雷射加工裝置的製作方法
2023-07-23 14:15:36
專利名稱：雷射加工裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種雷射加工裝置，其向工件施加雷射束來執行期望的雷射加工。
背景技術：
傳統上，固體雷射器常被用於諸如雷射焊接和雷射刺點(marking)之類的雷射加工，並且最常用的是YAG雷射器。對於一般的固體雷射器，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(active medium)；向該晶體的側面或端面施加激勵光以便光學充能(pump)或激勵晶體中的激活媒質；以及光學諧振腔諧振和放大從該晶體軸向發射的具有預定波長的振蕩光束，以獲得雷射束。儘管以前使用燈作為激勵光的光源，但目前主要使用半導體雷射器，即雷射二極體(LD)。
順便一提，在高精度雷射加工領域，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雷射加工裝置。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，具有優良的聚光性能，並且適合高精度加工。
然而在傳統的固體雷射器中，氣冷的單模雷射器限制在10W或更低的級別，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LD由於氣冷而導致的熱輻射容易影響晶體(激活媒質)，該晶體由於光學諧振腔的結構而被放置在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LD元件的陣列結構或棧結構)。就這一點來說，即使在高功率型的情況下，水冷型激勵LD對晶體的熱影響較小。然而，水冷型需要冷卻器，其最大的弱點就是最初成本和運行成本較高。
由於傳統的固體雷射器具有低的光-光轉換效率，因此如果激勵LD的功率增加到較高功率，那麼振蕩輸出雷射束的功率並沒有相應增加，而是雷射振蕩器中的損耗增加到較高的程度。在向晶體(激活媒質)的端面會聚和施加LD光來進行光激勵的端面激勵模式中，由於激勵LD的高功率，給晶體施加了額外的熱負荷，因此晶體容易損壞和老化。另一方面，在向側面施加LD光的側面激勵模式中，儘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LD的驅動電流，高速/細微的電流控制也變得更加困難，而且更難以根據設置控制LD光的功率，因此也更難以控制振蕩輸出雷射束的功率。
傳統技術中的上述問題在具有位於雷射振蕩器中的Q-開關的雷射刺點裝置中是值得注意的。即，由於Q-開關的脈衝雷射束的峰值功率很高，因此當獲得較高功率時，尤其是當在單模下獲得較高功率時，必須使用昂貴的抗雷射光學諧振腔反光鏡和Q-開關。另一個問題是，當Q-開關也是水冷的時，雷射振蕩器的成本進一步增加，而且由於每個脈衝的穩定性隨著功率的增加而降低，峰值難題發生變化(導致雷射加工質量的惡化)。
發明內容
考慮到現有技術中的上述問題構思了本發明，因此本發明的一個目的是提供一種可以容易地獲得高功率單模加工雷射束的雷射加工裝置。
本發明的另一目的是提供一種以完全氣冷的方式實現高效率、高功率和高穩定性的雷射的雷射加工裝置。
為了實現上述目的，本發明的一種雷射加工裝置包括種子雷射振蕩單元，振蕩並輸出種子雷射束；放大光纖，包括包含預定的稀土元素的芯，該放大光纖通過一端將來自種子雷射振蕩單元的種子雷射束引入到芯中，以將該種子雷射束傳播到另一端；纖芯激勵單元，激勵該芯來將放大光纖的芯中的該種子雷射束放大；雷射發射單元，將從放大光纖的所述另一端得到的、作為放大的種子雷射束的加工雷射束施加到工件；和雷射功率測量單元，測量該加工雷射束的雷射功率，從雷射功率測量單元獲得的雷射功率測量值被反饋到種子雷射振蕩單元，以控制該種子雷射束的雷射功率。
