專(zhuān)利名稱(chēng)：一種雙光束耦合裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及耦合聚焦兩束不同波長(zhǎng)激光的裝置，尤其涉及用于利用兩束不同波長(zhǎng)的激光束進(jìn)行焊接加工的雙光束耦合裝置。
背景技術(shù)：
近十年，激光已被廣泛應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中，尤其是用于金屬的焊接、切割、打孔、標(biāo)記以及表面處理等方面。在生產(chǎn)中，激光焊接技術(shù)正變得越來(lái)越重要，這主要得益于激光焊接所能獲得的高精度、高加工速率，和對(duì)工件產(chǎn)生較低熱應(yīng)力以及所能達(dá)到的自動(dòng)化程度。 激光焊接技術(shù)正逐步取代傳統(tǒng)的焊接技術(shù)，尤其在生產(chǎn)加工高附加值產(chǎn)品的時(shí)候，激光焊接技術(shù)是傳統(tǒng)焊接技術(shù)所無(wú)法媲美的。
當(dāng)前的激光焊接系統(tǒng)最廣泛使用的激光光源一般有兩種。第一種是氣體激光器，即二氧化碳(CO2)激光器，其激光波長(zhǎng)是10. 6微米。第二種是固體激光器，即 Nd: YAG (Nd = Y3Al5O12，摻釹釔鋁石榴石)激光器，其激光波長(zhǎng)是1. 064微米。Nd:YAG激光器的工作介質(zhì)是摻雜少量稀土元素Nd(釹)的YAG晶體棒。Nd:YAG激光器可以連續(xù)振蕩，也可以利用Q開(kāi)關(guān)產(chǎn)生巨脈沖振蕩，也可以產(chǎn)生脈沖寬度為100微秒以上(一般為1 10毫秒)的長(zhǎng)脈沖。
在激光焊接應(yīng)用中，激光束與待焊接材料的光學(xué)耦合特性是相當(dāng)重要的。如果光學(xué)耦合特性不好，材料對(duì)該激光波長(zhǎng)的反射率高，則材料對(duì)該激光的吸收效率低，無(wú)法高效地吸收該激光，因此很難獲得一個(gè)很好的焊接效果。在室溫下，金、銀、銅等金屬對(duì)二氧化碳激光和Nd:YAG激光的吸收效率特別低，采用單波長(zhǎng)的二氧化碳激光或Nd:YAG激光焊接加工金、銀、銅等金屬無(wú)法獲得很好的效果。相比之下，在室溫下，金、銀、銅等金屬對(duì)Nd:YAG 激光的倍頻激光(波長(zhǎng)為532納米)卻非常高，其吸收系數(shù)是Nd:YAG激光的5 10倍。
有兩個(gè)普遍的規(guī)律第一，對(duì)同一種材料，激光的波長(zhǎng)越長(zhǎng)，材料對(duì)激光的吸收系數(shù)越低；激光波長(zhǎng)越短，材料對(duì)激光的吸收系數(shù)越高。第二，金屬的溫度越高，對(duì)激光的吸收效率越高。因此，焊接加工金、銀、銅等金屬的時(shí)候，可以先用Nd:YAG激光的倍頻激光對(duì)金、 銀、銅等金屬進(jìn)行預(yù)熱，將工件加熱到該金屬的熔點(diǎn)附近，緊接著施加一束Nd:YAG激光，完成最后的焊接工作。
光學(xué)玻璃對(duì)Nd: YAG激光(波長(zhǎng)為1. 064微米)和Nd: YAG激光的倍頻激光(波長(zhǎng)為532納米)的折射率是不一樣的，用單片光學(xué)玻璃來(lái)聚焦這兩束激光會(huì)產(chǎn)生色差，即，該兩束激光的聚焦焦點(diǎn)不在同一個(gè)地方。即使使用消色差的組合透鏡來(lái)耦合聚焦，該兩束激光的聚焦位置的距離有所減少，但仍然不在同一個(gè)地方上。金、銀、銅等金屬價(jià)格昂貴，采用消色差組合透鏡來(lái)耦合聚焦Nd YAG激光及其倍頻激光，無(wú)法獲得比較好的焊接效果。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)焊接金、銀、銅等具有高反射系數(shù)的金屬和合金存在的問(wèn)題，提供了一種雙光束耦合裝置。該耦合裝置方便地把NchYAG激光(波長(zhǎng)為1. 064微米)和Nd: YAG的倍頻激光(波長(zhǎng)為532納米)耦合聚焦到同一個(gè)位置上，可以很好地焊接加工具有高反射系數(shù)的金屬和合金，從而提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量。
