CN101854029A - 激光熔覆用半导体激光光源装置 - Google Patents

Abstract

本发明的激光熔覆用半导体激光光源装置，其由顺次排列的半导体激光迭阵(1)、快轴准直系统(2)、慢轴准直系统(3)、柱透镜阵列(4)、光束快轴平移系统、光束慢轴平移系统、柱透镜(7，8)组成望远扩束系统和胶合透镜组成的聚焦系统(9)和光纤(10)组成。其重量轻、体积小、电光转换效率高、寿命长，在输出功率相同的情况下，是其他激光器的1/3～1/10，运营成本是其他激光器的1/4～1/20，寿命是其他激光器的5～10倍达到20000小时以上。本发明的激光熔覆用半导体激光光源装置，实现了千瓦级激光的大功率、高亮度高质量直接输出，其可直接应用于激光加工领域中。

Description

激光熔覆用半导体激光光源装置

技术领域

本发明属于激光加工领域，涉及激光熔覆用半导体激光光源装置。

背景技术

由于大功率(功率在几十瓦之上半导体激光称之为大功率)半导体激光器具有体积小、重量轻、效率高、寿命长等优点，已广泛用于激光加工(打孔、切割、焊接、表面加工、材料改性等)、激光医疗(诊断、治疗、手术、美容等)、激光显示及科学研究等领域，已经成为新世纪发展快、成果多、学科渗透广、应用范围大的综合性高新技术。

激光熔覆是一个远离平衡态的快速加热、快速冷却的复杂物理、化学冶金过程，采用的激光功率较高，加热和冷却速率都极快：同时熔池的尺寸较小，温度极高。

目前激光熔覆中多采用CO₂激光器，灯泵及半导体激光泵浦的基频1064nm的Nd:YAG激光器。

CO₂激光器，通过将燃烧气体的热能转化为激光能量，实现兆瓦级输出，但能量效率很低(1％-2％)。气源系统较笨重。

固体激光器，灯泵Nd:YAG激光器电光转换效率只有3％，寿命1000小时，效率低，散热困难。虽然半导体激光器泵浦的固体激光器(DPL)高于灯泵固体激光器，体积也明显减小。但其电光转换效率仍比较低，仅相当于半导体激光器效率的1/3-1/2。

如表1(John M.Haake*and Mark S.Zediker Nuvonyx，Inc.Heat Treating and Cladding Operations with High-PowerDiode Lasers.Proceedings of SPIE Vol.5706(SPIE，Bellingham，WA，2005)阐述了灯泵YAG激光器与大功率半导体激光光纤耦合模块的性能差别。

表1

发明内容

本发明要解决的问题在直接将半导体激光光源应用于激光熔覆领域，对耐磨性及耐腐蚀性要求较高的金属零件进行局部或大范围的涂覆，是半导体激光在加工中的一个重要应用。激光涂覆与合金化对功率要求较高，对光束质量要求不苛刻，半导体激光器可以满足其对功率和光束质量的要求。

如图1所示，本发明的激光熔覆用半导体激光光源装置，由顺次排列的半导体激光迭阵1、快轴准直系统2、慢轴准直系统3、柱透镜阵列4、光束快轴平移系统、光束慢轴平移系统、柱透镜(7，8)组成望远扩束系统和胶合透镜组成的聚焦系统9和光纤10组成；

所述的半导体激光迭阵1由多个bar堆叠而成(半导体激光发光单元集成为一维线阵称谓Bar，将多个bar堆叠成迭阵(Stack))；

所述的柱透镜阵列4为柱透镜阵列，其长度尺寸与半导体激光bar尺寸相同，高度尺寸与半导体激光迭阵1的尺寸相同，宽度的尺寸要保证使半导体激光迭阵1的光束能够沿慢轴方向分离成平行两束激光束；

所述的光束快轴平移系统是由两个相同的长方体玻璃的第一个平行平板5和第二个平行平板5’构成，置于柱透镜阵列4和光束整形系统之间，使得经过柱透镜阵列4分离的光束通过第一个平行平板5和第二个平行平板5’实现沿快轴方向错开成两束平行激光束；

所述的光束慢轴平移系统是由由两个相同的截面为平行四边形的玻璃的第一个平行平板6和第二个平行平板6’构成，置于快轴平移系统和扩束系统之间，使得经过快轴平移系统后的沿快轴方向错开成两束平行激光束，再沿慢轴方向发生平行平移，平行平移后的两束光束的中心光线在一个平面上，实现快慢轴光束的均匀分布(如图2所示)，最后经过柱透镜(7，8)组成望远扩束系统和胶合透镜组成的聚焦系统9会聚至光纤10传输实现千瓦级功率输出；

所述的第一个平行平板5、第二个平行平板5’、第一个平行平板6、第二个平行平板6’均为利用折射原理做成的光束整形元件；光束快轴平移系统用来将经柱透镜阵列4分离光束沿快轴方向平行平移一段距离，光束慢轴平移系统用来将经过快轴平移系统平移光束沿慢轴实现光束平移，形成光束中心光线在一个平面上的两束平行的激光束；