在上述配置中，在用纖芯激勵單元激勵放大光纖的芯的同時，種子雷射振蕩單元所生成的種子雷射束可以被引入並從一端傳播到另一端，以將種子雷射束在芯中放大或轉換成高功率加工雷射束。從放大光纖得到的加工雷射束被雷射發射單元施加到工件，同時雷射功率測量單元測量加工雷射束的雷射功率，並且將雷射功率測量值反饋到種子雷射振蕩單元。當種子雷射振蕩單元將雷射功率測量值與參考值進行比較來基於比較誤差補償種子雷射束的雷射輸出時，相應地補償了加工雷射束的雷射輸出。由於種子雷射振蕩單元可以被配置為小功率雷射，因此可以快速和精細地對種子雷射束的雷射功率執行可變控制，並且可以用氣冷規範容易地生成單模種子雷射束。
在本發明的一個方面中，種子雷射振蕩單元振蕩並輸出Q-開關脈衝雷射束，作為該種子雷射束。在這種情況下，雷射發射單元可以包括檢流掃描儀，用於以期望圖案用加工雷射束掃描工件。
根據本發明，在上述Q-開關模式中，種子雷射振蕩單元包括光學諧振腔，包括光學相對排列的一對鏡；放置於光學諧振腔中的光路上的固體激活媒質；激活媒質激勵單元，其連續地激勵該激活媒質；放置在光學諧振腔中的光路上的Q-開關；和Q-開關驅動單元，其驅動Q-開關來以預定定時生成Q-開關脈衝雷射束，並且來自雷射功率測量單元的雷射功率測量值被反饋到激活媒質激勵單元。在這樣的配置中，通過Q-開關在光學諧振腔中生成巨大的脈衝振蕩，並且從光學諧振腔得到具有非常高的峰值功率的Q-開關脈衝雷射束，作為種子雷射束。
根據一優選方面，激活媒質激勵單元包括第一雷射二極體，輸出連續振蕩的第一激勵光；第一雷射電源單元，驅動第一雷射二極體發光；和第一光學透鏡，將第一雷射二極體振蕩和輸出的第一激勵光會聚並施加到該激活媒質。第一雷射電源單元基於加工雷射束的雷射功率的參考值和來自雷射功率測量單元的雷射功率測量值，控制到第一雷射二極體的驅動電流的電子電流值。由於在本發明中種子雷射束的雷射功率可以較低，因此第一雷射二極體可以是小功率型的，並且第一雷射電源單元可以用小驅動電流來驅動第一雷射二極體發光。由於第一雷射二極體的熱輻射量較小，因此可以以較小的尺寸設計氣冷機構。為了獲得單模雷射束，最好使用端面激勵模式，並且第一雷射二極體所生成的第一激勵光被會聚併入射到激活媒質的一個端面。
在本發明中，種子雷射振蕩單元可以被配置以振蕩並輸出脈衝雷射束，其波形可被控制得與該種子雷射束一樣。根據一個優選方面，種子雷射振蕩單元包括光學諧振腔，包括光學相對排列的一對鏡；放置於光學諧振腔中的光路上的固體激活媒質；和激活媒質激勵單元，其激勵該激活媒質來生成脈衝雷射束，並且來自雷射功率測量單元的雷射功率測量值被反饋到激活媒質激勵單元。在這種情況下，激活媒質激勵單元包括第一雷射二極體，輸出脈衝振蕩的第一激勵光；第一雷射電源單元，驅動第一雷射二極體發光；和第一光學透鏡，將第一雷射二極體振蕩和輸出的第一激勵光會聚並施加到該激活媒質。第一雷射電源單元基於加工雷射束的雷射功率波形的參考值和來自雷射功率測量單元的雷射功率測量值，控制到第一雷射二極體的驅動電流的波形或峰值。
根據一優選方面，包括第一冷卻單元，其用氣冷來冷卻第一雷射二極體。第一冷卻單元用氣冷來一起冷卻激活媒質和第一雷射二極體。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。
根據一優選方面，纖芯激勵單元包括第二雷射二極體，振蕩並輸出脈衝振蕩或連續振蕩的第二激勵光；第二雷射電源單元，驅動第二雷射二極體發光；和傳輸光纖，將第二雷射二極體與放大光纖光耦合，並且從第二雷射二極體振蕩並輸出的第二激勵光通過傳輸光纖，入射到放大光纖的一個端面或另一端面。用這種光纖耦合LD激勵模式，纖芯激勵單元可以被放置在任何位置，特別是在遠離加工位置和種子雷射振蕩單元的位置。