本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，一種雙光束耦合裝置，包括準(zhǔn)直系統(tǒng)，用于準(zhǔn)直 Nd:YAG激光，使準(zhǔn)直后的激光束形成一束平行光；第一 45度反射鏡，用于反射和改變 Nd:YAG激光的傳輸方向；擴(kuò)束系統(tǒng)，用于擴(kuò)束Nd:YAG的倍頻激光，得到不同發(fā)散角的光束； 第二 45度反射鏡，用于通過(guò)Nd:YAG激光和反射以及改變Nd:YAG的倍頻激光的傳輸方向； 聚焦系統(tǒng)，用于耦合聚焦Nd: YAG激光和Nd: YAG的倍頻激光，使這兩束激光聚焦在同一個(gè)位置。
本發(fā)明有益效果在于，Nd: YAG激光與銅、銀和金等具有高反射系數(shù)金屬的光學(xué)耦合特性是極差的；但是，Nd:YAG的倍頻激光與銅、銀和金的光學(xué)耦合特性是相當(dāng)高的。禾IJ用這兩束激光來(lái)焊接，Nd:YAG的倍頻激光先將待加工工件加熱到工件的熔點(diǎn)附近，然后再利用Nd: YAG激光完成最后的焊接工作，從而克服了采用單一 Nd: YAG激光焊接加工所產(chǎn)生的困難，并且大大地提高了焊接效率和焊接質(zhì)量。


圖1是依照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例，耦合聚焦兩束不同波長(zhǎng)激光的裝置簡(jiǎn)化示意圖
圖2是耦合兩束不同波長(zhǎng)激光并采用消色差組合透鏡聚焦的裝置簡(jiǎn)化示意圖
圖3a、圖北是本實(shí)施例中，從光纖耦合輸出的激光經(jīng)光學(xué)玻璃準(zhǔn)直或擴(kuò)束的裝置簡(jiǎn)化示意圖
圖4a、圖4b是本實(shí)施例中，普通固體激光經(jīng)光學(xué)玻璃準(zhǔn)直或擴(kuò)束的裝置簡(jiǎn)化示意圖具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)地描述。
圖1是依照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例，耦合聚焦兩束不同波長(zhǎng)激光的裝置簡(jiǎn)化示意圖。 該耦合裝置包括準(zhǔn)直系統(tǒng)11，將Nd: YAG激光束1準(zhǔn)直成幾乎平行的激光束；第一 45度反射鏡12，用于小損耗地反射N(xiāo)d: YAG激光束1，使其傳輸方向轉(zhuǎn)變90度；擴(kuò)束系統(tǒng)13，將 Nd: YAG的倍頻激光束2擴(kuò)束成具有一定發(fā)散角的光束；第二 45度反射鏡14，用于小損耗地通過(guò)Nd YAG激光束1，并且小損耗地反射N(xiāo)d YAG的倍頻激光束2，使Nd YAG的倍頻激光束 2傳輸方向轉(zhuǎn)變90度；聚焦系統(tǒng)15，用于耦合聚焦Nd:YAG激光束1和Nd:YAG的倍頻激光束2，使這兩束激光聚焦在待加工工件16的同一個(gè)位置上。
為了小損耗地傳輸激光，要求準(zhǔn)直系統(tǒng)11的光學(xué)玻璃上鍍有對(duì)Nd:YAG激光束1 高透的介質(zhì)膜；擴(kuò)束系統(tǒng)13的光學(xué)玻璃上鍍有對(duì)Nd:YAG的倍頻激光束2高透的介質(zhì)膜；第一45度反射鏡12的反射面上鍍有對(duì)Nd: YAG激光束1 (入射角為45度)高反的介質(zhì)膜；第二45度反射鏡14的鏡面上鍍有對(duì)Nd: YAG激光束1 (入射角為45度)高透和對(duì)Nd: YAG的倍頻激光束2 (入射角為45度)高反的介質(zhì)膜。聚焦系統(tǒng)15的光學(xué)玻璃的兩個(gè)表面上鍍有對(duì)Nd: YAG激光束1高透和Nd: YAG的倍頻激光束2高透的介質(zhì)膜。
