多波长可调径向模光纤激光器的制作方法

多波长可调径向模光纤激光器
1.优先权
2.本技术要求于2019年9月5日提交的美国专利申请序列号16/562,365的优先权，其公开内容全部并入本文。
技术领域
3.本发明总体上涉及光纤激光谐振器和放大器。本发明尤其涉及传送具有可调节径向模式的激光束的高功率光纤激光器。


背景技术：

4.激光辐射束越来越多地用于对由各种材料制成的工件进行切割、钻孔、标记和划线；包括金属、玻璃和聚合物。传统的机械加工会产生不需要的缺陷，例如当加工工件受到应力时可能会传播的微裂纹，从而降低和削弱加工工件的性能。激光加工最大限度地减少了这些不需要的缺陷，通常更清洁，并导致更小的热影响区。激光加工使用聚焦的激光束来产生精确的切口和孔，具有高质量的边缘和壁，同时最大限度地减少不需要的缺陷的形成。在激光焊接中，聚焦的激光束精确定位每个焊点或焊缝，并以最小的附带加热产生均匀的焊接部。
5.光纤激光器广泛用于需要高功率和高光束质量的工业激光加工应用。例如，在金属和金属合金的激光切割和激光焊接中。在光纤激光器中，增益介质是一种光纤，其纤芯掺杂有光学活性离子，例如钕(nd
3
)或镱(yb
3
)。具有光学活性离子的发射波长的激光束在纤芯内被放大和引导。钕和镱离子的发射波长在电磁光谱的近红外区域，介于约950纳米(nm)到1100nm之间。纤芯通常由多个二极管激光器提供的较短波长的泵浦辐射供能。二极管激光器有效地将电能转换为光能，光能可以直接被引导进入增益光纤。
6.近红外激光束被许多(但不是全部)用于激光加工的常见工业材料吸收。例如，钢合金强烈吸收近红外波长。相比之下，铜的吸收率要低一个数量级。这种低吸收率加上相对较高的热导率使得铜和铜合金难以使用近红外激光束进行焊接。例如，铜的键孔缝焊容易在完成的接缝中出现飞溅和不规则。需要对材料成分和激光加工参数进行严格控制，以产生具有可接受质量的均匀接缝。
7.铜在较短波长下的吸收性更强，并且在约500nm以下具有与钢相当的吸收率。因此，使用具有可见波长的激光熔化和焊接铜需要更少的功率，并且提高了焊接质量。近红外激光束可以通过光学非线性晶体中的谐波产生而转换为可见激光束。使用上面的示例，波长在950nm至1100nm之间的近红外“基波”光束将被部分转换为相应可见波长在475nm至550nm之间的二次谐波光束。基波光束(fundamental beam)中需要额外的功率来克服二次谐波产生的损失，直到现在这限制了可见波长激光器的功率，因此限制了可见波长激光器在铜焊接中的采用。
8.需要提供足够功率的光纤激光源来加工由铜、青铜、其他铜合金和其他材料制成的工件，这些材料在比传统光纤激光器的基波长(fundamental wavelength)更短的波长下
具有更高的吸收率。优选地，光纤激光源将是功率可扩展的，以实现对由这些材料制成的厚工件的高质量和快速加工。
9.发明概述
10.在一个方面，根据本发明的光纤激光器包括提供具有基波长的激光束的种子激光器和布置成接收和放大基波光束的光纤放大器。放大的基波光束是线性偏振的。谐波发生器被布置成接收放大的基波光束并且将放大的基波光束地转换成具有与基波长的谐波对应的谐波波长的激光束。部分转换留下具有基波长的残余激光束。布置分色镜以截取和在空间上分离残余基波光束和谐波光束。第一偏振调制器和第一偏振器被布置成接收残余基波光束并通过使其至少一部分通过来调节功率。第二偏振调制器和第二偏振器被布置成接收谐波光束并通过使其至少一部分通过来调节功率。提供具有中心纤芯和环形纤芯的输出光纤。光纤组合器被布置为接收已调节的基波光束和已调节的谐波光束。光纤组合器被配置为将至少一部分已调节的基波光束耦合到输出光纤的第一纤芯中，并将至少一部分已调节的谐波光束耦合到输出光纤的第二纤芯中。
附图说明
11.包含在说明书中并构成说明书一部分的附图示意性地示出了本发明的优选实施方案，并且与上文给出的一般描述和下文给出的优选实施方案的详细描述一起，用于解释本发明的原理本发明。
