一种飞秒光栅协同的复合工艺光源及其加工装置的制作方法

本技术涉及高功率光纤激光，特别是涉及一种飞秒光栅协同的复合工艺光源及其加工装置。

背景技术：

1、高功率光纤激光器已成为焊接、切割、熔覆及增材制造等先进材料加工的重要光源。随着输出功率和加工速率持续提高，工件表面的能量沉积方式对加工稳定性和成形质量的影响日益突出。除总输出功率和传统光束质量指标外，局部功率密度、热作用尺度以及不同空间区域之间的能量分配均会直接影响材料熔化、熔池流动和凝固过程。以深熔焊接为例，较高的局部功率密度有利于形成并维持深熔小孔，而小孔入口稳定性、熔池流动、自由表面形貌及后续凝固行为又与周围温度场及其空间梯度密切相关。因此，高功率密度主作用区与较大尺度热调控区在同一加工过程中具有相互补充的物理功能。为同时满足上述两类作用需求，中心与外围复合光场逐渐发展为高功率激光加工的重要光束形态。其基本特征是将加工光场划分为具有不同空间尺度和功率密度的中心区域与外围区域。中心光通常保持较小的有效作用面积和较高的空间亮度，以提供形成深熔小孔、维持高熔深或实现高效切割所需的局部高功率密度；外围光则分布在更大的环形或其他外围区域内，以相对较低的功率密度扩大热作用范围。两类光学分量在空间上相互邻接而功能上有所分工，并可通过中心与外围功率比例、外围光场尺寸及其空间分布等参数对局部强作用过程和较大尺度热过程分别进行调节。与单一高亮度光束相比，中心与外围复合光场的主要优势在于能够在保持中心区域较高峰值功率密度的同时，引入独立的外围热调控自由度。对于单光束系统，扩大焦斑通常会降低中心功率密度，而保持较小焦斑又会使能量更加集中；中心与外围复合光场则可通过空间能量再分配，在不必显著削弱中心主作用能力的条件下扩大受热区域，并调节小孔周围的熔池状态、温度梯度和凝固条件。外围光还可对小孔入口及熔池自由表面的动态过程产生影响，从而为抑制飞溅、改善表面成形、调节气孔形成和凝固裂纹提供额外的工艺自由度。其技术价值并不在于简单增加第二束光，而在于将深熔或切割所需的局部高功率密度与熔池及凝固调控所需的较大尺度能量沉积部分解耦，使两类作用能够在同一加工光场中协同优化。作为典型代表，美国公司ipg photonics的可调模式光束（amb）技术已经实现中心光与外围环形光功率的独立调节，如图1所示，并用于焊接、切割和钻孔等材料加工。其公开结果表明，外围较宽的低功率密度光场可用于稳定熔池并调节凝固过程，说明上述双区域能量配置具有明确的工业应用基础。

2、在上述光场特征和作用机理基础上，已有实验研究进一步对中心与外围能量配置的工艺效果进行了定量验证。maina等在铝合金焊接中采用2.0kw中心功率和4.0kw环形功率，实现了深熔能力与表面成形的兼顾；wang等在3.0kw中心光条件下增加外围环形功率，在其试验范围内，当环形功率达到0.75kw时原有咬边得到抑制；pamarthi等针对aa6005铝合金的研究表明，中心与环形功率比能够显著影响焊缝横向应变和凝固裂纹行为。除功率比例外，外围光场的空间尺度同样具有明显的工艺敏感性。zaiß等在中心与环形功率各占50%的条件下改变环径，不同环径对应的气孔数量约为0.13、6.7和9.3个/mm。这些结果一方面验证了外围光对熔池、成形和凝固过程的显著调控作用，另一方面也表明其效果并非随外围功率或作用尺度单调改善。中心功率、外围功率及外围作用尺度属于相互关联的关键工艺变量，需要根据材料特性、加工速度及目标热过程进行联合优化。

