基于光纤合束与光纤传输的激光加工温度控制方法及一体化温度控制激光器与流程

本发明属于激光加工，尤其涉及基于光纤合束与光纤传输的激光加工温度控制方法及一体化温度控制激光器。

背景技术：

1、高功率光纤激光器已广泛应用于激光焊接、熔覆、淬火等精密材料加工领域，加工位置的温度稳定性直接决定加工质量与成型效果。现有激光加工温度检测多采用红外热像仪、热电偶或外置光纤传感方案：红外热像仪易受环境粉尘、等离子体干扰，测量精度低且难以与激光加工点精准对准；热电偶为接触式测量，响应速度慢、干扰正常加工过程；传统光纤测温装置与激光器集成难度大，无法实现能量激光传输与温度探测的同轴同步进行。

2、现有技术中，虽有采用光纤合束器与多包层光纤进行激光传输的方案，但普遍存在能量光与测温信号光串扰严重、测温光斑与加工光斑难以同轴重合、拆装需反复校准、信号易受回返光与杂散光影响等问题。同时，传统温控方式缺乏对泵浦源的功率一致性校准、信号分段增强及温度偏差分级调节机制，导致温度响应滞后、控温精度不足、易出现过冲与振荡，难以满足高精度激光加工对实时性、稳定性与一致性的严苛要求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供基于光纤合束与光纤传输的激光加工温度控制方法及一体化温度控制激光器，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、有鉴于此，本发明提供基于光纤合束与光纤传输的激光加工温度控制方法，所述基于光纤合束与光纤传输的激光加工温度控制方法包括：

3、对n路泵浦源输出的能量光进行功率一致性校准与模式归一化处理，将处理后的多路能量光与单路红外测温信号光输入多路泵浦单信号合束器，通过耦合区域完成同轴合束与纤芯-包层分域传输，使能量光沿多包层光纤包层传输、测温信号光沿纤芯同轴传输；

