一种激光熔接装置

1.本发明涉及激光焊接技术领域，特别涉及一种基于1.9
µ
m激光的熔接装置。


背景技术：

2.激光焊接或切割在激光应用领域发挥着重要的作用，特别是对于大功率激光焊接或切割的推广及应用越来越受到广泛关注。
3.但现有的激光焊接或切割技术中，一方面对于大功率光源的获取存在技术障碍，另一方面对于激光焊接或切割的光斑功率密度的控制也存在瓶颈，导致激光焊接或切割的应用受到一定的限制。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了解决目前的激光焊接或切割中存在的技术问题，而提出了一种基于1.9
µ
m激光的熔接装置。
5.具体的，本发明提供一种基于1.9
µ
m激光的熔接装置，包括：1.9
µ
m激光光源、控制单元和光斑调节装置，所述控制单元通过控制所述激光光源和光斑调节装置以调节待熔接物处的激光功率密度；所述1.9
µ
m激光光源输出功率为100-500w；所述控制单元包括时间控制单元、功率控制单元和光斑控制单元，所述时间控制单元用于控制激光光源的开启时间，所述功率控制单元用于控制激光光源的输出功率，所述光斑控制单元控制所述光斑调节装置以调节待熔接物处的光斑大小；所述光斑调节装置包括：镜筒、沿所述镜筒内侧壁轴向设置的电动滑道以及设置于所述镜筒内的多个光学镜头，所述光斑控制单元通过所述电动滑道控制所述多个光学镜头的间距以调节待熔接物处的光斑大小。
6.在一些实施例中，所述多个光学镜头包括：第一透镜、第二透镜和第三透镜，所述第一透镜作为准直透镜设置于所述镜筒的光入射端；所述第二透镜和第三透镜沿所述电动滑道滑动来改变待熔接物处的光斑大小。
7.在一些实施例中，所述激光光源包括：谐振腔和位于所述谐振腔内的n个不连续激光晶体，所述谐振腔由全反镜与输出镜组成，所述全反镜镀有1.9
µ
m高反射膜层，输出镜镀有对1.9
µ
m透过率为10%的膜层，所述n个不连续激光晶体均为tm:yap，所述n个不连续激光晶体均采用侧面泵浦方式；其中，每一所述激光晶体侧面分别设置有环绕所述激光晶体的半导体泵浦光源，n个不连续激光晶体侧面设置有n个半导体泵浦光源，每一个所述半导体泵浦光源环绕所述激光晶体的角度小于360度，n个半导体泵浦光源环绕所述n个不连续激光晶体的角度和为360度，n为大于等于4的自然数。
8.在一些实施例中，所述n个半导体泵浦光源中任意两个半导体泵浦光源环绕所述激光晶体的轨迹在所述激光晶体端面沿垂直于光路方向形成的投影面上的投影不重叠。
9.在一些实施例中，所述n个半导体泵浦光源环绕所述激光晶体的轨迹在所述激光晶体端面沿垂直于光路方向形成的投影面上的投影形成一个完整的圆。
10.在一些实施例中，环绕所述n个激光晶体的所述n个半导体泵浦光源的轨迹在所述激光晶体端面沿垂直于光路方向形成的投影面上依次投影，投影轨迹首尾相接连续形成一个完整的圆。
11.在一些实施例中，沿光路方向，所述n个半导体泵浦光源与对应的所述n个激光晶体沿光路方向的长度相同。
12.在一些实施例中，所述n个不连续激光晶体具有相同的截面。
13.在一些实施例中，所述n个不连续激光晶体具有相同或不同的长度。
14.在一些实施例中，所述n个不连续激光晶体的截面为3mm*3mm；所述n个不连续激光晶体的长度为10-20mm，所述n个不连续激光晶体均为掺tm的激光晶体，掺杂浓度与激光晶体的长度成正比。
15.本发明的有益效果：本发明通过对1.9
µ
m大功率激光光源以及光斑调节装置的控制，改变待熔接物体处的光斑大小和焦距深度，从而能够实现高精度切割或焊接。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1为本发明一实施例所示的基于1.9
µ
m激光的熔接装置结构示意图。
18.图2为本发明一实施例所示的1.9
µ
m激光光源结构示意图。
19.图3为本发明一实施例所示的多晶体与侧面泵浦光源投影示意图。
20.图4为本发明另一实施例所示的1.9
µ
m激光光源结构示意图。