在纖芯激勵單元中，也可以用氣冷來冷卻第二雷射二極體。即，由於可以避免種子雷射振蕩單元中的熱輻射的影響，如果第二雷射二極體是高功率雷射，則第二雷射二極體可以適用氣冷模式。
根據本發明的雷射加工裝置，使用上述配置，可以容易地獲得高功率的單模加工雷射束，並且可以以完全氣冷的方式實現高效率、高功率和高穩定性的雷射。結果，可以提高雷射加工能力和精度，並且可以減少成本。
通過下面結合附圖的詳細描述，本發明的上述和其他目的、方面、特徵和優點將變得更加清楚，其中圖1是根據本發明一個實施例的雷射加工裝置的結構框圖；圖2是根據該實施例的雷射加工裝置的操作的波形圖；圖3是根據另一實施例的雷射加工裝置的結構框圖；和圖4是根據該實施例的雷射加工裝置的操作的波形圖。
具體實施例方式
下面將結合附圖描述本發明的優選實施例。
圖1繪出根據本發明一個實施例的雷射加工裝置的結構。該雷射加工裝置被配置為雷射刺點裝置，並且包括用於放大的光纖(下面稱為「放大光纖」)10、種子雷射振蕩單元12、纖芯激勵單元14、雷射發射單元16、加工表18、控制單元20、光傳感器64等。
儘管未示出，但放大光纖10包括例如由摻雜有稀土元素(例如鐿(Yb))離子的石英製成的芯、以及由例如同軸環繞著芯的石英製成的包層；芯被定義為稍後描述的種子雷射束SB的傳播光路徑；而包層被定義為芯激勵光FB的傳播光路徑。放大光纖10可以是任何長度，例如幾米。
種子雷射振蕩單元12被配置為YAG雷射振蕩器，其振蕩和輸出Q-開關的脈衝YAG雷射束(具有1064nm的波長)，並且YAG棒(激活媒質)26和Q-開關28在光學諧振腔內被直線排列地放置，光學諧振腔包括光學上相對排列的一對鏡22和24。Q-開關28例如是聲光開關，並且在控制單元20的控制下由Q-開關驅動器30以預定頻率開關。
種子雷射振蕩單元12採用端面激勵模式來激勵YAG棒26。具體地說，雷射二極體(LD)32作為激勵光源放置在光學諧振腔的全反射鏡22後面，並且來自激勵LD 32的激活媒質激勵光EB被會聚透鏡34會聚，並且施加到YAG棒26的端面。全反射鏡22具有不反射激勵光EB的波長的塗層。
LD 32被LD電源36驅動以發光，對激勵光EB連續振蕩並輸出具有波長808nm的雷射束，並且連續和可持續地用激勵光EB的能量對YAG棒26泵浦(pump)。當通過連續激勵在光學諧振腔中累積能量並且Q-開關28被切換時，在光學諧振腔中出現巨大的脈衝振蕩，並且從光學諧振腔的輸出鏡24輸出具有極高峰值功率的Q-開關的脈衝YAG雷射束。
通過這種方式，Q-開關的脈衝YAG雷射束被振蕩並從種子雷射振蕩單元12輸出，並且作為種子雷射束SB被導入放大光纖10。具體地說，放大光纖10的一個端面10a相對地放置在種子雷射振蕩單元12的雷射出射口處，使得光軸對準，並且其間放置入射光學系統的擴束器38和會聚透鏡40。來自種子雷射振蕩單元12的Q-開關的脈衝YAG雷射束，即，種子雷射束SB的光束直徑被擴束器38擴展，並且通過會聚透鏡40會聚併入射到放大光纖10的芯端面10a上。
由於在放大光纖10中將種子雷射束SB放大預定放大比例來產生稍後所述的、用於該雷射加工裝置中的工件W的加工雷射束MB，因此種子雷射束SB的雷射功率(有效值)可以被設為很低的值(例如，在1W的量級上)，相應地，種子雷射振蕩單元12可以被配置為小功率固體雷射器，尤其是可以使用小功率(例如，在2W的量級上)LD來進行光源32的激勵。
由於種子雷射振蕩單元12是小功率YAG雷射器，並且採用上述端面激勵模式，因此可以容易地獲得單模種子雷射束SB。冷卻單元42用於增加雷射振蕩的穩定性和單模的穩定性，它可以被配置成氣冷型。由於LD 32是小功率，因此其熱輻射很難影響YAG棒26。