4、采集加工位置产生的热辐射光信号并沿纤芯回传，对回传光信号进行回返光滤除、杂散波段抑制与偏振扰动校正，得到纯化测温光信号；

5、将纯化测温光信号转换为初始电信号，对初始电信号执行噪声分离、基线漂移修正与分段特征增强，提取与温度强相关的稳态特征向量；

6、根据稳态特征向量与预设映射关系计算加工位置实时温度，基于温度偏差分级与无超调调节策略，闭环调节各路泵浦源输出功率，使加工温度稳定在目标精度区间；

7、其中，实时加工温度t按以下公式计算：t=kln(u/u0)+t0，式中：k为系统标定系数，u为当前特征电信号幅值，u0为室温基准电信号，t0为室温基准值。

8、本发明中，进一步的，所述对n路能量光进行功率一致性校准与模式归一化处理，包括：实时采集各路泵浦源输出光功率，计算各路功率与均值的偏差值；

9、根据偏差值对各路泵浦驱动电流进行微调配准，使多路能量光输出功率保持一致；

10、对泵浦光进行模式规整处理，使泵浦光满足多包层光纤包层传输的模式匹配条件。

11、本发明中，进一步的，所述通过耦合区域完成同轴合束与纤芯-包层分域传输，包括：将多路能量光在耦合区内进行功率合成并耦合至多包层光纤包层；

12、将测温信号光独立耦合至纤芯并与能量光保持空间同轴；

13、使测温光斑与加工光斑始终重合，实现加工点原位无偏差温度采集。

14、本发明中，进一步的，所述对初始电信号执行噪声分离、基线漂移修正与分段特征增强，包括：采用带通滤波与自适应陷波分离环境噪声与系统噪声；

15、根据连续多帧信号修正基线漂移，消除传输损耗与探测器老化带来的偏移；

16、按温度区间对电信号进行分段增益增强，提升低温与高温段特征辨识度。

17、本发明中，进一步的，所述基于温度偏差分级与无超调调节策略闭环调节泵浦源输出功率，包括：将实时温度与设定温度的差值划分为微偏、轻偏、重偏三个等级；

18、针对不同偏差等级采用差异化调节系数，通过pid算法输出平滑调节指令；

19、按梯度同步调整各路泵浦功率，避免温度过冲与振荡，保证加工过程温度稳定。

20、一体化温度控制激光器，包括：n个激光泵浦源、多路泵浦单信号合束器、多包层输出光纤、滤波片、红外探测模块、温度处理模块及激光控制卡；

21、所述激光泵浦源连接多路泵浦单信号合束器的泵浦输入端口，红外探测模块连接信号输入端口；

22、多包层输出光纤连接合束器输出端，纤芯传输测温信号光，包层传输泵浦能量光；

23、滤波片设于红外探测模块前端，温度处理模块分别与红外探测模块、激光控制卡电性连接。

24、本发明中，进一步的，所述多路泵浦单信号合束器采用熔融拉锥工艺制备，内部设有泵浦端口与信号端口的隔离结构，用于防止泵浦光串扰测温通道。

25、本发明中，进一步的，所述多包层输出光纤为双包层或多包层结构，纤芯直径10–200μm，包层为多模结构，直径≥100μm，数值孔径0.12–0.46。

26、本发明中，进一步的，所述红外探测模块包括红外探测器、信号放大电路与滤波电路，用于将热辐射光信号转换为电信号。

27、本发明中，进一步的，所述温度处理模块内置mcu或dsp芯片并采用pid算法，激光控制卡根据温度处理模块的指令调节泵浦源功率，实现温度闭环控制。

28、本发明的有益效果是：

29、本发明通过功率一致性校准、同轴合束分域传输、多级信号提纯与温度偏差分级控制，构建了全链路闭环温控系统，能够实现能量光传输与温度探测的同轴共路、互不串扰，从根源上解决测温点与激光加工点偏离、对位不准的问题。方法中采用噪声分离、基线漂移修正与分段特征增强处理，结合测温公式进行精准解算，显著提升测温响应速度与线性度，响应时间不大于1ms，测温范围覆盖-50℃-3300℃，控温精度达到±0.5℃以内；通过温度偏差分级与无超调调节策略，避免温度过冲与振荡，保证加工温度持续稳定，大幅提升激光加工的一致性、可靠性与成品率，适用于高精度激光焊接、熔覆、淬火等场景。

30、采用多路泵浦单信号合束器与多包层光纤一体化集成结构，泵浦光由包层传输、测温信号光由纤芯传输，光路分离且同轴输出，拆装后无需重复校准，使用便捷性显著提升。合束器内部设置端口隔离结构，配合前端滤波片有效阻断回返能量光串扰，提高测温信号信噪比与系统稳定性；整体装置基于现有激光器常规器件搭建，结构紧凑、集成度高、兼容性强，无需对现有激光设备进行大幅改造，成本更低、适用性更广，可直接适配qbh、qd、sma905等标准输出接头，具备良好的工程化推广价值。

1.基于光纤合束与光纤传输的激光加工温度控制方法，其特征在于，所述基于光纤合束与光纤传输的激光加工温度控制方法包括：

2.根据权利要求1所述的基于光纤合束与光纤传输的激光加工温度控制方法，其特征在于，所述对n路能量光进行功率一致性校准与模式归一化处理，包括：实时采集各路泵浦源输出光功率，计算各路功率与均值的偏差值；

3.根据权利要求1所述的基于光纤合束与光纤传输的激光加工温度控制方法，其特征在于，所述通过耦合区域完成同轴合束与纤芯-包层分域传输，包括：将多路能量光在耦合区内进行功率合成并耦合至多包层光纤包层；

4.根据权利要求1所述的基于光纤合束与光纤传输的激光加工温度控制方法，其特征在于，所述对初始电信号执行噪声分离、基线漂移修正与分段特征增强，包括：采用带通滤波与自适应陷波分离环境噪声与系统噪声；

5.根据权利要求1所述的基于光纤合束与光纤传输的激光加工温度控制方法，其特征在于，所述基于温度偏差分级与无超调调节策略闭环调节泵浦源输出功率，包括：将实时温度与设定温度的差值划分为微偏、轻偏、重偏三个等级；

6.一体化温度控制激光器，应用于权利要求1-5中任意一项所述的基于光纤合束与光纤传输的激光加工温度控制方法，其特征在于，包括：n个激光泵浦源、多路泵浦单信号合束器、多包层输出光纤、滤波片、红外探测模块、温度处理模块及激光控制卡；

7.根据权利要求6所述的一体化温度控制激光器，其特征在于，所述多路泵浦单信号合束器采用熔融拉锥工艺制备，内部设有泵浦端口与信号端口的隔离结构，用于防止泵浦光串扰测温通道。

8.根据权利要求6所述的一体化温度控制激光器，其特征在于，所述多包层输出光纤为双包层或多包层结构，纤芯直径10–200μm，包层为多模结构，直径≥100μm，数值孔径0.12–0.46。

9.根据权利要求6所述的一体化温度控制激光器，其特征在于，所述红外探测模块包括红外探测器、信号放大电路与滤波电路，用于将热辐射光信号转换为电信号。

10.根据权利要求6所述的一体化温度控制激光器，其特征在于，所述温度处理模块内置mcu或dsp芯片并采用pid算法，激光控制卡根据温度处理模块的指令调节泵浦源功率，实现温度闭环控制。