21.图5为本发明另一实施例所示的多晶体与侧面泵浦光源投影示意图。
具体实施方式
22.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
23.下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
24.如图1所示，本发明提供一种基于1.9
µ
m激光的熔接装置，用于对特殊塑料材料的焊接或切割，包括：1.9
µ
m激光光源1、控制单元2和光斑调节装置6，所述控制单元2通过控制所述激光光源1和光斑调节装置6以调节待熔接物处的激光功率密度；所述1.9
µ
m激光光源1输出功率为100-500w，通过提供高功率的激光光源，为激光切割提供了充足的能量；所述控制单元2包括时间控制单元3、功率控制单元4和光斑控制单元5，所述时间控制单元3用于控制激光光源1的开启时间，从而控制激光的输出时间；所述功率控制单元4用于控制激光光源1的输出功率，所述光斑控制单元5控制所述光斑调节装置6以调节待熔接物处的光斑大
小；所述光斑调节装置6包括：镜筒7、沿所述镜筒内侧壁轴向设置的电动滑道（未图示）以及设置于所述镜筒7内的多个光学镜头，所述光斑控制单元5通过所述电动滑道控制所述多个光学镜头的间距以调节待熔接物11处的光斑大小。
25.本发明通过对1.9
µ
m大功率激光光源以及光斑调节装置的控制，改变待熔接物处的光斑大小和焦距深度，从而能够实现高精度切割或焊接。
26.其中，所述1.9
µ
m激光光源必须是一个大功率激光光源，用于提供切割或焊接的功率。
27.所述多个光学镜头包括：第一透镜8、第二透镜10-1和第三透镜10-2，所述第一透镜8作为准直透镜设置于所述镜筒7的光入射端；所述第二透镜10-1和第三透镜10-2沿所述电动滑道滑动来改变待熔接物11处的光斑大小。
28.通过调制时间控制单元3和功率控制单元4来控制激光光源1的运转时间和输出功率，通过光斑控制单元5调节光斑调节装置6来改变待熔接物11处的光斑大小，进而改变待熔接物处的功率密度，以适应待熔接物的材料（例如熔点、硬度、脆度等）来对待熔接物进行切割和/或熔接。光斑调节装置6由一个金属圆筒带有2个电动滑道（间距为圆筒的直径距离）及三个凸透镜构成，第一透镜8作为准直透镜固定在金属圆筒里面，第二透镜10-1和第三透镜10-2可以沿着电动滑道改变位置用来改变待熔接物处的光斑大小和焦距深度，控制阀9-1和控制阀9-2在光斑控制单元5的控制下随第二透镜10-1一起移动，并在合适位置固定第二透镜10-1，控制阀9-3和控制阀9-4在光斑控制单元5的控制下随第三透镜10-2一起移动，并在合适位置固定第三透镜10-2。通过调节第二透镜10-1和第三透镜10-2的间距来调节输出到待熔接物处的光斑大小，结合激光光源1的输出功率，最终可以调节输出待熔接物处的功率密度，以适配待熔接物的熔点、硬度、脆度等特性，待熔接物一般为有机塑料材料，有机塑料材料对于1.9
µ
m激光具有较强的吸收性能，对于切割面能够避免产生毛刺现象，熔接过程也能实现熔接处的平滑连接。
29.作为1.9
µ
m激光光源的需求，激光光源必须是一个大功率1.9
µ
m波长激光光源，实现掺tm固体激光1.9
µ
m输出是采用波长为790nm波段的激光二极管对掺tm晶体进行端面泵浦，此种1.9
µ
m实现方式在激光光源调试过程中需要对泵浦光进行整形聚焦，同时还需要调节泵浦光光路，使之与振荡光重合以达到高输出效率。此外，790nm波段作为泵浦源属于非带内泵浦，会产生较高的热效应，激光转换效率低，因此要实现高功率1.9
µ
m激光输出需要加大散热效率，在现有散热效率无法提高的基础上很难实现大功率的输出。
30.侧面泵浦优点是激光晶体内的增益区域大且均匀，因而内部不会出现局部高温现象，可以作为高功率激光的泵浦结构使用。并且，侧面泵浦结构相对简洁，无需对泵浦光进行整形以及调节泵浦光与振荡光共轴等操作，大大简化了谐振腔调试流程，对激光光源整体系统的稳定性提升也具有很大优势。此外，实现高效率泵浦一般采用带内泵浦技术，来提升激光转换效率，降低热效应。相比之下，tm离子在1.7