在本實(shí)施例中，激光束1是波長(zhǎng)為1. 064微米的Nd:YAG激光，激光束2是波長(zhǎng)為 532納米的Nd: YAG的倍頻激光。通過(guò)改變擴(kuò)束系統(tǒng)13內(nèi)光學(xué)玻璃的相對(duì)位置，將激光束2擴(kuò)束成具有一定發(fā)散角的光束，使其經(jīng)聚焦系統(tǒng)聚焦后的焦點(diǎn)位置和激光束1的焦點(diǎn)位置相同。具有激光技術(shù)的人員可以輕易的對(duì)調(diào)激光束1和激光束2，并且改變準(zhǔn)直系統(tǒng)11、擴(kuò)束系統(tǒng)13、第一 45度反射鏡12和第二 45度反射鏡14上的光學(xué)鍍膜，從而達(dá)到相同的耦合聚焦作用。同樣地，改變激光束1和激光束2的波長(zhǎng)，以及改變準(zhǔn)直系統(tǒng)11、擴(kuò)束系統(tǒng)13、 第一 45度反射鏡12、第二 45度反射鏡14和聚焦系統(tǒng)15上的光學(xué)鍍膜，也可以輕易地實(shí)現(xiàn)耦合聚焦兩束不同波長(zhǎng)激光的目的。圖1所講述的是耦合兩束不同波長(zhǎng)激光的原理，不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
圖2是耦合兩束不同波長(zhǎng)激光并采用消色差組合透鏡聚焦的裝置簡(jiǎn)化示意圖。激光束1經(jīng)準(zhǔn)直系統(tǒng)11準(zhǔn)直后變成幾乎平行的激光束，經(jīng)第一 45度反射鏡12反射后再通過(guò)第二 45度反射鏡14，最后被消色差組合透鏡21聚焦到工件16上。激光束2經(jīng)準(zhǔn)直系統(tǒng) 13準(zhǔn)直后變成幾乎平行的激光束，經(jīng)第二 45度反射鏡14反射，最后被消色差組合透鏡21 聚焦到工件16上。雖然使用了消色差組合透鏡，激光束1和激光束2經(jīng)消色差組合透鏡21 聚焦后的兩個(gè)焦點(diǎn)之間的距離被大大地減小了，但仍然存在焦距差Δ ·。在需要精密加工和加工昂貴的金、銀、銅等金屬的時(shí)候，該焦距差仍然無(wú)法滿足加工的要求。要將焦距差減少到零，必須增加組合透鏡光學(xué)玻璃的數(shù)量，但這就大大地增加了成本。圖1通過(guò)改變擴(kuò)束系統(tǒng)13內(nèi)光學(xué)玻璃的相對(duì)位置，將激光束2擴(kuò)束成具有合適發(fā)散角的激光束，經(jīng)單片的聚焦透鏡耦合聚焦，其焦點(diǎn)位置與激光束1的焦點(diǎn)位置相同，達(dá)到了聚焦的要求，并降低了成本。
圖3a、圖北是本實(shí)施例中，從光纖耦合輸出的激光經(jīng)光學(xué)玻璃準(zhǔn)直或擴(kuò)束的裝置簡(jiǎn)化示意圖。在圖3a中，激光經(jīng)光纖31耦合輸出后，采用單片的光學(xué)玻璃32可以實(shí)現(xiàn)激光準(zhǔn)直的目的，將激光準(zhǔn)直成幾乎平行的激光束。圖北的擴(kuò)束系統(tǒng)中，激光經(jīng)光纖31耦合輸出后，將單片光學(xué)玻璃32向光纖31移動(dòng)，可以將激光擴(kuò)束成具有一定發(fā)散角的目的。
圖4a、圖4b是本實(shí)施例中，普通固體激光經(jīng)光學(xué)玻璃準(zhǔn)直或擴(kuò)束的裝置簡(jiǎn)化示意圖。在圖如中，準(zhǔn)直系統(tǒng)是由一個(gè)負(fù)透鏡41和一個(gè)正透鏡42組成的倒裝的伽利略望遠(yuǎn)鏡， 激光經(jīng)過(guò)該準(zhǔn)直系統(tǒng)后可以變成幾乎平行的激光束。圖4b的擴(kuò)束系統(tǒng)中，將正透鏡42向負(fù)透鏡41移動(dòng)，可以將激光擴(kuò)束成具有一定發(fā)散角的目的。
針對(duì)不同的激光光源，在圖1中的準(zhǔn)直系統(tǒng)11可以采用圖3&或如所示的準(zhǔn)直系統(tǒng)；擴(kuò)束系統(tǒng)13則可以采用圖北或4b所示的擴(kuò)束系統(tǒng)。權(quán)利要求
