一种低光展量多波长WDM光纤耦合激光智能雕刻装置的制作方法

本发明属于激光加工、光学工程及智能控制，特别涉及一种利用波分复用（wdm）在波域实现光束同轴重叠、具备极低光展量、高能量密度及材料吸收光谱自适应匹配的多波长光纤耦合激光智能雕刻装置。

背景技术：

1、在半导体激光微加工及雕刻领域，提高输出功率与光束质量是实现高精细、高效率加工的核心。传统的功率提升方案普遍采用“空间切片合束”或“空间阶梯叠加”技术（例如通过阶梯棱镜或反射镜阵列，将多束同波长如 450nm 半导体激光器的输出光束在几何空间上强行组合）。然而，根据几何光学与光学拉格朗日不变量，系统的光展量（étendue，定义为光束横截面积 a 与发散立体角 ω 的乘积：g = a·ω）遵循守恒及递增定律。传统空间合束方式在增加总功率的同时，不可避免地使复合光束的总截面积 a 或发散角 ω 呈线性倍数膨胀，导致合成光束的光展量 g 及光束参数积（bpp）严重恶化。光展量恶化会带来多重严重的物理弊端：首先，当尝试将光展量剧烈膨胀的复合光束耦合进小芯径传输光纤时，耦合效率会急剧下降，大量溢出光转化为热能损害光学构件；其次，若采用大芯径光纤，经终端聚焦后获得的焦斑直径会显著膨胀，导致焦平面处的功率密度（w/cm²）成倍下降，无法实现微米级的精细雕刻或高反材料切缝。

2、再者，传统雕刻机普遍采用单一波长（如单蓝光或单红光）工作，然而不同材料（如紫铜、铝合金、木材、树脂等）对不同光谱波段的吸收率存在数量级上的差异。单波长设备无法根据材料特性自适应调整光谱配比，高反射率波段的能量大部分被反射，不仅造成严重的能量浪费，高反光还极易返回光路烧毁半导体激光器管芯。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有空间合束技术导致光展量剧烈恶化、焦斑膨胀、功率密度不足以及无法适应不同材料吸收光谱的缺陷，提供一种低光展量多波长 wdm 光纤耦合激光智能雕刻装置。本发明在波长维度（波域）而非几何空间维度实现多波长激光的同轴合束，在保持极小光展量和微米级聚焦焦斑的同时，集成了基于小功率反射光谱预检的闭环自适应调控系统。

2、 为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种低光展量多波长 wdm 光纤耦合激光智能雕刻装置，包括：

3、wdm 空间合束模组：包含 n 个发射不同中心波长激光 λ1, λ2, ......, λν的激光二极管阵列（其中 n≧2，λ1<λ2<......<λν）、分别设于每个激光二极管出光方向上的快轴准直透镜（fac）、慢轴准直透镜（sac）与微型准直透镜，以及 n-1 个倾斜 45 度排列的二向色合束镜；各所述激光二极管输出的光束经对应的快轴、慢轴准直透镜整形及微型准直透镜准直后，射向对应的二向色合束镜进行空间同轴重叠，形成同轴复合光束；

4、宽带消色差光纤注入模组：包含宽带消色差聚焦透镜组与传能光纤；所述消色差聚焦透镜组的工作波段覆盖所述激光二极管阵列的输出波长范围，并设于所述二向色合束镜的合束出光路径上；所述传能光纤的入射端面熔接有石英端帽，所述消色差聚焦透镜组将所述同轴复合光束聚焦耦合至所述石英端帽中并进入所述传能光纤；

5、终端消色差整形出光模组：包含消色差准直透镜与伽利略式消色差扩束透镜组，设于所述传能光纤的出射端后方光路中，用于对所述传能光纤出射的复合光束进行准直与扩束整形，并聚焦照射至待雕刻材料表面；

6、光谱检测模组：包含用于接收所述待雕刻材料表面反射光线的集光结构、与所述集光结构光路连接的 n 个窄带通滤光片、以及与各所述窄带通滤光片一一对应设置的 n个光电二极管（pd1, pd2, ......, pdn），各所述窄带通滤光片中心波长分别与 λ1, λ2,......, λν相对应，用于采集所述待雕刻材料在各工作波长下的反射光信号；