12.图1a示意性地示出了根据本发明的光纤激光器的一个优选实施方案，包括种子激光器、由保偏光纤制成的光纤放大器、谐波发生器、用于分离基波光束和二次谐波光束的分色镜、光纤组合器和输出光纤。
13.图1b是示意性示出图1a的输出光纤的细节的截面图，该输出光纤具有中心纤芯和环形纤芯，图1a的光纤激光器被布置成选择性地将基波光束耦合到一个纤芯中并且将二次谐波光束选择性地耦合到另一个纤芯中。
14.图2示意性地示出了根据本发明的光纤激光器的另一个优选实施方案，类似于图1a的实施方案，但布置成选择性地将基波光束和二次谐波光束耦合到输出光纤的两个纤芯中。
15.图3示意性地示出了根据本发明的光纤激光器的又一个优选实施方案，类似于图1a的实施方案，但具有光纤放大器，该光纤放大器没有保偏光纤，并包括位于种子激光器与光纤放大器之间的附加偏振调制器。
16.发明详述
17.现在参考附图，其中相同的部件用相同的标号表示，图1a和图1b示意性地示出了根据本发明的光纤激光器10的一个优选实施方案。光纤激光器10通过输出光纤12传送至少两束激光辐射。输出光纤12包括用于引导激光辐射的中心光束的中心纤芯14。中心纤芯14具有低折射率包层16。输出光纤12还包括用于引导激光辐射环形光束的环形纤芯18。环形纤芯18同心地位于低折射率包层16与低折射率包层20之间。
18.种子激光器22提供具有基波长的激光束。基波长在图1a中由单向箭头f表示。基波光束f可以是连续波(cw)或脉冲式的。焊接应用最常使用cw激光束，为了描述方便，本文假设为cw操作。然而，本发明的光纤激光器也适用于脉冲式激光束。通过锁模可以产生具有小
于约100皮秒的超短脉冲持续时间的超快脉冲式激光束。脉冲持续时间长于约1纳秒的脉冲式激光束可通过q开关产生。
19.种子激光器22包括激光谐振器并且可以另外包括一个或多个前置放大器。激光谐振器可以是二极管激光器，例如分布式反馈二极管，或具有由光纤布拉格光栅限定的光学谐振器的光纤激光器。前置放大器可以方便地是光纤放大器，其顺序地增加基波光束f的平均功率。相位调制器也可以包括在种子激光器22中以在光谱上展宽基波光束f，这增加了在光纤中放大过程中某些非线性过程的阈值，特别是增加了受激布里渊散射(sbs)的阈值。
20.光纤放大器24被布置成接收和放大基波光束f。光纤放大器24由通过多个二极管激光器产生并通过泵浦组合器(未示出)传送的泵浦辐射供能。对于高功率操作，前置放大器和光纤放大器将由双包层增益光纤制成，具有引导基波光束f的纤芯和引导泵浦辐射的包层。放大的基波光束f优选地是线性偏振的，以实现随后的谐波转换。放大的基波光束f通过光纤准直器26从光纤引导传输到自由空间传播，并由此被引导到谐波发生器28中。
21.谐波发生器28包括至少一个光学非线性元件，其布置成将放大的基波光束f部分地转换成具有与基波长的谐波对应的波长的激光束。例如，二次谐波光束或三次谐波光束。三次谐波和高次谐波波长的产生通常需要一个以上的光学非线性元件。光学非线性元件可以是定向晶体或周期性轮询材料。谐波发生器28还可以包括聚焦放大的基波光束f并准直谐波光束的透镜。
22.这里，将假定产生二次谐波，并且二次谐波光束由双箭头sh表示。二次谐波波长是基波长的一半。部分转换留下未转换的基波激光辐射的残余光束。谐波的产生是一个依赖于偏振的过程，因此残余基波光束和二次谐波光束将被偏振。
23.为清楚起见，图中省略了种子激光器22、光纤放大器24和谐波发生器28的内部结构。激光工程领域的技术人员将熟悉这种装置的构造。对于理解本发明的原理，其进一步描述不是必需的。
24.分色镜30被布置成截取并在空间上分离残余基波光束f和二次谐波光束sh。在所描绘的布置中，反射镜30反射残余基波光束f并透射二次谐波光束sh。残余基波光束f然后传播通过偏振调制器32、偏振器34和光纤耦合器36。偏振调制器32和偏振器34一起衰减残余基波光束f的功率。类似地，二次谐波光束sh传播通过偏振调制器38、偏振器40和光纤耦合器42。偏振调制器38和偏振器40一起衰减二次谐波光束sh的功率。