儘管未示出，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器件(Peltier device)、散熱器、氣冷風扇等，並且在控制單元20的控制下將冷卻目標部分調節到恆定溫度。儘管冷卻目標部分必須包括LD 32，但冷卻目標部分中可以不包括YAG棒26和Q-開關28(由於熱負荷和發熱量低)。或者，種子雷射振蕩單元12可以全部或部分地安裝在導熱共用基礎部件上，來通過該共用基礎部件以共用冷卻機製冷卻每個單元。
在任一情況下，氣冷規範就足夠用了，而不需要諸如冷卻器之類的水冷系統。因此，對於Q-開關28和Q-開關驅動器30可以不使用水冷的高RF功率型。對於光學諧振腔鏡22和24，可以不使用昂貴的具有高雷射抵抗力的鏡(塗層膜不容易燒壞)。由於種子雷射振蕩單元12中的熱應力通常較小，因此可以對每個單元使用小的、不那麼昂貴的部件。
纖芯激勵單元14採用所謂的纖耦合LD結構，並且包括LD單元44、用於傳輸的光纖(下面稱為「傳輸光纖」)46以及光學透鏡48、50和52。LD單元44可以放置在任何地方，特別是在遠離種子雷射振蕩單元12和雷射發射單元16(加工位置)的地方，並且包括雷射二極體(LD)54，連續振蕩和輸出具有980nm波長的芯激勵雷射束FB；LD電源56，驅動LD 54發光；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。
由於LD 54生成具有相對較大功率(例如，在50W到80W的量級上)的芯激勵光FB，因此LD 54採用相對大規模的陣列結構或棧結構，包括以一維或二維排列的多個LD元件。儘管未示出，冷卻單元58包括熱耦合到LD 54的珀耳帖效應器件、散熱器、氣冷風扇等，它是用於冷卻上述相對大規模LD54的相對大規模的氣冷機構，並且具有大量的熱輻射。然而，由於冷卻單元58遠離種子雷射振蕩單元12，因此冷卻單元58的熱輻射不影響種子雷射振蕩單元12(特別是作為激活媒質的YAG棒26)。
從LD 54發射的激勵光FB通過會聚透鏡48被會聚併入射到傳輸光纖46的一個端面46a上。傳輸光纖46例如是SI(階躍折射率)光纖，並且將獲得的芯激勵光FB從LD單元44傳輸到放大光纖10的另一端附近。
傳輸光纖46的另一端的表面46b通過準直透鏡50、會聚透鏡52和反射鏡(turn-back mirror)60光學耦合到放大光纖10的另一端的表面10b。反射鏡60以一預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，並且塗有對芯激勵光FB的波長反射的薄膜和對加工雷射束MB的波長不反射的薄膜。從傳輸光纖46的端面46b發射的芯激勵光FB被準直透鏡50準直成平行光，被會聚透鏡52會聚，並通過以與反射鏡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，來自種子雷射振蕩單元12的Q-開關的脈衝種子雷射束SB進入一個端面10a，並且來自纖芯激勵單元14的連續振蕩的芯激勵光FB進入上述另一端面10b。種子雷射束SB在受到芯和包層之間的邊界面的全反射限制的同時，沿軸朝著光纖的另一端面10b傳播。另一方面，芯激勵光FB在受到包層的外圓周面的全反射限制的同時，沿軸通過放大光纖10傳播，並且在傳播期間經過芯許多次，以光學激勵芯中的Yb離子。種子雷射束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的量級上的雷射功率(平均功率)，並且作為高功率加工雷射束MB從放大光纖10的另一端面10b出來。當然，加工雷射束MB是具有與種子雷射束SB相同波長(1064nm)的YAG雷射束。
由於放大光纖10將種子雷射束SB限制在具有10μm量級的直徑和幾米量級的長度的細長芯中，因此可以獲得具有小光束直徑和小光束擴散角的加工雷射光束MB。由於入射到放大光纖10的端面10b上的芯激勵光FB在傳播通過長的光路徑期間經過芯許多次而消耗激勵能量，因此低功率(例如1W)種子雷射束SB可以以很高的效率被放大到高功率(例如30W)加工雷射束MB。