3、与加工机理研究相对应，中心与外围复合光场的高功率产生和传输技术也在持续发展。现有方案主要采用专用双区域有源结构、中心与外围复合传能光纤、多路高功率光源、全光纤合束器以及加工头空间映射等方式，实现两类光学分量的产生、传输和工件面组织。zhou等采用级联全光纤合束结构实现了8.8kw的中心输出，其中中心通道传输效率为96.2%，环形输出平均传输效率高于98%，说明多千瓦级中心与外围双区域全光纤传能已经具备明确的工程可行性。然而，随着总输出功率进一步提高，由独立光源支路、合束节点、传能接口及空间重构单元所引入的器件数量、热负荷和系统连接复杂度亦随之增加。因此，在保证复合光场调控能力的同时降低高功率链路复杂度，已成为该类光源进一步扩展需要考虑的重要问题。从光纤激光器的源内能量转换过程看，传统单输出系统主要围绕泵浦能量向高亮度信号光的转换进行设计。半导体泵浦光通常具有较大的空间发散角，进入双包层有源光纤后沿光纤包层传播并逐步被纤芯增益介质吸收，最终通过受激辐射形成空间高亮度的信号激光。因此，针对高亮度信号的泵浦吸收率、光光转换效率及高亮度信号输出功率通常构成主要设计指标，未完成转换的残余泵浦能量主要在输出侧被包层功率剥离器（cps）当做废光进行剥离。该能量转换方式适用于以单一高亮度光束为目标输出的系统，而对于同时要求中心高功率密度作用和外围较大尺度热调控的复合加工，如何在光源内部形成并合理分配具有不同功率密度和光学特征的能量，构成了进一步的系统需求。

4、分布式侧面泵浦技术（简称dsccp，也称为gtwave）为调节泵浦输运与增益转换之间的关系提供了不同于常规双包层泵浦的结构基础。dsccp结构利用独立泵浦传输通道完成泵浦光的轴向输运，并在一定长度范围内持续向有源信号纤的包层泵浦区域转移能量。已有研究对其中的泵浦传播、侧向能量转移及增益吸收过程进行了系统分析，并在20kw级光纤系统中验证了独立泵浦通道承担高功率输运和沿程供能的可行性，其光纤结构示意图如图2所示。在常规双包层增益光纤中，泵浦光进入泵浦包层后与增益纤共路传播并持续参与增益吸收。但是dsccp光纤中，泵浦光的轴向输运与向增益纤的侧向能量转移则分别由不同物理通道承担，外围的1根或多根无增益能力的泵浦纤作为泵浦注入、传输和排出通道，中心的有源纤负责信号增益和放大，输出高亮度信号激光。外围泵浦纤中传输的泵浦光通过侧壁贴合的界面以倏逝波的形式耦合到中心的有源纤并被吸收转换。由此，泵浦转移比例、轴向转移分布以及继续沿独立泵浦通道传播的能量比例均获得了可独立设计的结构自由度，这也是dsccp结构最典型的灵活特征。该结构特征为高功率光纤激光器内部泵浦能量的进一步调控提供了新的技术基础，但现有研究主要围绕泵浦输运、侧面耦合、增益供能及输出功率提升展开，尚未充分涉及其与复合加工光场形成需求之间的协同设计。

5、因此，如何在兼顾中心-外围复合光场灵活调控能力的前提下，利用分布式侧面泵浦光纤的结构优势，在光源内部实现不同功率密度能量的原生生成与合理分配，同时降低高功率复合加工光源的器件规模、热负荷与系统链路复杂度，成为本领域亟需解决的技术问题。

技术实现思路

1、本技术的目的是提供一种飞秒光栅协同的复合工艺光源及其加工装置，可依托分布式侧面泵浦光纤的通道分离与可控侧向能量转移特性，在光源内部原生生成中心高亮度第一工艺光与可灵活调控空间形貌的第二工艺光，减少后级高功率光学器件，降低系统复杂度与热负荷，实现适配材料加工需求的复合光源一体化输出。

2、为实现上述目的，本技术提供了如下方案：

3、第一方面，本技术提供了一种飞秒光栅协同的复合工艺光源，包括：

4、位于dsccp光纤中央的1个有源信号通道、位于外围的n个泵浦传输通道，n≥1。

5、所述dsccp光纤沿轴向还包括：输入区、侧向能量耦合区、输出保持区和整形区；在所述输入区与所述输出保持区，所述有源信号通道与所述泵浦传输通道相互远离；在所述侧向能量耦合区，所述有源信号通道与每一所述泵浦传输通道紧密贴合。

6、所述输入区，用于将信号激光注入所述有源信号通道；还用于将泵浦光注入所述泵浦传输通道。

7、所述侧向能量耦合区，用于将泵浦光由所述泵浦传输通道按照预定功率关系转移至所述有源信号通道完成增益转换，形成第一工艺光。

8、所述输出保持区，用于使被保留下来的泵浦光沿所述泵浦传输通道继续传播，以生成第二工艺光。

9、所述整形区，用于对所述第二工艺光进行模式整理，得到整形后的第二工艺光。

10、可选地，所述预定功率关系表示为两类工艺光的目标功率、目标功率区间或功率比例。

11、所述两类工艺光的目标功率的表达式为：

12、；

13、；

14、；

15、其中，表示不由本级泵浦转换直接产生的基准第一工艺光功率；表示第个通道转移泵浦对第一工艺光形成的等效综合效率；表示第个通道保留泵浦传输至第二工艺光使用端的综合效率；表示第一工艺光目标功率；表示第二工艺光目标功率；表示第个通道的第二工艺光功率；表示第个通道的输入泵浦功率；表示经过分布式侧向能量转移的有效转移份额。

