光能傳輸系統(tǒng)、材料加工系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種光能傳輸系統(tǒng)、材料加工系統(tǒng)及方法。其中，光能傳輸系統(tǒng)包括依次設置的光源、入射耦合單元、流體核芯光纖以及輸出光調制單元；光源發(fā)出的光束沿著入射耦合單元、流體核芯光纖以及輸出光調制單元依次傳輸；流體核芯光纖包括具有第一折射率的流體核芯以及包裹在流體核芯外側的具有第二折射率的外包層，第一折射率大于第二折射率。本發(fā)明的光能傳輸系統(tǒng)能夠可靠地實現(xiàn)高能量密度光能的剛性及柔性長距離、高效率傳輸。本發(fā)明的材料加工系統(tǒng)包括該光能傳輸系統(tǒng)。通過采用本發(fā)明的材料加工系統(tǒng)及方法，能方便地實現(xiàn)高峰值功率激光加工的智能化和柔性化。
【專利說明】光能傳輸系統(tǒng)、材料加工系統(tǒng)及方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及光傳導【技術領域】，特別是涉及一種基于流體核芯光纖柔性傳導光能的光能傳輸系統(tǒng)以及包括該光能傳輸系統(tǒng)的材料加工系統(tǒng)及方法。

【背景技術】
[0002]高能量密度的光能在工業(yè)生產和科研領域有眾多重大應用，比如，高能量密度的激光被用于材料加工、醫(yī)療手術等；高亮度的光源被用于照明、加熱、促進化學反應等。高能量密度的光能的成功應用需要有效解決其傳輸與匯聚問題。
[0003]光能從光源到最終作用點一般是通過反射鏡和各種光束變換透鏡來傳輸匯聚實現(xiàn)的。反射鏡等離散光學器件的使用存在零件多、系統(tǒng)復雜、傳輸特性不穩(wěn)定、容易漂移，使用不便等問題。
[0004]隨著柔性光學傳輸系統(tǒng)的出現(xiàn)，則相對簡化了由離散光學器件組成的光能傳輸系統(tǒng)。目前柔性光學傳輸系統(tǒng)主要有兩大類，一類是將光學反射鏡等集成到關節(jié)式管子里的光管系統(tǒng)或導光臂系統(tǒng)，另一類是光纖光能傳輸系統(tǒng)。關節(jié)式光管相對于離散光學系統(tǒng)使用方便，但仍存在需要調節(jié)控制漂移、尺寸偏大損耗過高等問題。傳統(tǒng)的光纖光能傳輸系統(tǒng)主要使基于全內反射原理通過固核光纖實現(xiàn)光能傳輸，其已經在激光加工領域獲得廣泛應用。比如石英實心光纖，可以高效率柔性傳輸千瓦級CW激光數(shù)十米甚至百米距離，然后通過光束調制，用于激光切割、焊接、打孔等領域。但是，長距離(大于I米)柔性光能傳輸?shù)囊幌盗袃?yōu)點只局限在有限的波長和脈沖長度的光源系統(tǒng)。此外，當傳輸高能量密度的光能時，傳統(tǒng)的固核光纖存在可靠性差、傳輸效率降低、光纖易于損壞等問題。
[0005]目前，能用光纖可靠耦合的激光器發(fā)展迅速，包括連續(xù)波光纖激光器和固體激光器，以及納秒、微秒、毫秒級脈沖1064納米波長激光器等。綠光、紫外脈沖激光器是高端微細加工的主力型激光器，但是由于沒有合適的高能量光能長距離傳輸手段，導致其依賴離散光學器件傳輸?shù)默F(xiàn)狀，影響了其市場的進一步擴展。另外，瞬態(tài)高能量密度的超短脈沖激光的各種波長傳輸都存在可靠性問題。
[0006]因此，急需一種能夠可靠實現(xiàn)高能量密度或大功率光能的遠距離傳輸系統(tǒng)，并在此基礎上實現(xiàn)將傳輸?shù)墓饽茉诓牧霞庸ざ烁呔葏R聚應用。


【發(fā)明內容】