25.一种常见类型的偏振调制器是普克尔斯盒(pockels cell)，它通过在至少一个光学非线性晶体上施加大电势来利用电光效应。模拟或数字控制信号调节电势，从而调节光束穿过时的净偏振变化。更简单的偏振调制器是可调节的半波片，这对于不需要快速改变功率的激光加工应用来说已经足够了。偏振器34和40被描绘为立方体棱镜偏振器，具有内部偏振选择表面。每个偏振器通过具有选定偏振的一部分光束并拒绝具有正交偏振的互补部分。由偏振器通过的部分光束通过光纤耦合器从自由空间传输回光纤引导传播。在这种布置中通过的每个光束的部分可以在大约100％到大约0％之间独立调节。
26.经调节的基波光束f和经调节的二次谐波光束sh被引导到光纤组合器44中，从而进入输出光纤12。光纤组合器44被配置为根据材料加工应用的需要将这些光束耦合到中心纤芯14和环形纤芯18中。例如，一些应用可能需要仅具有二次谐波波长的中心光束和仅具有基波长的环形光束。相反，其他应用可能需要仅具有基波长的中心光束和仅具有二次谐
波波长的环形光束。合适的光纤组合器在国际专利申请pct/fi2007/050690和pct/fi2014/050790中有所描述，每一个都通过引用并入本文。
27.在另外其它应用中，在输出光纤12的一个或两个纤芯中可能需要基波长和二次谐波波长的某种组合。图2示意性地示出了根据本发明的光纤激光器50的另一个优选实施方案。光纤激光器50类似于光纤激光器10，但能够在输出光纤12的每个纤芯中混合残余基波光束f和二次谐波光束sh。最简单的布置将这些光束的被拒绝部分耦合回光纤并通过光纤进入光纤组合器44。图2所描绘的布置具有附加的偏振调制器和偏振器，以进一步控制输出光纤12的两个纤芯中每个波长的混合和功率。
28.在光纤激光器50中，通过偏振器34的残余基波光束f的一部分成为基波光束f1，而互补部分成为基波光束f2。偏振调制器52和偏振器54一起调节基波光束f2，然后由光纤耦合器56将基波光束f2传输到光纤中。类似地，通过偏振器40的二次谐波光束sh的一部分变成二次谐波光束sh1，而互补部分成为二次谐波光束sh2。偏振调制器58和偏振器60一起调节二次谐波光束sh2，然后通过光纤耦合器62将二次谐波光束sh2传输到光纤中。在所描绘的布置中，基波光束f1和二次谐波光束sh2耦合到中心纤芯14，而基波光束f2和二次谐波光束sh1耦合到环形纤芯18中。可以调节偏振调制器32、38、52和58以实现在输出光纤12的每个纤芯中的基波长的功率和二次谐波波长的所需混合。连续调谐每个纤芯中每个波长的相对功率是可能的。这些偏振调制器还可以对每个纤芯中的每个波长进行时间相关的功率控制。
29.谐波发生器28中的二次谐波产生是一个偏振相关的过程。因此，为了有效操作，光纤激光器10和50中的光纤放大器24可以由保偏光纤制成以产生线性偏振的基波光束f。并入保偏光纤中的应力棒提供偏振选择性线性双折射。然而，即使在名义上的单模光纤中，这些应力棒也会增强靠近纤芯的高阶模式的电场，并最终限制保偏光纤中可能的功率缩放。发明人发现大约1.5千瓦(kw)是放大偏振单模光束的实际极限。
30.图3示意性地示出了根据本发明的光纤激光器70的又一个优选实施方案，类似于光纤激光器10，但是光纤放大器24是在没有保偏光纤的情况下制成的。这使得能够产生更高功率的基波光束f并因此能够对输出光纤12中的光束进行功率缩放。然而，基波光束f仍必须具有明确定义的线性偏振，该偏振相对于谐波发生器28中的光学非线性元件正确定向，用于高效的谐波产生。
31.光纤激光器70包括位于光纤放大器24和谐波发生器28之间的部分反射镜72。镜72拾取一小部分的放大的基波光束f以将其引导到偏振器74上。具有选定的偏振的引导的基波光束的部分通过偏振器74并传播到光电检测器76上。光电检测器76在图中象征性地表示为光电二极管。镜72、偏振器74和光电检测器76共同对放大的基波光束f的偏振进行采样和分析。光电检测器76电连接到位于种子激光器22和光纤放大器24之间的偏振调制器78。来自光电检测器76的电信号被调节为当基波光束f穿过偏振调制器78时调节偏振变化的控制信号。偏振调制器78由此补偿当基波光束f穿过光纤放大器24时的任何偏振变化。偏振调制器78建立并保持放大的基波光束f的所需线性偏振。使用这种布置可以实现大于17分贝(db)的偏振消光比。