µ
m波段的吸收谱宽度远远宽于790nm波段，同时，为实现高功率激光输出，可以在激光谐振腔内插入多个激光工作介质。因此，对掺tm离子激光光源采用侧面泵浦技术以及1.7
µ
m带内泵浦技术，同时腔内使用多个激光工作介质，能够实现高功率、高效率、稳定、调试以及操作便捷、结构简单的1.9
µ
m输出。
31.具体，在一些实施例中，如图2和图3所示，激光光源1包括：谐振腔和位于所述谐振腔内的n个不连续激光晶体，谐振腔为折叠腔，n个不连续激光晶体例如n为7, n为大于等于
4的自然数，n的取值取决于输出功率的需求以及泵浦功率的性能，激光晶体包括第一激光晶体220、第二激光晶体221、第三激光晶体222、第四激光晶体223、第五激光晶体224、第六激光晶体225、第七激光晶体226；所述谐振腔由多个全反镜与输出镜217组成，多个全反镜例如包括第一全反镜210、第二全反镜211、第三全反镜212、第四全反镜213、第五全反镜214、第六全反镜215、第七全反镜216，其中，第二全反镜211、第三全反镜212、第四全反镜213、第五全反镜214、第六全反镜215、第七全反镜216均为小角度全反射镜，例如在10度以内，以使得折叠腔经过多次折叠后更加紧凑，每两个全反射镜之间设置一个激光晶体以及对应的半导体侧面泵浦光源，所述全反镜镀有1.9
µ
m高反射膜层，输出镜217镀有对1.9
µ
m透过率为10%的膜层，所述n个不连续激光晶体均为tm:yap，所述n个不连续激光晶体均采用侧面泵浦方式，各个泵浦光源的泵浦光分别穿过对应的激光晶体进行泵浦，侧面泵浦光源采用1.7
µ
m半导体激光二极管阵列泵浦源，谐振腔内设置有多个模式匹配镜，例如第一模式匹配镜100、第二模式匹配镜110、第三模式匹配镜120，各模式匹配镜用于保证各晶体输出的光模式一致，从而保证激光的整体输出品质和输出功率。
32.如图2所示，每一所述激光晶体侧面分别设置有环绕所述激光晶体的半导体泵浦光源，n个不连续激光晶体侧面设置有n个半导体泵浦光源，例如，第一激光晶体220设置第一半导体泵浦光源230、第二激光晶体221设置第二半导体泵浦光源231、第三激光晶体222设置第三半导体泵浦光源232、第四激光晶体223设置第四半导体泵浦光源233、第五激光晶体224设置第五半导体泵浦光源234、第六激光晶体225设置第六半导体泵浦光源235、第七激光晶体226设置第七半导体泵浦光源236，每一个半导体泵浦光源环绕与其对应的一个激光晶体的一部分，即，每一个所述半导体泵浦光源环绕与其对应的一个激光晶体的角度小于360度，例如半导体泵浦光源环绕激光晶体的角度为90度，n个半导体泵浦光源环绕所述n个不连续激光晶体的角度和为360度，n为大于等于4的自然数。
33.在一些实施例中，如图3所示，图3给出了从各激光晶体端面一侧给出的激光晶体和对应的半导体泵浦光源的位置关系，并将n对激光晶体和对应的半导体泵浦光源拼接到一起后的示意图，可以看出，所述n个半导体泵浦光源中任意两个半导体泵浦光源环绕所述激光晶体的轨迹在所述激光晶体端面的投影面上不重叠。当半导体泵浦光源有重叠时，导致重叠部位的激光晶体都会接收到泵浦激光，从而产生热效应，使得沿光路方向上重叠的晶体位置的粒子数产生反转，产生的热效应对重叠部位的振荡激光的性能产生影响，进而影响激光光源的整体的激光输出品质和功率。
34.在一些实施例中，所述n个半导体泵浦光源环绕所述激光晶体的轨迹在所述激光晶体端面方向的投影轨迹形成一个完整的圆。如图3所示，沿光路方向将n对激光晶体和对应的半导体泵浦光源拼接到一起后，环绕所述n个激光晶体的所述n个半导体泵浦光源的轨迹在所述激光晶体端面所构成的投影面依次投影，投影轨迹首尾相接连续形成一个完整的圆，从而最大限度的利用各晶体的性能产生激光振荡，提升激光晶体的泵浦效率。其中，n个半导体泵浦光源覆盖的角度可以相同也可以不同，当对应的激光晶体的长度相同时，可以设置n个半导体泵浦光源覆盖的角度相同，例如6个激光晶体设置6个泵浦光源，沿光路方向每一个泵浦光源依次覆盖对应的激光晶体的60度范围。由于各激光晶体的各种参数相同，包括长度、截面、掺杂浓度等，采用相同覆盖范围的泵浦光源并采用相同的泵浦功率进行泵浦，对于每一个激光晶体内的热透镜效应都是相同的，通过预先模拟其中一个激光晶体的
