2100W光纤激光器的制作方法

2100w光纤激光器
技术领域
1.本发明涉及一种激光器，具体涉及一种2100w光纤激光器。


背景技术：

2.光纤激光器由于功率密度与转化效率较高，结构简单，使用便利，其广泛用于金属工业加工领域。中高功率的光纤激光器技术发展脉络，文献[党文佳,李哲,李玉婷,等.高功率连续波掺镱光纤激光器研究进展[j].中国光学,2020(4):676-694.]阐述的较为清晰。然而，针对工业加工市场的商用光纤激光器，对结构设计、成本控制与冷却系统有较高要求。
[0003]
目前的2000w商用光纤激光器，在指示光保护、合束器尾纤处理、谐振腔高阶模处理与温控系统还存在一定风险和可优化空间。例如，在光纤激光器设置为准连续50％占空比、40％功率输出，对厚碳钢板材进行钻孔时，存在金属液体形成镜面反射形成较高功率的信号光回返时，较差的指示光保护方案会在关键位置形成大量信号回返光，点燃光纤或烧坏器件；又如，工业加工市场中的大部分中功率光纤激光器，在选择增益纤盘形状时使用单向曲率较高的盘绕方案，这种方案对滤除高阶模有一定优势，但会出现最终输出的光斑形成峰值偏心的情况，光束质量较差；再如，进入包层的回返光会沿着包层进入合束器泵浦纤尾纤，较差的泵浦光保护方案会在纤尾处形成大量热量，点燃光纤。因此，设计一款性能稳定，成本低廉的商用2100w光纤激光器，对工业加工市场有着重要贡献。