由於放大光纖10的芯不引起熱透鏡效應，因此光束模非常穩定，不需要專門的冷卻。因此，種子雷射束SB的單模可以穩定地保持，並在放大光纖10中放大以獲得單模加工雷射束MB。
芯激勵FB在放大光纖10中消耗了幾乎所有雷射能量，並且從放大光纖10的一個端面出來，光強度大大減弱。為了側向偏轉經過放大光纖10之後的、使用過的芯激勵光FB，可以在入射光學系統38和40的光路徑上傾斜地放置反光鏡(未示出)。
Q-開關脈衝加工雷射束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，並且在例如由折射鏡(bent mirror)64改變光路徑之後進入雷射發射單元16。
雷射發射單元16配有檢流掃描儀、fθ透鏡等。檢流掃描儀包括一對可移動的鏡，其允許在兩個正交方向上振蕩移動，並且檢流掃描儀在控制單元20的控制下，與種子雷射振蕩單元12的Q-開關操作同步地將兩個可移動的鏡的方向控制到預定角度，以便將來自放大光纖10的Q-開關脈衝加工雷射束MB會聚並施加到加工臺18上的工件W表面上的期望位置。儘管在工件W表面上執行的穿刺加工典型地是畫字符、圖形等的加工，但也可以執行諸如修整之類的表面移除加工。
在該實施例中，例如，將光傳感器64放置在折射鏡62附近或後面來測量Q-開關脈衝加工雷射束MB的雷射功率。光傳感器64包括例如由光電二極體構成的光電換能器，並且在折射鏡62的後面接收漏光LMB，以生成表示加工雷射束MB的雷射功率(例如，峰值功率或平均功率)的電信號(雷射功率檢測值)JMB。從光傳感器64獲得的雷射功率檢測值JMB被送到種子雷射振蕩單元12的LD電源36。
LD電源36從控制單元20接收用於加工雷射束MB的雷射功率的設定值PS，作為反饋控制的參考值，並且從光傳感器64接收雷射功率檢測值JMB，作為反饋返回的信號。對每個Q-開關脈衝都比較PS和JMB以獲得誤差，並且控制LD 32的驅動電流ILD，使得在下一Q-開關中誤差達到0。
例如，如圖2所示，如果對於一個Q-開關脈衝，雷射功率檢測值JMB低於設定值PS，則根據誤差的量值，增加LD驅動電流(恆定電流)ILD的電流值。LD 32是具有可以以高響應速度任意和可變地控制的、小驅動電流ILD的小功率LD。即，如果Q-開關頻率相當高，則可以以足夠的容限對每個周期的Q-開關操作執行反饋控制。當驅動電流ILD被適當增加時，在下一Q-開關所生成的種子雷射束SB中，雷射功率變得比之前高了一些，並且相應的加工雷射束MB的雷射功率也變得比之前高了一些，並且達到參考值PS。
這樣，對於每個Q-開關脈衝，光傳感器64將加工雷射束MB的雷射功率反饋到LD電源36，並且LD電源36響應於該反饋，迅速和可變地控制到小功率LD 32的驅動電流ILD，以在下一Q-開關中對種子雷射束SB的雷射功率施加負反饋補償。該負反饋補償還被施加到根據種子雷射束SB從放大光纖10中獲得的高功率加工雷射束MB的雷射功率，並且每個脈衝的雷射功率和雷射能量穩定在設定值附近。由於雷射功率和雷射能量的穩定性、結合上述單模，因此可以大大提高雷射加工質量(尤其是，加工能力和加工精度)。
儘管描述了本發明的優選實施例，但上述實施例不限制本發明。本領域技術人員可以做出各種修改和改變，而不背離特定實施例中的本發明技術構思和技術範圍。
例如，儘管上述實施例涉及Q-開關模式的雷射加工裝置，但本發明不限於Q-開關模式。例如，如圖3所示，在種子雷射振蕩單元12中可以省略Q-開關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LD 32的驅動電流ILD控制成任意脈衝波形，以允許種子雷射振蕩單元12生成脈衝雷射束作為種子雷射束SB，並且從而可以從放大光纖10獲得脈衝雷射束作為加工雷射束MB。在這種情況下，光傳感器64也可以對每個脈衝測量加工雷射束MB的雷射功率，來將雷射功率測量值JMB反饋到LD電源36。