32.简单的部分反射镜是由玻璃制成的楔形件，一个菲涅耳反射指向偏振器74。如果镜72具有偏振选择反射率，则可以从光纤激光器70中省略偏振器74。偏振选择反射可以通
过仔细设计以及在镜72的表面上制造薄膜光学涂层来实现。另一个可选的镜80包括在所示的布置中，以拦截和重定向由镜72反射的一小部分的放大的基波光束f。还描绘了可选的半波片82。如果镜72和80是非偏振的，则可以调整半波片82以选择放大的基波光束f的偏振取向。半波片82消除了相对于谐波发生器28机械地定向偏振器74的需要。应该注意，可以应用相同的元件和原理来制造具有光纤放大器的光纤激光器，该光纤放大器不使用与光纤激光器50类似的保偏光纤。
33.例如，种子激光器22提供具有约1064nm的近红外基波长的光束。光纤放大器24具有由掺镱石英玻璃制成的纤芯，用于放大这个基波长。二次谐波光束将具有大约532nm的相应绿色二次谐波波长。在三硼酸锂(lbo)晶体中，放大的单模cw基波光束可以以大于50％的效率转换为二次谐波光束，产生大于1000瓦(w)的二次谐波功率，并留下大于1000w的残余基波功率。二次谐波光束具有小于约1.3并且可能小于1.1的光束品质因数(m2)。残余基波光束具有小于约1.5并且可能小于1.2的光束质量。
34.为了焊接由铜制成的工件，本发明的光纤激光器将被配置为提供主要是近红外基波长的纤芯光束和主要是绿色二次谐波波长的环形光束。这些光束从输出光纤12射出并聚焦在被焊接的工件上。聚焦光束具有横向强度分布，其中近红外聚焦中心光束被绿色聚焦环形光束包围。
35.在焊接过程中，绿色聚焦环形光束被工件吸收并预热工件的照射表面。预热的工件反过来吸收近红外聚焦的中心光束。众所周知，对于大约1300开尔文(k)，即大约1000摄氏度(℃)的铜，热导率和1微米(μm)的光吸收率都会发生突变。通过这个温度加热铜会使热导率降低大约两倍，并将光吸收率增加大约三倍。使用绿色聚焦环形光束将工件预热到1300k以上有利地利用了这两种变化，从而降低了聚焦中心光束提供的熔化和焊接所需的近红外功率。这降低了施加到工件上的总激光功率并减少了热影响区。红外聚焦中心光束还可以更深入地穿透工件，从而进一步提高焊接质量。
36.使用示例性工艺和本发明的光纤激光器可以改进点焊和缝焊。在点焊中，绿色聚焦环形光束可以在近红外聚焦中心光束之前施加以预热工件。聚焦环形光束也可以与聚焦中心光束同时施加，以维持高温，从而在工件中增强近红外吸收。每个光束都可以根据需要独立提高或降低功率，以优化焊接速度和质量。
37.在缝焊中，绿色聚焦环形光束的区段在近红外聚焦中心光束之前，因为聚焦光束沿工件界面扫描。前面的区段预热工件。聚焦环形光束的相对区段跟随聚焦中心光束。该跟随的区段可能会延长焊接过程中的熔化阶段或对焊接工件进行退火，从而提高焊接质量。同样，本发明的光纤激光器提供的每个光束的独立功率控制可用于优化焊接速度和质量。
38.总之，公开了光纤激光器，该光纤激光器产生具有横向模式的输出光束，该横向模式包括中心光束和同心环形光束。输出光束通过具有中心纤芯和环形纤芯的光纤传送。种子激光器产生的基波光束由光纤放大器放大，然后由谐波发生器部分地转换为谐波光束。未转换的基波光束和谐波光束由分色镜在空间上分离。基波光束和谐波光束通过光纤组合器选择性地耦合到输出光纤的中心纤芯和环形纤芯中。偏振调制器和偏振器被布置用来调节每个纤芯的功率。可以布置额外的偏振调制器和偏振器来控制输出光纤的每个纤芯中的基波光束和谐波光束的相对功率。偏振分析仪和偏振调制器将放大的基波光束保持在优选的线性偏振态，并使谐波光束能够缩放到千瓦功率。高功率输出光束具有可调节的径向模
式，中心光束和环形光束具有独立可调节的功率和波长。
39.以上根据优选实施方案和其他实施方案描述了本发明。然而，本发明不限于本文描述和描绘的实施方案。相反，本发明仅受所附权利要求的限制。