[0007]基于此，有必要針對現(xiàn)有技術的缺陷和不足，提供一種基于流體核芯光纖傳導高能量密度光能的光能傳輸系統(tǒng)以及包括該光能傳輸系統(tǒng)的材料加工系統(tǒng)及方法，實現(xiàn)高能量密度光能的遠距離傳輸及三維柔性激光加工。
[0008]為實現(xiàn)本發(fā)明目的而提供的光能傳輸系統(tǒng)，包括依次設置的光源、入射耦合單元、流體核芯光纖以及輸出光調制單元；
[0009]所述光源發(fā)出的光束沿著所述入射耦合單元、所述流體核芯光纖以及所述輸出光調制單元依次傳輸；
[0010]所述流體核芯光纖包括具有第一折射率的流體核芯以及包裹在所述流體核芯外側的具有第二折射率的外包層，所述第一折射率大于所述第二折射率。
[0011]在其中一個實施例中，本發(fā)明的光能傳輸系統(tǒng)還包括流體輸入裝置；
[0012]所述流體輸入裝置連接所述流體核芯光纖，用于向所述外包層中輸入所述流體核
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[0013]在其中一個實施例中，本發(fā)明的光能傳輸系統(tǒng)還包括控制器；
[0014]所述控制器分別與所述光源和所述流體輸入裝置電連接。
[0015]在其中一個實施例中，本發(fā)明的光能傳輸系統(tǒng)還包括冷卻裝置；
[0016]所述冷卻裝置設置在所述流體核芯光纖的外側，用于對所述流體核芯光纖進行冷卻降溫。
[0017]在其中一個實施例中，所述外包層為柔性材質。
[0018]在其中一個實施例中，所述入射耦合單元包括第一安裝腔室以及第一光學透鏡組件；
[0019]所述第一光學透鏡組件設置在所述第一安裝腔室內部；
[0020]所述光源發(fā)出的光束通過所述第一安裝腔室中的所述第一光學透鏡組件調制后，進入所述流體核芯光纖的入射端。
[0021]在其中一個實施例中，所述流體核芯光纖的入射端設置有光纖入射端腔室；
[0022]所述流體核芯光纖的入射端固定在所述光纖入射端腔室中。
[0023]在其中一個實施例中，所述光纖入射端腔室上設置有流體核芯入口管道；
[0024]所述流體輸入裝置連接所述流體核芯入口管道。
[0025]在其中一個實施例中，所述流體核芯光纖的出射端設置有光纖出射端腔室；
[0026]所述流體核芯光纖的出射端固定在所述光纖出射端腔室中。
[0027]在其中一個實施例中，所述光纖出射端腔室上設置有流體核芯出口管道；
[0028]所述外包層中的流體核芯從所述流體核芯出口管道流出。
[0029]在其中一個實施例中，所述流體輸入裝置連接所述流體核芯出口管道；
[0030]從所述流體核芯出口管道流出的所述流體核芯，通過所述流體輸入裝置能夠再次從所述流體核芯入口管道流入。
[0031]在其中一個實施例中，所述流體核芯光纖的入射端通過卡鎖結構固定在所述光纖入射端腔室中。
[0032]在其中一個實施例中，所述流體核芯光纖的出射端通過卡鎖結構固定在所述光纖出射端腔室中。
[0033]在其中一個實施例中，所述輸出光調制單元包括第二安裝腔室以及第二光學透鏡組件；
[0034]所述第二光學透鏡組件設置在所述第二安裝腔室的內部；
[0035]從所述流體核芯光纖的出射端出射的光束能夠通過所述第二安裝腔室進入所述第二光學透鏡組件。
[0036]在其中一個實施例中，所述光源為激光器。
[0037]在其中一個實施例中，所述流體核芯為純凈水、有機溶液、離子溶液、或惰性氣體。
[0038]相應地,本發(fā)明還提供一種材料加工系統(tǒng)，包括上述任一實施例所述的光能傳輸系統(tǒng)，還包括加工裝置；
[0039]所述加工裝置連接所述光能傳輸系統(tǒng)的輸出光調制單元的光出射端，經所述輸出光調制單元調制后的光束進入所述加工裝置，對工件進行加工。