例如，如圖4所示，如果對於一個脈衝，雷射功率檢測值JMB低於設定值PS，那麼根據誤差的量值增加LD驅動電流(恆定電流)ILD的電子電流值。在這種情況下，由於LD 32是小功率LD，因此LD電源36可以快速和細緻地執行脈衝驅動電流ILD的波形控制。通過這種方式，種子雷射振蕩單元12振蕩並輸出具有對應於驅動電流ILD的、具有反饋控制補償的脈衝波形的脈衝波形的種子雷射束SB，並且從放大光纖10得到對應於該種子雷射束SB的脈衝波形的加工雷射束MB。在不使用Q-開關的情況下，可以如上所述生成脈衝加工雷射束MB並用於各種雷射加工。
特別是，對於對工件具有大的熱量輸入的雷射加工(如雷射焊接)來說，通常最好使用正常脈衝或長脈衝(具有0.1ms或更多的脈衝寬度)的脈衝雷射束。在這種情況下，對LD驅動電流ILD使用具有任意波形的長脈衝的脈衝電流，以便種子雷射振蕩單元12生成對應於長脈衝驅動電流ILD的長脈衝種子雷射束SB；從放大光纖10得到對應於該種子雷射束SB的長脈衝加工雷射束MB；並且該長脈衝加工雷射束MB可以被施加到工件W，來執行期望的雷射焊接。在這種長脈衝模式下，光傳感器64獲得的雷射功率測量值JMB可以被反饋到LD電源36，來執行驅動電流ILD的波形控制，因此實時地執行加工雷射束MB的波形控制。如果種子雷射振蕩單元12逐一地或間歇地生成種子雷射束SB，則纖芯激勵單元14可以同步地、逐一地或間歇地生成芯激勵光FB。
如圖3所示，雷射發射單元16可以配置為固定發射型(不掃描型)，包括準直透鏡66、光閘(shutter)68和會聚透鏡70，而不是由檢流掃描儀和fθ透鏡組成的掃描機制。加工臺18可以以XY臺機構、升降機構、θ旋轉機構等布置。
如圖3所示，纖芯激勵單元14可以與種子雷射振蕩單元12共同光學耦合到放大光纖10的一個端面10a。在這種情況下，反射鏡60放置在種子雷射束SB的會聚透鏡40與放大光纖10的一個端面10a之間。來自種子雷射振蕩單元12的種子雷射束SB的光束直徑被擴束器38擴展，由會聚透鏡40會聚，直接穿過反射鏡60，並被會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發出的芯激勵光FB被準直透鏡50準直成平行光，被會聚透鏡52會聚，並通過以與反射鏡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中每個光束的操作，如傳播和放大，基本與上述實施例相同，並且也從放大光纖10的另一端10b得到高功率加工雷射束MB。
儘管在上述實施例中對種子雷射振蕩單元12使用YAG雷射，但也可以使用其他形式或模式的雷射，並且對種子雷射束和激勵光可以任意選擇波形。儘管上述實施例的雷射加工裝置是完全氣冷的，但該裝置也可以是部分地水冷的。
儘管這裡詳細描述了本發明的示例性和當前優選實施例，但應當理解，可以通過其他不同方式實現和採用該發明構思，並且權利要求書意圖包括這些變型，除了目前受現有技術所限的外。
權利要求
1.一種雷射加工裝置，包括種子雷射振蕩單元，振蕩並輸出種子雷射束；放大光纖，包括包含預定的稀土元素的芯，該放大光纖通過一端將來自種子雷射振蕩單元的種子雷射束引入到芯中，以將該種子雷射束傳播到另一端；纖芯激勵單元，激勵該芯來將放大光纖的芯中的該種子雷射束放大；雷射發射單元，將從放大光纖的所述另一端得到的、作為放大的種子雷射束的加工雷射束施加到工件；和雷射功率測量單元，測量該加工雷射束的雷射功率，從雷射功率測量單元獲得的雷射功率測量值被反饋到種子雷射振蕩單元，以控制該種子雷射束的雷射功率。