1.一種雙光束耦合裝置，其特征在于包括準(zhǔn)直系統(tǒng)，用于準(zhǔn)直Nd: YAG激光，使準(zhǔn)直后的激光束形成一束平行光；第一 45度反射鏡，用于反射和改變Nd:YAG激光的傳輸方向； 擴(kuò)束系統(tǒng)，用于擴(kuò)束Nd:YAG的倍頻激光，得到不同發(fā)散角的光束；第二45度反射鏡，用于通過(guò)Nd:YAG激光和反射以及改變Nd:YAG的倍頻激光的傳輸方向；聚焦系統(tǒng)，用于耦合聚焦 Nd: YAG激光和Nd: YAG的倍頻激光，使這兩束激光聚焦在同一個(gè)位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙光束耦合裝置，其特征在于所述的擴(kuò)束系統(tǒng)通過(guò)移動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)的光學(xué)玻璃改變?cè)撓到y(tǒng)的擴(kuò)束倍數(shù)，從而得到合適發(fā)散角的激光。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙光束耦合裝置，其特征在于所述的準(zhǔn)直系統(tǒng)準(zhǔn)直的 Nd: YAG激光波長(zhǎng)為1. 064微米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙光束耦合裝置，其特征在于所述擴(kuò)束系統(tǒng)擴(kuò)束Nd:YAG的倍頻激光波長(zhǎng)為532納米。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙光束耦合裝置，其特征在于所述的第一45度反射鏡的反射面上鍍有對(duì)Nd: YAG激光、入射角為45度的高反射介質(zhì)膜。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙光束耦合裝置，其特征在于所述的第二45度反射鏡的鏡面上鍍有對(duì)Nd: YAG激光、入射角為45度高透和對(duì)Nd: YAG的倍頻激光、入射角為45度高反射的介質(zhì)膜。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙光束耦合裝置，其特征在于聚焦系統(tǒng)的光學(xué)玻璃的表面上鍍有對(duì)Nd: YAG激光高透和Nd: YAG的倍頻激光高透的介質(zhì)膜。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙光束耦合裝置，其特征在于準(zhǔn)直系統(tǒng)的光學(xué)玻璃上鍍有對(duì)Nd: YAG激光高透的介質(zhì)膜。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙光束耦合裝置，其特征在于擴(kuò)束系統(tǒng)的光學(xué)玻璃上鍍有對(duì)Nd: YAG的倍頻激光高透的介質(zhì)膜。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種雙光束耦合裝置，準(zhǔn)直系統(tǒng)，用于準(zhǔn)直Nd:YAG激光，使準(zhǔn)直后的激光束形成一束平行光；第一45度反射鏡，用于反射和改變Nd:YAG激光的傳輸方向；擴(kuò)束系統(tǒng)，用于擴(kuò)束Nd:YAG的倍頻激光，得到不同發(fā)散角的光束；第二45度反射鏡，用于通過(guò)Nd:YAG激光和反射以及改變Nd:YAG的倍頻激光的傳輸方向；聚焦系統(tǒng)，用于耦合聚焦Nd:YAG激光和Nd:YAG的倍頻激光，使這兩束激光聚焦在同一個(gè)位置。克服了采用單一Nd:YAG激光焊接加工所產(chǎn)生的困難，并且大大地提高了焊接效率和焊接質(zhì)量。
文檔編號(hào)G02B27/09GK102508362SQ201110362238
公開(kāi)日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月15日
發(fā)明者何林, 葉毅聰, 葉紅 申請(qǐng)人:深圳市光大激光科技股份有限公司