[0040]在其中一個實施例中，本發(fā)明的材料加工系統(tǒng)還包括可移動平臺；
[0041]所述加工裝置設置在所述可移動平臺上；
[0042]所述可移動平臺和所述加工裝置與所述光能傳輸系統(tǒng)的控制器電連接。
[0043]在其中一個實施例中，所述加工裝置為激光加工頭或激光掃描振鏡。
[0044]相應地，本發(fā)明還提供一種材料加工方法，包括以下步驟:
[0045]S100，控制激光器產生光束；
[0046]S200，利用第一光學透鏡組件對所述激光器產生的光束進行調制，耦合進流體核芯光纖中進行傳輸；所述流體核芯光纖包括具有第一折射率的流體核芯以及包裹在所述流體核芯外側的具有第二折射率的外包層，所述第一折射率大于所述第二折射率；
[0047]S300,在光束從所述流體核芯光纖的出射端射出后,利用第二光學透鏡組件對光束進行調制，使其進入預設的加工裝置，所述加工裝置設置在可移動平臺上；
[0048]S400，調整所述可移動平臺至預設的加工位置處，控制所述加工裝置對工件進行加工。
[0049]其中，在步驟S200中包括以下步驟:
[0050]S210，將從所述流體核芯光纖的出射端流出的所述流體核芯引流至所述流體核芯光纖的入射端，循環(huán)利用。
[0051]本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明的光能傳輸系統(tǒng)通過采用流體核芯光纖，能夠實現(xiàn)高能量密度光能柔性及剛性長距離傳輸，其傳輸效率高，可靠性強。本發(fā)明的材料加工系統(tǒng)及方法，通過采用本發(fā)明的光能傳輸系統(tǒng)結合加工裝置，能實現(xiàn)大功率大幅度智能化柔性激光加工。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0052]為了使本發(fā)明的光能傳輸系統(tǒng)、材料加工系統(tǒng)及方法的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體附圖及具體實施例，對本發(fā)明的光能傳輸系統(tǒng)、材料加工系統(tǒng)及方法進行進一步詳細說明。
[0053]圖1為本發(fā)明的光能傳輸系統(tǒng)的一個實施例的結構示意圖；
[0054]圖2為圖1所示的本發(fā)明的光能傳輸系統(tǒng)的基本光路仿真圖；
[0055]圖3為圖1中所示的流體核芯光纖的一個實施例的結構示意圖；
[0056]圖4為圖1中所示的入射稱合單元的一個實施例的結構示意圖,其中還示出了圖1中所示的流體核芯光纖的入射端的光纖入射端腔體結構；
[0057]圖5為圖1中所示的流體核芯光纖的出射端的光纖出射端腔體結構；
[0058]圖6為圖4和圖5中所示的卡鎖結構對流體核芯光纖進行固定的截面示意圖；
[0059]圖7為本發(fā)明的材料加工系統(tǒng)的一個實施例的結構示意圖；
[0060]圖8為圖7中所示的加工裝置為激光加工頭的一個實施例的結構示意圖；
[0061]圖9為圖7中所示的加工裝置為激光掃描振鏡的一個實施例的結構示意圖。

【具體實施方式】
[0062]下面將結合實施例來詳細說明本發(fā)明。需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。
[0063]傳統(tǒng)的實心固核光纖由低折射率的包層包覆高折射率的固態(tài)核芯組成，滿足內部全反射條件。但是固核光纖用于傳輸高峰值光能時，其固態(tài)核芯本身不可避免存在的缺陷使其有著一定的散射吸收損耗。固態(tài)核芯中的缺陷會進一步吸收入射的光能，形成局部熱中心，當峰值能量或平均能量高于該固態(tài)核芯的破壞閾值時，固核光纖將產生變形或熔斷等損傷。不管是機械損傷還是熱損傷，都破壞了固核光纖內界面全反射的條件，導致傳輸效率下降，甚至器件失效。所以，傳統(tǒng)的基于固核光纖的光能傳輸系統(tǒng)難以可靠實現(xiàn)高能量密度或大功率光能的遠距離傳輸。