泵浦光与热透镜效应的对应关系，就可以对各个激光晶体采用相同的泵浦方式泵浦，减少了激光调试环节的程序，且能够保证每一个激光晶体都有相同参数的激光输出，增加了最终激光输出的稳定性，也保证了输出激光的光学品质和功率。
35.在一些实施例中，n个半导体泵浦光源覆盖的角度也可以不同，当对应的激光晶体的长度不相同或掺杂浓度不同时，可以设置n个半导体泵浦光源覆盖的角度不同相同，一般覆盖角度与掺杂浓度和/或激光晶体的长度成正比，例如6个激光晶体设置6个泵浦光源，沿光路方向每一个泵浦光源依次覆盖对应的激光晶体120度、90度、60度、30度、60度。根据激光晶体的长度和/或掺杂浓度匹配相对应的覆盖角度，能够在热透镜效应范围内最大化的提升激光晶体的泵浦效率，使得每一对激光晶体和泵浦光源达到最佳的匹配状态，从而实现最大功率的激光输出。
36.在一些实施例中，沿光路方向，所述n个半导体泵浦光源与对应的所述n个激光晶体沿光路方向的长度相同。根据激光晶体的长度匹配等长度的泵浦光源，能够在热透镜效应范围内最大化的提升激光晶体的泵浦效率，使得每一对激光晶体和泵浦光源达到最佳的匹配状态，从而实现最大功率的激光输出。
37.在一些实施例中，所述n个不连续激光晶体具有相同的截面，从而保证各个激光晶体产生的振荡光共光轴，进而保证最终输出激光的窄脉宽特性。
38.在一些实施例中，所述n个不连续激光晶体具有相同或不同的长度。在一些实施例中，所述n个不连续激光晶体的截面为3mm*3mm；所述n个不连续激光晶体的长度为10-20mm。
39.在一些实施例中，所述n个不连续激光晶体均为掺tm的激光晶体，掺杂浓度与激光晶体的长度成正比。
40.在一些实施例中，通过配置相应数量的激光晶体，可以使得激光光源的最终输出的平均功率达到100w-500w，而这种高功率的输出在单一晶体结构下是很困难的。
41.本实施例通过侧面泵浦多个不连续激光晶体，能够实现高功率1.9微米激光输出，通过环绕设置的多个侧泵半导体泵浦光源解决了高功率下激光晶体的热效应问题，获得了大功率的激光输出。
[0042] 在另外的一些实施例中，如图4和图5所示，激光光源包括：谐振腔和位于所述谐振腔内的n个不连续激光晶体，n为大于等于4的自然数，n的取值取决于输出功率的需求以及泵浦功率的性能，例如n为4, 谐振腔采用直腔进行说明，激光晶体包括激光晶体一2200、激光晶体二2210、激光晶体三2220、激光晶体四2230；所述谐振腔由全反镜2100与输出镜2110组成，4个激光晶体以及对应的半导体侧面泵浦光源设置于谐振腔内，所述全反镜2100镀有1.9
µ
m高反射膜层，输出镜2110镀有对1.9
µ
m透过率为10%的膜层，所述4个不连续激光晶体均为tm:yap，所述4个不连续激光晶体均采用侧面泵浦方式，各个泵浦光源的泵浦光分别穿过对应的激光晶体进行泵浦，侧面泵浦光源采用1.7
µ
m半导体激光二极管阵列泵浦源，谐振腔内设置有至少一个模式匹配镜1000，用于保证各晶体输出的光模式一致，从而保证激光的整体输出品质和功率。
[0043]
如图4所示，每一所述激光晶体侧面分别设置有环绕所述激光晶体的半导体泵浦光源，n个不连续激光晶体侧面设置有n个半导体泵浦光源，例如，激光晶体一2200设置半导体泵浦光源一2300、激光晶体二2210设置半导体泵浦光源二2310、激光晶体三2220设置半导体泵浦光源三2320、激光晶体四2230设置半导体泵浦光源四2330（被遮挡），每一个所述
半导体泵浦光源环绕所述激光晶体的一部分形成，即，每一个所述半导体泵浦光源环绕所述激光晶体的角度小于360度，例如半导体泵浦光源环绕激光晶体的角度为90度，4个半导体泵浦光源环绕所述4个不连续激光晶体的角度和为360度。
