圖包括這些變型，除了目前受現(xiàn)有技術(shù)所限的外。
權(quán)利要求
1.一種激光加工裝置，包括種子激光振蕩單元，振蕩并輸出種子激光束；放大光纖，包括包含預(yù)定的稀土元素的芯，該放大光纖通過一端將來自種子激光振蕩單元的種子激光束引入到芯中，以將該種子激光束傳播到另一端；纖芯激勵(lì)單元，激勵(lì)該芯來將放大光纖的芯中的該種子激光束放大；激光發(fā)射單元，將從放大光纖的所述另一端得到的、作為放大的種子激光束的加工激光束施加到工件；和激光功率測(cè)量單元，測(cè)量該加工激光束的激光功率，從激光功率測(cè)量單元獲得的激光功率測(cè)量值被反饋到種子激光振蕩單元，以控制該種子激光束的激光功率。
2.如權(quán)利要求1所述的激光加工裝置，其中該芯由摻有鐿的石英制成。
3.如權(quán)利要求1或2所述的激光加工裝置，其中種子激光振蕩單元振蕩并輸出Q-開關(guān)脈沖激光束，作為該種子激光束。
4.如權(quán)利要求1所述的激光加工裝置，其中種子激光振蕩單元包括光學(xué)諧振腔，包括光學(xué)相對(duì)排列的一對(duì)鏡；放置于光學(xué)諧振腔中的光路上的固體激活媒質(zhì)；激活媒質(zhì)激勵(lì)單元，其連續(xù)地激勵(lì)該激活媒質(zhì)；放置在光學(xué)諧振腔中的光路上的Q-開關(guān)；和Q-開關(guān)驅(qū)動(dòng)單元，其驅(qū)動(dòng)Q-開關(guān)來以預(yù)定定時(shí)生成Q-開關(guān)脈沖激光束，并且其中來自激光功率測(cè)量單元的激光功率測(cè)量值被反饋到激活媒質(zhì)激勵(lì)單元。
5.如權(quán)利要求4所述的激光加工裝置，其中激活媒質(zhì)激勵(lì)單元包括第一激光二極管，輸出連續(xù)振蕩的第一激勵(lì)光；第一激光電源單元，驅(qū)動(dòng)第一激光二極管發(fā)光；和第一光學(xué)透鏡，將第一激光二極管振蕩和輸出的第一激勵(lì)光會(huì)聚并施加到該激活媒質(zhì)，并且其中第一激光電源單元基于加工激光束的激光功率的參考值和來自激光功率測(cè)量單元的激光功率測(cè)量值，控制到第一激光二極管的驅(qū)動(dòng)電流的電流值。
6.如權(quán)利要求5所述的激光加工裝置，其中第一光學(xué)透鏡將第一激勵(lì)光會(huì)聚并施加到該激活媒質(zhì)的一個(gè)端面。
7.如權(quán)利要求3到6中任一個(gè)所述的激光加工裝置，其中激光發(fā)射單元包括檢流掃描儀，用于以期望圖案用加工激光束掃描工件。
8.如權(quán)利要求1或2所述的激光加工裝置，其中激光發(fā)射單元振蕩并輸出脈沖激光束，其波形可被控制得與該種子激光束一樣。
9.如權(quán)利要求8所述的激光加工裝置，其中種子激光振蕩單元包括光學(xué)諧振腔，包括光學(xué)相對(duì)排列的一對(duì)鏡；放置于光學(xué)諧振腔中的光路上的固體激活媒質(zhì)；和激活媒質(zhì)激勵(lì)單元，其激勵(lì)該激活媒質(zhì)來生成脈沖激光束，并且其中來自激光功率測(cè)量單元的激光功率測(cè)量值被反饋到激活媒質(zhì)激勵(lì)單元。
10.如權(quán)利要求9所述的激光加工裝置，其中激活媒質(zhì)激勵(lì)單元包括第一激光二極管，輸出脈沖振蕩的第一激勵(lì)光；第一激光電源單元，驅(qū)動(dòng)第一激光二極管發(fā)光；和第一光學(xué)透鏡，將第一激光二極管振蕩和輸出的第一激勵(lì)光會(huì)聚并施加到該激活媒質(zhì)，并且其中第一激光電源單元基于加工激光束的激光功率波形的參考信號(hào)和來自激光功率測(cè)量單元的激光功率測(cè)量值，控制到第一激光二極管的驅(qū)動(dòng)電流的波形或峰值。
11.如權(quán)利要求5到10中任一個(gè)所述的激光加工裝置，包括第一冷卻單元，其用氣冷來冷卻第一激光二極管。
12.如權(quán)利要求11所述的激光加工裝置，其中第一冷卻單元用氣冷來一起冷卻激活媒質(zhì)和第一激光二極管。
13.如權(quán)利要求5到11中任一個(gè)所述的激光加工裝置，包括第二冷卻單元，其用氣冷來冷卻激活媒質(zhì)。
14.如權(quán)利要求1到13中任一個(gè)所述的激光加工裝置，其中纖芯激勵(lì)單元包括第二激光二極管，振蕩并輸出脈沖振蕩或連續(xù)振蕩的第二激勵(lì)光；第二激光電源單元，驅(qū)動(dòng)第二激光二極管發(fā)光；和傳輸光纖，將第二激光二極管與放大光纖光耦合，并且其中從第二激光二極管振蕩并輸出的第二激勵(lì)光通過傳輸光纖，入射到放大光纖的一個(gè)端面或另一端面。
15.如權(quán)利要求14所述的激光加工裝置，包括第三冷卻單元，其用氣冷來冷卻第二激光二極管。
16.如權(quán)利要求11、12、13和15中任一個(gè)所述的激光加工裝置，其中冷卻單元包括珀耳帖效應(yīng)器件。
全文摘要
該激光加工裝置包括放大光纖、種子激光振蕩單元、纖芯激勵(lì)單元、激光發(fā)射單元、控制單元、光傳感器等。來自種子激光振蕩單元的Q－開關(guān)脈沖種子激光束進(jìn)入放大光纖的一個(gè)端面，并且來自纖芯激勵(lì)單元14的連續(xù)振蕩的芯激勵(lì)光進(jìn)入另一端面。在通過放大光纖的傳播期間，種子激光束在激活的芯中被放大，并且作為高功率加工激光束從放大光纖的另一端面出來。光傳感器64將加工激光束的激光功率反饋到種子激光振蕩單元。
文檔編號(hào)H01S3/08GK101043119SQ20071009181
公開日2007年9月26日 申請(qǐng)日期2007年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月23日
發(fā)明者山崎信幸, 榮一德 申請(qǐng)人:宮地技術(shù)株式會(huì)社