[0064]而激光在水中，例如532nm激光的有效的作用距離能達到20米以上。激光在純凈的水中，傳輸?shù)哪芰繌姸葮O限很高，比如，對532nm的激光對水的破壞閾值大于6000MW/cm2，遠高于一般的固核光纖，其破壞閾值一般低于1000MW/cm2，加上流動的水的冷卻性能，能傳輸大功率的激光。
[0065]基于此，本發(fā)明提供了一種基于流體核芯光纖傳導高能量密度光能的光能傳輸系統(tǒng)，其傳輸效率高、適用光譜范圍寬、高能量耦合更加安全可靠，既實現(xiàn)了高能量密度光能的遠距離傳輸，又能進一步實現(xiàn)智能化的三維柔性激光加工或光學照明。
[0066]參見圖1，本發(fā)明一實施例提供的光能傳輸系統(tǒng)，包括依次設置的光源100、入射耦合單元200、流體核芯光纖300以及輸出光調制單元400，光源100發(fā)出的光束依次通過入射耦合單元200、流體核芯光纖300、以及輸出光調制單元400進行傳輸。
[0067]其中，光源100可以是可見光源、紫外光源等任意光源，能夠產生高能量密度的光能。本發(fā)明實施中的光源100優(yōu)選為大功率激光器，其可以產生連續(xù)激光或脈沖激光，用于材料加工。
[0068]入射耦合單元200和輸出光調制單元400均可以由光學透鏡系統(tǒng)實現(xiàn)，主要用于調節(jié)或控制光源100發(fā)出的光束的傳播光路。
[0069]其中，入射耦合單元200用于對光源100發(fā)出的光束進行調制，包括但不限于聚焦。光源100發(fā)出的光束經入射耦合單元200調制后進入流體核芯光纖300中傳輸。輸出光調制單元400用于對從流體核芯光纖300中出射的光束進行調制，準直、聚焦等，使其滿足設定的加工作業(yè)要求，其光路如圖2所示。從流體核芯光纖300中出射的擴束光束經輸出光調制單元400準直、聚焦后可以直接作用于工件上，也可以進一步通過噴嘴式加工頭或激光掃描振鏡等光學加工結構對工件進行加工。
[0070]參見圖3，流體核芯光纖300至少包括具有第一折射率的流體核芯310以及包裹在流體核芯310外側的具有第二折射率的外包層320，第一折射率大于第二折射率，以滿足內全反射條件。流體核芯310能夠在外包層320中流動。
[0071]其中，流體核芯310可以采用任意液體或氣體，尤其是采用高純度液體或氣體，比如純凈水、去離子水、有機溶液、離子溶液、高純度空氣或惰性氣體等，能夠提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。外包層320可以為剛性材質，也可以為柔性材質，例如高分子材料等。其外部還可以設置一層或多層的保護層，其可以在保護層的保護下以一定的彎曲半徑彎曲而不破壞內部光纖的全反射效應，從而實現(xiàn)高密度光能的柔性長距離傳輸
[0072]例如，流體核芯光纖300可以呈一種中空管狀結構，其中心具有高折射率的流體核芯310為液體，例如水，折射率為1.33。管壁相當于外包層320，材料為低于水的折射率的材料，如TEFLON(聚四氟乙烯)，折射率為1.29。這樣的結構，光線以低于內部全反射角的角度入射，則發(fā)生全反射，可以低損耗長距離傳輸光能。