16、可选地，所述预定功率关系通过固定结构预先设定，或通过泵浦输入、侧向能量转移条件或其他控制量主动调节，并能够与工作状态相关的无源调节组合使用。

17、可选地，所述泵浦传输通道由离散泵浦光纤、多通道或多芯导光结构以及其他能够保持独立泵浦输运功能的导光区域形成，所述泵浦传输通道的数量、排列方式及与所述有源信号通道的空间关系均能够改变。

18、可选地，所述泵浦光能够从所述侧向能量耦合区一端、另一端、两端或多个轴向位置输入所述有源信号通道；所述泵浦光与所述第一工艺光的传播方向关系也能够相应改变。

19、可选地，所述侧向能量耦合区能够通过直接接触、熔融贴合、共享包覆、受控光场重叠或其他能够在泵浦传输通道与有源信号通道之间建立侧向光学耦合的结构实现。

20、可选地，所述侧向能量耦合区包括：多个离散、分段或渐变的有效转移区域。

21、可选地，所述第二工艺光能够继续沿原泵浦传输通道直接输出，也能够进入与对应光学连接的第二工艺光传能通道；多个第二工艺光支路能够保持离散、部分汇合、共同汇合或再次分配，并能够采用熔接、拉锥、渐变匹配、纤束连接或空间光学映射完成后续传输和输出匹配。

22、可选地，通过飞秒激光写入结构、其他前向模式耦合结构、受控弯曲或其他模式混合方式对所述第二工艺光进行模式整理；所述飞秒激光写入结构为：长周期、多周期、啁啾、分段、准周期或其他三维扰动形式的光栅结构。

23、第二方面，本技术提供了一种加工装置，包括上述所述的飞秒光栅协同的复合工艺光源。

24、当所述加工装置为一体化复合加工系统时，所述第一工艺光和所述第二工艺光共同进入同一加工头，并作用于相同位置以及相同工艺阶段。

25、当所述加工装置为分立式复合加工系统时，所述第一工艺光和所述第二工艺光分别进入不同加工头，并作用于不同位置以及不同工艺阶段。

26、根据本技术提供的具体实施例，本技术具有了以下技术效果：

27、本技术提供了一种飞秒光栅协同的复合工艺光源及其加工装置，通过设置位于dsccp光纤中央的1个有源信号通道以及外围n个泵浦传输通道（n≥1），解决了传统复合光场光源需要依靠相互独立的多路光源支路实现双光束输出造成系统硬件架构复杂的问题，实现了在同一根分布式侧面泵浦光纤内部搭建两类工艺光的原生生成载体；通过设置dsccp 光纤轴向划分的输入区、侧向能量耦合区、输出保持区和整形区，并且输入区与输出保持区内有源信号通道和泵浦传输通道相互远离、侧向能量耦合区内有源信号通道与每一个泵浦传输通道紧密贴合的空间位置关系，解决了泵浦光非目标位置发生无效侧向耦合、能量分配偏离预设目标的问题，实现了光纤不同轴向区段物理功能的分区解耦，保障侧向能量转移仅在侧向能量耦合区有效发生；通过输入区将信号激光注入有源信号通道、将泵浦光注入泵浦传输通道，解决了信号光与泵浦光注入路径混杂互相干扰的问题，实现信号激光与泵浦光分通道独立注入；通过侧向能量耦合区将泵浦光由泵浦传输通道按照预定功率关系转移至有源信号通道完成增益转换形成第一工艺光，解决了传统光纤激光器无法按照复合加工的工艺需求前置规划泵浦-信号光能量分配的问题，实现了定向生成满足加工要求的高亮度第一工艺光；通过输出保持区使被保留下来的泵浦光沿泵浦传输通道继续传播以生成第二工艺光，解决了现有技术中将未吸收泵浦光直接作为废光剥离、需要后级额外器件构建辅助加工光束的问题，实现将预设份额泵浦光直接保留作为第二工艺光的原生输出，减少能量损耗；通过整形区对第二工艺光进行模式整理得到整形后的第二工艺光，解决了第二工艺光传输过程中产生局部热点、光场分布畸变、多瓣非目标形貌的问题，实现对第二工艺光光场质量的校正优化。本技术依托dsccp光纤的分区结构，在光源内部原生生成第一工艺光与经过模式整理的第二工艺光，无需依赖后级复杂的合束、分光器件，降低了系统热负荷与硬件复杂度，提升了泵浦能量利用率，能够输出可适配焊接、切割等材料加工需求的中心-外围复合工艺光场。