[0044]
在一些实施例中，如图5所示，图5给出了从各激光晶体端面一侧给出的激光晶体和对应的半导体泵浦光源的位置关系，并将4对激光晶体和对应的半导体泵浦光源拼接到一起后的示意图，可以看出，所述4个半导体泵浦光源中任意两个半导体泵浦光源环绕所述激光晶体的轨迹在所述激光晶体端面的投影面上不重叠。当半导体泵浦光源有重叠时，导致重叠部位的激光晶体都会接收到泵浦激光，从而产生热效应，使得沿光路方向上重叠的晶体位置的粒子数产生反转，产生的热效应对重叠部位的振荡激光的性能产生影响，进而影响激光光源的整体的激光输出品质和功率。
[0045]
在一些实施例中，4个半导体泵浦光源环绕所述激光晶体的轨迹在所述激光晶体端面方向的投影轨迹形成一个完整的圆。如图5所示，沿光路方向将4对激光晶体和对应的半导体泵浦光源拼接到一起后，环绕4个激光晶体的4个半导体泵浦光源的轨迹在所述激光晶体端面所构成的投影面依次投影，投影轨迹首尾相接连续形成一个完整的圆。其中，4个半导体泵浦光源覆盖的角度可以相同也可以不同，当对应的激光晶体的长度相同时，可以设置4个半导体泵浦光源覆盖的角度相同，例如4个激光晶体设置4个泵浦光源，沿光路方向每一个泵浦光源依次覆盖对应的激光晶体的90度范围。由于各激光晶体的各种参数相同，包括长度、截面、掺杂浓度等，采用相同覆盖范围的泵浦光源并采用相同的泵浦功率进行泵浦，对于每一个激光晶体内的热透镜效应都是相同的，通过预先模拟其中一个激光晶体的泵浦光与热透镜效应的对应关系，就可以对各个激光晶体采用相同的泵浦方式泵浦，减少了激光调试环节的程序，且能够保证每一个激光晶体都有相同参数的激光输出，增加了最终激光输出的稳定性，也保证了输出激光的光学品质和功率。
[0046]
在一些实施例中，4个半导体泵浦光源覆盖的角度也可以不同，当对应的激光晶体的长度不相同或掺杂浓度不同时，可以设置4个半导体泵浦光源覆盖的角度不同相同，一般覆盖角度与掺杂浓度和/或激光晶体的长度成正比，例如4个激光晶体设置4个泵浦光源，沿光路方向每一个泵浦光源依次覆盖对应的激光晶体120度、90度、60度、90度。根据激光晶体的长度和/或掺杂浓度匹配相对应的覆盖角度，能够在热透镜效应范围内最大化的提升激光晶体的泵浦效率，使得每一对激光晶体和泵浦光源达到最佳的匹配状态，从而实现最大功率的激光输出。
[0047]
在一些实施例中，沿光路方向，4个半导体泵浦光源与对应的4个激光晶体沿光路方向的长度相同。根据激光晶体的长度匹配等长度的泵浦光源，能够在热透镜效应范围内最大化的提升激光晶体的泵浦效率，使得每一对激光晶体和泵浦光源达到最佳的匹配状态，从而实现最大功率的激光输出。
[0048]
在一些实施例中，4个不连续激光晶体具有相同的截面，从而保证各个激光晶体产生的振荡光共光轴，进而保证最终输出激光的窄脉宽特性。
[0049]
在一些实施例中，4个不连续激光晶体具有相同或不同的长度。在一些实施例中，4个不连续激光晶体的截面为3mm*3mm；所述n个不连续激光晶体的长度为10-20mm。
[0050]
在一些实施例中，4个不连续激光晶体均为掺tm的激光晶体，掺杂浓度与激光晶体的长度成正比。
[0051]
在一些实施例中，通过配置相应数量的激光晶体，可以使得激光光源的最终输出的平均功率达到100w-500w，而这种高功率的输出在单一晶体结构下是很困难的。
[0052]
本发明通过对1.9
µ
m大功率激光光源以及光斑调节装置的控制，改变待熔接物处的光斑大小和焦距深度，从而能够实现高精度切割或焊接。通过侧面泵浦多个不连续激光晶体，能够实现高功率1.9微米激光输出，通过环绕设置的多个侧泵半导体泵浦光源解决了高功率下激光晶体的热效应问题，获得了大功率的激光输出。
[0053]
最后应说明的是：本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0054]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。