[0073]流體核芯光纖300也可以呈另一種中空管狀結構，其中心的流體核芯310為液體或氣體，例如水或空氣，折射率為1.33或1.0 ;管壁(相當于外包層320)材料為固體，如石英或其他光纖材料，具有一定柔性，具備光纖效應的結構，固體管壁的內壁材料光折射率大于管壁外圍材料的光折射率。這樣的結構，光線以低于內部全反射角的角度入射管壁內側時，一部分光在固體管壁內全反射，另一部分光在管壁中的流體核芯310內傳輸。對于高能量密度傳輸?shù)墓饽埽鼙谥械牧黧w核芯310可以產生強冷卻效應，還可以承擔部分激光傳輸任務。
[0074]流體核芯光纖300還可以呈另一種中空管狀結構，中心的流體核芯310為水或空氣，管壁材料為有一定柔性的固體，如石英或其他光學材料，管壁本身具有單一折射率，其折射率可以大于中心的流體核芯310的折射率，同時其內外壁均具有光學光滑表面；該管管壁與環(huán)繞周邊的流體，包括空氣或水，構成光纖效應，因為絕大多數(shù)光學固體的折射率大于水的折射率，更大于空氣的折射率。這樣的結構，光線以低于內部全反射角的角度入射管壁時，光線在管壁外表面內全反射，一部分光在管壁中的流體核芯310內傳輸。對于高能量密度傳輸，管壁中的流體核芯310可以產生強冷卻效應，還可以承擔部分激光傳輸任務。
[0075]上述流體核芯光纖300可以針對不同的工作環(huán)境和要求，根據(jù)不同的應用領域和目的，選擇滿足使用波長范圍相應透射要求的材料和結構，并根據(jù)實際需要選擇合適的尺寸。
[0076]上述列舉的流體核芯光纖300的核芯均是流體。流體在一定壓力下以適當速度流動，一方面加強散熱冷卻，擴展材料的固有傳光極限；另一方面可以拓展流體自身耐受高能量密度光能的極限。靜止不動的水承受強激光輻射時，水中雜質容易形成局部熱源，對激光傳輸形成散射甚至阻隔破壞；流動的水則及時清除微氣泡，保持傳輸通道的流體性能一致性，降低性能漂移。
[0077]常規(guī)的光纖稱合為了保持光的質量，一般光纖傳光的芯部直徑很小，一般在300微米以內，有時為了保持激光的模態(tài)，芯部直徑更小至10微米以內。這樣小的空間內傳輸高能量對定位和材料提出了很大挑戰(zhàn)，限制了高的平均功率。單模和多模激光光纖的可靠傳輸功率一般相差數(shù)倍甚至十倍以上。比如，目前固體實芯單模CW光纖激光器光纖可以安全傳輸IKW功率，多模態(tài)則早已突破1KW甚至50-100KW量級。更進一步地提高傳輸極限，并不能一味地擴大光能有效傳輸直徑(光纖的高折射率材料部分的直徑)，仿真表明，光纖的核芯部增大后，后續(xù)的聚焦性能下降。因此，本發(fā)明采用流體核芯光纖，有助于通過盡可能小的直徑獲取盡可能高的傳輸極限，有利于獲取更好的聚焦特性。
[0078]此外，對某些特定波長的激光來說，流體的破壞閾值遠遠高于固體的破壞閾值。比如，對532納米激光而言，純凈水的激光破壞閾值在6GW/cm2 (1GW = 19W)左右，空氣的破壞閾值則在10GW/cm2以上，而石英等材料的破壞閾值很難突破lGW/cm2，原因是固體的微觀缺陷幾率遠遠高于密度低得多的流體。本發(fā)明中用流體承擔傳統(tǒng)光纖系統(tǒng)中固體材料的傳光負擔，用流體核芯和外包層的組合保障全反射傳輸條件，大大擴展了系統(tǒng)總體的傳遞光能密度的極限。
[0079]因此，本發(fā)明實施例提供的光能傳輸系統(tǒng)，通過采用入射耦合單元、流體核芯光纖以及輸出光調制單元依次傳輸光束，在實現(xiàn)高能量密度光能的可靠、高效率傳輸?shù)耐瑫r，也為后續(xù)實現(xiàn)高的聚焦性能保留了優(yōu)化裕度。
[0080]本發(fā)明實施例提供的光能傳輸系統(tǒng)可以被用于高能激光或其他光源光能的傳輸，可以實現(xiàn)直線型傳輸，也可以實現(xiàn)柔性傳輸，可以是100毫米以內的短距離傳輸，也可以是I米以上量級的長距離傳輸。