7、控制单元：分别与所述光电二极管的检测电路及所述激光二极管阵列的驱动电路电连接，用于根据所述光谱检测模组采集的反射光信号分析所述待雕刻材料对各波长激光的反射率，并据此独立调控各所述激光二极管的输出功率配比。

8、 优选地，在相同的总输出光功率下，所述 wdm 空间合束模组输出复合光束的光展量 gwdm满足 gwdm≤ 1.2·gsingle，其中 gsingle为单个激光二极管光束准直后的光展量；所述复合光束的光束参数积（bpp）显著小于单波长激光器采用空间切片合束方式达到相同功率时的光束参数积。

9、 优选地，所述二向色合束镜为 45 度入射角布置的短通二向色镜或长通二向色镜，其在 45 度入射角下的截止边过渡带宽度小于等于相邻两个激光二极管的工作波长之差，透射波段透射率大于等于 90%，反射波段反射率大于等于 95%。

10、 优选地，所述传能光纤为芯径 100μm - 105μm、数值孔径 na = 0.22±0.02 的抗太阳化石英光纤；所述石英端帽的直径大于所述传能光纤包层直径的 3 倍，且其轴向长度配置为将空气-石英界面的激光功率密度降低至所述传能光纤纤芯端面功率密度的 10%以下。

11、 优选地，所述宽带消色差聚焦透镜组与消色差准直透镜均采用双胶合或三胶合消色差结构，且在 400nm 至 700nm 波段内的焦点轴向色散偏移量小于所述传能光纤的焦深。

12、 优选地，所述光谱检测模组中，中心波长为 λx的窄带通滤光片安装在对应光电二极管 pdx的探测窗口前方并完全覆盖该探测窗口，且该窄带通滤光片的半高全宽（fwhm）小于等于 λx- λx-1与 λx+1- λx中的最小值。

13、 优选地，所述控制单元在正式雕刻作业前，控制各所述激光二极管按预设时间序列依次单独出光，或者按预设调制频率复用输出低于待雕刻材料雕刻阈值的小功率预检激光；所述控制单元根据所述光谱检测模组反馈的各波长反射光强计算材料反射率，并通过pwm 方式独立调节正式雕刻时各所述激光二极管的驱动电流与功率配比，自动降低高反射率波长的功率并提升高吸收率波长的功率。

14、 优选地，所述装置还包括集成外壳，所述集成外壳包含金属基座与防振腔体，所述 wdm 空间合束模组、宽带消色差光纤注入模组、光谱检测模组均刚性固定安装于所述防振腔体内。

15、本发明的有益效果为：

16、1. 极低光展量与高光束质量：通过在波域而非空间几何维度叠加光束，系统的总截面积与发散角未发生空间拓展，复合光束的光展量 gwdm接近单个 ld 的光展量 gsingle，光束参数积（bpp）仅为同等功率空间合束系统的 1/3 以下；

17、2. 微米级高能量密度焦斑：利用极小光展量特性，复合光束可高效耦合进 105μm甚至更细芯径的传能光纤中，经消色差整形后可获得 0.01mm 级别的对称细微焦斑，焦点处功率密度提升数倍，大幅提升精细雕刻与切割质量；

18、3. 全光谱焦点无色散重影：全光路消色差设计使 400nm - 700nm 范围内的多波长激光在焦点处完全重合，消除了多波长叠加时的色散错位与焦平面偏离；

19、4. 抗高功率热损伤与高可靠性：熔接大尺寸石英端帽将高功率密度焦点移至石英介质内部，使空气-石英界面的光强密度降低一个数量级以上，彻底解决了光纤端面的高功率烧蚀问题；

20、5. 智能光谱自适应与高能效：雕刻前通过小功率预检光与光谱检测模组自适应识别材料吸收率，动态优化各波长 pwm 功率配比。这不仅最大化了雕刻效率，还避免了高反波长光强返射烧毁激光器，显著提升了设备寿命与能效。