光束快轴平移系统和光束慢轴平移系统对激光束实现平移的距离均是遵循下述平移距离公式(a)：

$d=t_1{\sin i}_1(1-\frac{{n\cos i}_1}{\sqrt{n^{\′2}-n^2{\sin }^2{i}_1}})$

式中，d为光线折射的偏移量，n为介质折射率，n’为光学玻璃折射率，t₁为玻璃材料厚度，i₁为光线入射角。

下面介绍激光传输路径：经过半导体激光迭阵1的激光，经快轴准直透镜2和慢轴准直透镜3准直以降低两个方向的发散角后进入柱透镜阵列4；由柱透镜成像规律，可知柱透镜阵列4将经快慢轴准直后的半导体激光束分割成两束，分割成两束的激光进入所述的光束快轴平移系统和光束慢轴平移系统；

所述的光束快轴平移系统是由两个相同的长方体玻璃的第一个平行平板5和第二个平行平板5’构成，置于柱透镜阵列4和光束整形系统之间，使得经过柱透镜阵列4分离的光束通过第一个平行平板5和第二个平行平板5’实现沿快轴方向错开成两束平行激光束；

所述的光束慢轴平移系统是由由两个相同的截面为平行四边形的玻璃的第一个平行平板6和第二个平行平板6’构成，置于快轴平移系统和扩束系统之间，平行平板的数目由激光bar的数目决定，使得经过快轴平移系统后的沿快轴方向错开成两束平行激光束，再沿慢轴方向发生平行平移，平行平移后的两束光束的中心光线在一个平面上，实现快慢轴光束的均匀分布，最后经过柱透镜(7，8)组成望远扩束系统和胶合透镜组成的聚焦系统9会聚至光纤10传输实现千瓦级功率输出。

有益效果：本发明提供的激光熔覆用半导体激光光源装置，实现了千瓦级激光的大功率、高亮度高质量直接输出，可直接应用于激光加工领域中。另外其重量轻、体积小、电光转换效率高、寿命长，克服了化学激光器，CO₂激光器，灯泵及半导体激光泵浦的Nd:YAG基频1064nm等体积大、能量效率低、寿命短等的缺点，是未来激光加工领域的主要发展方向之一，本发明涉及的大功率半导体激光光源功率可达到百瓦级甚至上千瓦输出，最终可耦合进光纤，在输出功率相同的情况下，半导体激光器体积是其他激光器的1/3～1/10，运营成本是其他激光器的1/4～1/20，寿命是其他激光器的5～10倍达到20000小时以上。

附图说明

图1为千瓦级工业熔覆用半导体激光装置结构示意图。

图2经光束快轴平移系统和光束慢轴平移系统沿快轴方向平移及慢轴平移光束示意图。

具体实施方式

实施例1  如图1所示，本发明的激光熔覆用半导体激光光源装置，由顺次排列的半导体激光迭阵1、快轴准直系统2、慢轴准直系统3、柱透镜阵列4、光束快轴平移系统、光束慢轴平移系统、柱透镜(7，8)组成望远扩束系统和胶合透镜组成的聚焦系统9和光纤10组成；

所述的半导体激光迭阵1由多个bar堆叠而成(半导体激光发光单元集成为一维线阵称谓Bar，将多个bar堆叠成迭阵(Stack))；

所述的柱透镜阵列4为柱透镜阵列，其长度尺寸与半导体激光bar尺寸相同，高度尺寸与半导体激光迭阵1的尺寸相同，宽度的尺寸要保证使半导体激光迭阵1的光束能够沿慢轴方向分离成平行两束激光束；

所述的光束快轴平移系统是由两个相同的长方体玻璃的第一个平行平板5和第二个平行平板5’构成，置于柱透镜阵列4和光束整形系统之间，使得经过柱透镜阵列4分离的光束通过第一个平行平板5和第二个平行平板5’实现沿快轴方向错开成两束平行激光束；

所述的光束慢轴平移系统是由由两个相同的截面为平行四边形的玻璃的第一个平行平板6和第二个平行平板6’构成，置于快轴平移系统和扩束系统之间，使得经过快轴平移系统后的沿快轴方向错开成两束平行激光束，再沿慢轴方向发生平行平移，平行平移后的两束光束的中心光线在一个平面上，实现快慢轴光束的均匀分布(如图2所示)，最后经过柱透镜(7，8)组成望远扩束系统和胶合透镜组成的聚焦系统9会聚至光纤10传输实现千瓦级功率输出；

所述的第一个平行平板5、第二个平行平板5’、第一个平行平板6、第二个平行平板6’均为利用折射原理做成的光束整形元件；光束快轴平移系统用来将经柱透镜阵列4分离光束沿快轴方向平行平移一段距离，光束慢轴平移系统用来将经过快轴平移系统平移光束沿慢轴实现光束平移，形成光束中心光线在一个平面上的两束平行的激光束；