[0081]在上述實施例的基礎上，如圖1所示，本發(fā)明另一實施例提供的光能傳輸系統(tǒng)還包括流體輸入裝置500。該流體輸入裝置500連接流體核芯光纖300，用于向外包層320中輸入流體核芯310。流體輸入裝置500可以為與外界氣體或液體連通的管道組件，能夠嚴格控制輸入的流體核芯310的流量及相關參數(shù)。流體核芯310可以從流體核芯光纖300的入射端流入，進而從流體核芯光纖300的出射端流出，可以回收，循環(huán)使用。
[0082]進一步地，繼續(xù)參見圖1，本發(fā)明實施例提供的光能傳輸系統(tǒng)還包括控制器600，以實現(xiàn)智能化控制。控制器600分別與光源100和流體輸入裝置500電連接，能夠根據(jù)預設程序控制光源的開關以及流體輸入裝置500的開關和流量。
[0083]考慮到流體核芯光纖300傳輸?shù)墓饽軓姸容^高,所以本發(fā)明另一實施例提供的光能傳輸系統(tǒng)還包括冷卻裝置700，如圖1所示，該冷卻裝置700可以安裝在流體核芯光纖300的外側，采用氣冷或水冷等方式帶走熱量，對流體核芯光纖300進行冷卻降溫。冷卻裝置700的設置避免了流體核芯光纖300過熱，確保光能傳輸?shù)姆€(wěn)定性。
[0084]具體地，參見圖4，作為一種可實施方式，上述入射耦合單元200包括第一安裝腔室210以及設置在第一安裝腔室210內部的第一光學透鏡組件220。第一安裝腔室210可以與光源100連接，光源100發(fā)出的光束通過第一安裝腔室中的第一光學透鏡組件220調制后，進入流體核芯光纖300的入射端。
[0085]相應的，流體核芯光纖300的入射端設置有光纖入射端腔室330,流體核芯光纖300的入射端固定在光纖入射端腔室330中。如圖4所示，光纖入射端腔室330連接第一安裝腔室210，光源100發(fā)出的光束通過第一安裝腔室210中的第一光學透鏡組件220調制后，從光纖入射端腔室330進入流體核芯光纖300的入射端。
[0086]光纖入射端腔室330上設置有流體核芯入口管道331，流體輸入裝置500與該流體核芯入口管道331連接，通過該流體核芯入口管道331將流體核芯310輸入光纖入射端腔室330，到達外包層320中。
[0087]繼續(xù)參見圖4，第一安裝腔室210與光源100和光纖入射端腔室330密封連接，主要用于將第一光學透鏡組件220緊固在光源100的光束出射端。第一光學透鏡組件220用于對輸入的光束進行調制，如聚焦，使焦斑對準流體核芯光纖300的芯徑，耦合入流體核芯光纖300光纖中。第一光學透鏡組件220通過螺栓或其他方式固定在第一安裝腔室210中，其可以有一個或多個不同種類的光學透鏡組成。第一安裝腔室210與光纖入射端腔室330之間、光纖入射端腔室330與流體核芯光纖300的入射端之間均可以通過卡鎖結構010進行固定，卡鎖結構010 (如圖6所示)可直接插入對準，實現(xiàn)自鎖式自準型安裝，保證了流體核芯光纖300與入射耦合單元200之間較高的重復定位精度。
[0088]參見圖5，上述流體核芯光纖300的出射端設置有光纖出射端腔室340，流體核芯光纖300的出射端固定在光纖出射端腔室340中。流體核芯光纖300與光纖出射端腔室340的連接處可以采用密封材料進行密封。同理，可以采用上述卡鎖結構010(參見圖6)或其他固定裝置將流體核芯光纖300的出射端固定在光纖出射端腔室340中，以保證光纖出射端可靠定位。
[0089]該光纖出射端腔室340上設置有流體核芯出口管道341，流體核芯光纖300中的流體核芯310從流體核芯出口管道341流出。流體核芯出口管道341可以與流體輸入裝置500連接，這樣流體輸入裝置500、流體核芯入口管道331、流體核芯光纖300、以及流體核芯出口管道341形成一個循環(huán)回路，從流體核芯出口管道341流出的流體核芯310冷卻后，再次通過流體輸入裝置500輸入流體核芯光纖300中進行循環(huán)利用。