技术实现要素：

[0004]
本发明为解决现有光纤激光器在应用过程中存在大量信号回返光，点燃光纤或烧坏器件，输出的光斑形成峰值偏心的情况以及光束质量较差等问题，提供一种2100w光纤激光器。
[0005]
2100w光纤激光器，包括掺镱光纤激光模块，电路控制模块，双通道水冷光电模块通路冷却系统及支架承重壳体；
[0006]
掺镱光纤激光模块置于双通道水冷光电模块通路冷却系统中，掺镱光纤激光模块包括光模块正面层和光模块背面层；光模块正面层为耦合半导体泵浦光系统、指示光、半导体泵浦光剥除系统及谐振腔；光模块背面层为8个350w半导体激光器；双通道水冷光电模块通路冷却系统的电模块包括正面和背面两层，正面层为两个开关电源输出系统，背面层为多个恒流源输出控制器；电路控制模块中的电源转换器和滤波器置于双通道水冷光电模块通路冷却系统的电模块侧面，由支架承重壳体支撑，支架承重壳体正面板为三种不同应用开关，支架承重壳体背面为电路总闸、水冷通道及光输出端。
[0007]
本发明的有益效果：本发明所述的2100w激光器由于模块化，所以结构简单，便于维护。
[0008]
本发明所述的2100w激光器，主要用途为对金属板材切割、打孔与焊接。其主要特点为：稳定的输出功率；较好的光束质量；较高的光电转化效率；良好的散热性能；紧凑的结构设计与较低的成本控制。
附图说明
[0009]
图1为本发明所述的2100w光纤激光器的外壳与部分内部示意图；
[0010]
图2为本发明所述的2100w光纤激光器中掺镱光纤激光模块的光模块工作流程图；
[0011]
图3为本发明所述的2100w光纤激光器中掺镱光纤激光模块的光模块正面示意图；
[0012]
图4为掺镱光纤激光模块的背面层示意图；
[0013]
图5为本发明所述的2100w光纤激光器中双通道水冷光电模块通路冷却系统中电模块工作原理图；
[0014]
图6为双通道水冷光电模块通路冷却系统中电模块的正面层示意图；
[0015]
图7为双通道水冷光电模块通路冷却系统中电模块的背面层示意图；
[0016]
图8为光纤激光器输出斜效率图；
[0017]
图9为光纤激光器输出光谱图。
[0018]
图中：001、前面板开关，002、滤波器，003、电源分流器，004、总控制器，005、总开关，100、光模块正面层，101、红光激光器，102、红光剥除器，103、正向合束器，104、高反布拉格光栅，105、增益光纤，106、低反布拉格光栅，107、反向合束器，108、泵浦与高阶模剥除器，109、激光器输出端，200、光模块背面层，201、两个正向ld泵浦，202、六个反向ld泵浦，300、电模块正面层，301(302)、开关电源，402、控制反向4个泵浦的恒流源控制器，400、电模块背面层，401、控制两个正向泵浦与控制两个反向泵浦的恒流源控制器。
具体实施方式
[0019]
结合图1至图9说明本实施方式，一种2100w光纤激光器，包括掺镱光纤激光模块、电路控制模块、双通道水冷光电模块通路冷却系统及支架承重壳体。其中，掺镱光纤激光模块置于双通道水冷光电模块通路冷却系统中掺镱光纤激光模块包括正面层和背面层，光模块正面层100为耦合半导体泵浦光系统、指示光、半导体泵浦光剥除系统及谐振腔，背面层200为8个350w半导体激光器；电路控制模块中的电路控制开关与恒压稳流控制系统置于双通道水冷光电模块通路冷却系统光模块下部，双通道水冷光电模块通路冷却系统的电模块包括正面层和背面层，正面层为2个开关电源输出系统，背面层为多个恒流源输出控制器。电路分流器与电路滤波器置于电模块侧面，由支架承重壳体支撑，壳体正面板为3种不同应用开关，壳体背面为电路总闸、水冷通道及光输出。
[0020]
本实施方式中，所述掺镱光纤激光模块中，指示光为200mw红光激光器；半导体泵浦光剥除系统由一个纤芯直径14μm的泵浦剥除器和一个纤芯直径25μm半导体泵浦光剥除器组成；谐振腔由一对波长匹配的高低反布拉格光栅与20m掺镱光纤组成。耦合半导体泵浦光系统由1个6 1
×
1的正向合束器和一个1 6
×
1的反向合束器组成；正向合束器熔接2个半导体激光器，反向合束器熔接6个半导体。此半导体泵浦光分布方式可提高掺镱光纤吸收泵浦光效率。其中正向合束器未熔接的4根光纤可以相互熔接。此熔接方法可以方便安置未熔接的合束器预熔泵浦纤，并回收利用了纤芯中的回返光。
[0021]
为保护上述的200mw红光激光器不受激光器回返光伤害，在掺镱光纤激光模块中，半导体泵浦光剥除系统中纤芯直径14μm剥除器，输出端光纤距剥除器5cm处做无源纤盘2圈处理，盘圈直径2cm。剥除了进入红光激光器的回返光。
[0022]
本实施方式中，所述谐振腔中掺镱光纤嵌入光模块正面异性双螺旋凹槽内。此盘
纤形状可有效滤除纤芯中的高阶模，实现激光器高光束质量，高模式稳定性的激光。光模块背面8个半导体激光器，波长为976nm。
[0023]
本实施方式中，所述两个3000w电路控制开关置于电模块水冷板上层，由稳压滤波器供电，可以提高光纤激光器的功率稳定性。3000w电路控制开关电流链接电模块背面4个恒流源控制器(两组)，可以为8个976nm泵浦提供稳定的电流注入，实现为光模块提供稳定的泵浦光源。