光束快轴平移系统和光束慢轴平移系统对激光束实现平移的距离均是遵循下述平移距离公式(a)：

$d=t_1{\sin i}_1(1-\frac{{n\cos i}_1}{\sqrt{n^{\′2}-n^2{\sin }^2{i}_1}})$

式中，d为光线折射的偏移量，n为介质折射率，n’为光学玻璃折射率，t₁为玻璃材料厚度，i₁为光线入射角。

下面介绍激光传输路径：经过半导体激光迭阵1的激光，经快轴准直透镜2和慢轴准直透镜3准直以降低两个方向的发散角后进入柱透镜阵列4；由柱透镜成像规律，可知柱透镜阵列4将经快慢轴准直后的半导体激光束分割成两束，分割成两束的激光进入所述的光束快轴平移系统和光束慢轴平移系统；

所述的光束快轴平移系统是由两个相同的长方体玻璃的第一个平行平板5和第二个平行平板5’构成，置于柱透镜阵列4和光束整形系统之间，使得经过柱透镜阵列4分离的光束通过第一个平行平板5和第二个平行平板5’实现沿快轴方向错开成两束平行激光束；

所述的光束慢轴平移系统是由由两个相同的截面为平行四边形的玻璃的第一个平行平板6和第二个平行平板6’构成，置于快轴平移系统和扩束系统之间，平行平板的数目由激光bar的数目决定，使得经过快轴平移系统后的沿快轴方向错开成两束平行激光束，再沿慢轴方向发生平行平移，平行平移后的两束光束的中心光线在一个平面上，实现快慢轴光束的均匀分布，最后经过柱透镜(7，8)组成望远扩束系统和胶合透镜组成的聚焦系统9会聚至光纤10传输实现千瓦级功率输出；

所述的半导体激光光源为波长808nm。半导体激光迭阵由20层bar组成，组成半导体激光迭阵的bar之间的间距1.9mm，迭阵输出功率1200W，半导体激光迭阵设有快慢轴准直透镜2、3，使出射半导体激光发散角降低。半导体激光器迭阵模块1的快慢轴准直透镜2、3后放置柱透镜阵列4，由于柱透镜仅对子午像面进行压缩，可将准直输出的半导体光束分成两束，分割成两束的激光进入所述的光束快轴系统和光束慢轴平移系统，光束快轴平移系统用来将经过柱透镜阵列4的激光束实现快轴方向平行平移，该距离遵循公式(a)；光束慢轴平移系统，实现慢轴光束平移，该距离也遵循公式(a)实现快慢轴光束的均匀分布，最后经过柱透镜(7，8)组成望远扩束系统和胶合透镜组成的聚焦系统9会聚至光纤10传输实现千瓦级功率输出。

Claims (1)

1.激光熔覆用半导体激光光源装置，其特征在于，其由顺次排列的半导体激光迭阵(1)、快轴准直系统(2)、慢轴准直系统(3)、柱透镜阵列(4)、光束快轴平移系统、光束慢轴平移系统、柱透镜(7，8)组成望远扩束系统和胶合透镜组成的聚焦系统(9)和光纤(10)组成；

所述的半导体激光迭阵(1)由多个bar堆叠而成；

所述的柱透镜阵列(4)为柱透镜阵列，其长度尺寸与半导体激光bar尺寸相同，高度尺寸与半导体激光迭阵(1)的尺寸相同，宽度的尺寸要保证使半导体激光迭阵(1)的光束能够沿慢轴方向分离成平行两束激光束；

所述的光束快轴平移系统是由两个相同的长方体玻璃的第一个平行平板(5)和第二个平行平板(5’)构成，置于柱透镜阵列(4)和光束整形系统之间，使得经过柱透镜阵列4分离的光束通过第一个平行平板(5)和第二个平行平板(5’)实现沿快轴方向错开成两束平行激光束；

所述的光束慢轴平移系统是由由两个相同的截面为平行四边形的玻璃的第一个平行平板(6)和第二个平行平板(6’)构成，置于快轴平移系统和扩束系统之间，使得经过快轴平移系统后的沿快轴方向错开成两束平行激光束，再沿慢轴方向发生平行平移，平行平移后的两束光束的中心光线在一个平面上，实现快慢轴光束的均匀分布，最后经过柱透镜(7，8)组成望远扩束系统和胶合透镜组成的聚焦系统(9)会聚至光纤(10)输出；

所述的第一个平行平板(5)、第二个平行平板(5’)、第一个平行平板(6)、第二个平行平板(6’)均为利用折射原理做成的光束整形元件；光束快轴平移系统用来将经柱透镜阵列(4)分离光束沿快轴方向平行平移一段距离，光束慢轴平移系统用来将经过快轴平移系统平移光束沿慢轴实现光束平移，形成光束中心光线在一个平面上的两束平行的激光束；

光束快轴平移系统和光束慢轴平移系统对激光束实现平移的距离均是遵循下述平移距离公式(a)：

$d=t_1\sin i_1(1-\frac{n\cos i_1}{\sqrt{n^{\′2}-n^2{\sin }^2{i}_1}})$

式中，d为光线折射的偏移量，n为介质折射率，n’为光学玻璃折射率，t₁为玻璃材料厚度，i₁为光线入射角。

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