2.如權利要求1所述的雷射加工裝置，其中該芯由摻有鐿的石英製成。
3.如權利要求1或2所述的雷射加工裝置，其中種子雷射振蕩單元振蕩並輸出Q-開關脈衝雷射束，作為該種子雷射束。
4.如權利要求1所述的雷射加工裝置，其中種子雷射振蕩單元包括光學諧振腔，包括光學相對排列的一對鏡；放置於光學諧振腔中的光路上的固體激活媒質；激活媒質激勵單元，其連續地激勵該激活媒質；放置在光學諧振腔中的光路上的Q-開關；和Q-開關驅動單元，其驅動Q-開關來以預定定時生成Q-開關脈衝雷射束，並且其中來自雷射功率測量單元的雷射功率測量值被反饋到激活媒質激勵單元。
5.如權利要求4所述的雷射加工裝置，其中激活媒質激勵單元包括第一雷射二極體，輸出連續振蕩的第一激勵光；第一雷射電源單元，驅動第一雷射二極體發光；和第一光學透鏡，將第一雷射二極體振蕩和輸出的第一激勵光會聚並施加到該激活媒質，並且其中第一雷射電源單元基於加工雷射束的雷射功率的參考值和來自雷射功率測量單元的雷射功率測量值，控制到第一雷射二極體的驅動電流的電流值。
6.如權利要求5所述的雷射加工裝置，其中第一光學透鏡將第一激勵光會聚並施加到該激活媒質的一個端面。
7.如權利要求3到6中任一個所述的雷射加工裝置，其中雷射發射單元包括檢流掃描儀，用於以期望圖案用加工雷射束掃描工件。
8.如權利要求1或2所述的雷射加工裝置，其中雷射發射單元振蕩並輸出脈衝雷射束，其波形可被控制得與該種子雷射束一樣。
9.如權利要求8所述的雷射加工裝置，其中種子雷射振蕩單元包括光學諧振腔，包括光學相對排列的一對鏡；放置於光學諧振腔中的光路上的固體激活媒質；和激活媒質激勵單元，其激勵該激活媒質來生成脈衝雷射束，並且其中來自雷射功率測量單元的雷射功率測量值被反饋到激活媒質激勵單元。
10.如權利要求9所述的雷射加工裝置，其中激活媒質激勵單元包括第一雷射二極體，輸出脈衝振蕩的第一激勵光；第一雷射電源單元，驅動第一雷射二極體發光；和第一光學透鏡，將第一雷射二極體振蕩和輸出的第一激勵光會聚並施加到該激活媒質，並且其中第一雷射電源單元基於加工雷射束的雷射功率波形的參考信號和來自雷射功率測量單元的雷射功率測量值，控制到第一雷射二極體的驅動電流的波形或峰值。
11.如權利要求5到10中任一個所述的雷射加工裝置，包括第一冷卻單元，其用氣冷來冷卻第一雷射二極體。
12.如權利要求11所述的雷射加工裝置，其中第一冷卻單元用氣冷來一起冷卻激活媒質和第一雷射二極體。
13.如權利要求5到11中任一個所述的雷射加工裝置，包括第二冷卻單元，其用氣冷來冷卻激活媒質。
14.如權利要求1到13中任一個所述的雷射加工裝置，其中纖芯激勵單元包括第二雷射二極體，振蕩並輸出脈衝振蕩或連續振蕩的第二激勵光；第二雷射電源單元，驅動第二雷射二極體發光；和傳輸光纖，將第二雷射二極體與放大光纖光耦合，並且其中從第二雷射二極體振蕩並輸出的第二激勵光通過傳輸光纖，入射到放大光纖的一個端面或另一端面。
15.如權利要求14所述的雷射加工裝置，包括第三冷卻單元，其用氣冷來冷卻第二雷射二極體。
16.如權利要求11、12、13和15中任一個所述的雷射加工裝置，其中冷卻單元包括珀耳帖效應器件。
全文摘要
該雷射加工裝置包括放大光纖、種子雷射振蕩單元、纖芯激勵單元、雷射發射單元、控制單元、光傳感器等。來自種子雷射振蕩單元的Q－開關脈衝種子雷射束進入放大光纖的一個端面，並且來自纖芯激勵單元14的連續振蕩的芯激勵光進入另一端面。在通過放大光纖的傳播期間，種子雷射束在激活的芯中被放大，並且作為高功率加工雷射束從放大光纖的另一端面出來。光傳感器64將加工雷射束的雷射功率反饋到種子雷射振蕩單元。
文檔編號H01S3/08GK101043119SQ20071009181
公開日2007年9月26日 申請日期2007年3月23日 優先權日2006年3月23日
發明者山崎信幸, 榮一德 申請人:宮地技術株式會社