[0024]
本实施方式中，所述的双通道水冷光电模块通路冷却系统的入水口由1个16mm芯径的水管分束为两个12mm芯径的水管，分别注入光模块的两路水冷通道。由光模块路水冷通道的出水注入电模块的两路水冷通道。电模块的两路水冷通道出水注入两个12mm芯径的水管，合束注入16mm芯径的双通道水冷光电模块通路冷却系统的出水口。
[0025]
具体实施方式二、结合图1至图9说明本实施方式，本实施方式为具体实施方式一所述的2100w光纤激光器的实施例：如图1，为2100w光纤激光器的外观与部分结构图。拼装过程整体分为2大部分。其中掺镱光纤激光模块的正面层100和背面层200为一部分，双通道水冷光电模块通路冷却系统的正面层300和背面层以及支架承重壳体为一部分。两大部分分别安装。
[0026]
结合图2和图3说明本实施方式，掺镱光纤激光模块的具体实施方式分为两部分，光模块的正面层100的起始端为红光激光器101熔接红光剥除器102，熔接过程中由于芯径不同，熔接处不做光纤低折射率涂覆处理。红光剥除器102输入端14/250芯径熔接正向合束器103的输入端芯径20/250，此处用低折射率涂覆处理，在距离红光剥除器5cm处，盘2圈直径为2cm的纤圈。正向合束器103的输出端芯径20/400熔接高反布拉格光栅104无源方向芯径20/400，此处用低折射率涂覆处理。截至此处，光模块正向泵浦输入部分完成。
[0027]
高反布拉格光栅104有源端芯径20/400熔接增益光纤105，此处用低折射率涂覆处理。如图3所示，增益光纤105进入纯圆轨道，由内圈向外圈盘入，盘圈9.7m后盘入另一个纯圆轨道的外圈，由外向内盘绕9.7m后由内圈盘出，芯径20/400的增益光纤105熔接低反布拉格光栅106芯径20/400的有源端，此处用低折射率涂覆处理。截至此处，光模块的谐振腔完成。值得注意的是，增益纤105在工作状态下会产生大量的热，除了轨道散热外，需加入高折射率低导热系数或低折射率高导热系数的纤盘胶做封装处理。
[0028]
低反布拉格光栅106芯径20/400的无源端熔接反向合束器107的输入端，芯径为20/400，此处用低折射率涂覆处理。反向合束器107的输出端芯径25/250熔接泵浦与高阶模剥除器108的输入端芯径25/250，此处用低折射率涂覆处理。泵浦与高阶模剥除器108的输出端芯径25/250熔接激光输出端109的输入端芯径50/250，此处用低折射率涂覆处理。激光输出端109可选为对接切割头的qbh输出和激光焊接输出。其中，整体光模块的所有熔点，除红光激光器101与正向合束器103输入端熔点外，其余熔点都需要与增益纤105一样进行散热处理。需要注意的是，红光剥除器102、正向合束器103、高反布拉格光栅104、低反布拉格光栅106、反向合束器107与泵浦与高阶模剥除器108在激光器工作状态下，会产生大量的热，因此需要热沉处理。
[0029]
结合图4说明本实施方式，光模块背面层200，两个350w的976nmdl泵浦201芯径200/220熔接正向合束器103的两支芯径200/220的泵浦纤，此处用高折射率涂覆处理。六个350w的976nmld泵浦202芯径200/220熔接反向合束器107六支芯径200/220的泵浦纤，此处
用高折射率涂覆处理。其中，8个976nmld泵浦在工作状态下会产生大量的热，因此需要热沉处理。正向合束器102剩余的4只200/220的泵浦纤两两对融，用高折射率涂覆处理。其不仅能有效保护尾纤不受回返光烧蚀，还可回收利用纤芯中的泵浦光。提高激光器效率。
[0030]
结合图5至图7说明本实施方式，所述电路控制模块包括前面板开关001、滤波器002、总控制器004和激光器的总开关005，所述激光器的总开关005经过电源转换器003与滤波器002为开关电源供电。总控制器004受前面板开关001控制，同时接入开关电源301、302与恒流源控制器401、402为ld泵浦201与202供电，实现光模块的激光输出。结合图6和图7，双通道水冷光电模块通路冷却系统的电模块的正面层300的两个3000w开关电源301、302输出稳定的62v电源，为电模块背面层400的两组恒流源控制器401、402供电。恒流源控制器401、402输出对应350wld泵浦，注入30v幅值与24a电流。
[0031]
本实施方式中，光纤激光器的冷却系统，是支撑产生大量热量的光模块与电模块的底层支柱，详见图1，双通道水冷的实施方式为光电模块通路冷却系统的入水口由1个16mm芯径的水管分束为两个12mm芯径的水管，分别注入光模块的两路水冷通道。由光模块路水冷通道的出水注入电模块的两路水冷通道。电模块的两路水冷通道出水注入两个12mm芯径的水管，合束注入16mm芯径的双通道水冷光电模块通路冷却系统的出水口。16mm芯径的水管，水流量为25l/min，水温为25
°
，可满足2100w光纤激光器的热量平衡。
[0032]
结合图8和图9说明本实施方式，2100w光纤激光器输出功率为2158w，输出波长为1080.98nm，斜效率约为80.28％。