[0090]本發(fā)明一實施例中的輸出光調制單元400包括第二安裝腔室410以及設置在第二安裝腔室410內部的第二光學透鏡組件420 (如圖8或圖9所示)。第二安裝腔室410可以連接光纖出射端腔室340，從流體核芯光纖300的出射端出射的光束能夠通過光纖出射端腔室340進入第二安裝腔室410，耦合進第二光學透鏡組件。
[0091]例如，激光從流體核芯光纖300出射后擴散到一定距離，進入輸出光調制單元400。該輸出光調制單元400對大光斑整形，以利于獲得最佳聚焦特性和加工特性為目標，然后通過聚焦透鏡進對擴束光線進行聚焦，聚焦后的光束若達到加工作業(yè)要求即可對材料或工件進行加工。
[0092]本發(fā)明實施例提供的光能傳輸系統(tǒng)既能夠高速率、低損耗、穩(wěn)定地實現(xiàn)高能量密度光能的長距離柔性及剛性傳輸，同時可以方便地與加工裝置高精度耦合，進一步實現(xiàn)多種模式的智能化三維柔性激光加工。
[0093]參見圖7，本發(fā)明實施例還提供一種材料加工的系統(tǒng)，包括上述任一實施例所述的光能傳輸系統(tǒng)，還包括加工裝置800，加工裝置800連接光能傳輸系統(tǒng)的輸出光調制單元400的光出射端，經輸出光調制單元400調制后的光束通過加工裝置800對工件進行加工。
[0094]在此基礎上，本發(fā)明的材料加工系統(tǒng)還可以包括可移動平臺900。加工裝置800設置在可移動平臺900上，加工裝置800和可移動平臺900上也可以連接控制器600，實現(xiàn)智能化加工控制。
[0095]加工裝置800可以為激光加工頭810 (如圖8所示)，也可以為激光掃描振鏡820 (如圖9所示)或其他光學加工機構?？梢苿悠脚_900可以為機械手臂等可移動裝置，能夠將光束出射端結構深入液體介質、狹窄空間以及工件結構內部，加工裝置800利用光能與工件材料進行相互作用。
[0096]加工裝置800和可移動平臺900與光能傳輸系統(tǒng)的控制器600連接，可以實時將加工過程反饋至控制器600，該控制器600接收加工目標及加工過程中的反饋，對各單元參數(shù)進行控制，即可實現(xiàn)長距離智能化三維柔性加工。
[0097]參見圖8，經輸出光調制單元400調制后的光能通過激光加工頭810作用于加工工件上。這里的激光加工頭810可以匯聚激光以用于高能量密度需求的激光切割、鉆孔、焊接、沖擊強化、清洗等一系列工藝中，也可以適當擴散調制，用于輻射、熱處理等大面積、均勻光場應用場合。
[0098]利用激光加工頭810聚焦的激光束可以深入材料結構內部直接加工材料，實現(xiàn)無深度限制的激光加工。其也可以結合水射流加工結構，或氣包水多相水射流加工結構等，利用水-空氣界面形成光導結構，全反射傳輸形成光纖效應，進行“濕”加工?！皾瘛奔庸ぶ?，水流能帶走熔融的殘渣，清潔加工表面，幾乎無毛刺，能吸收產生的顆粒，氣體等，無需高壓輔助氣體裝置。而且水流有冷卻效果，幾乎無熱應力影響。這樣一來，避免了在空氣或真空中進行激光加工時，目標殘渣的再沉積及吸附，無需進行后處理。
[0099]參見圖9，利用激光掃描振鏡820對經輸出光調制單元400調制后的光能進行進一步調制，出射光與加工材料進行相互作用，能對加工材料進行高速高效率加工。
[0100]相應地，基于同一發(fā)明構思，本發(fā)明實施例還提供一種材料加工方法，包括以下步驟:
[0101]S100，控制激光器產生光束；
[0102]S200，利用輸入耦合單元對激光器產生的光束進行調制，耦合進流體核芯光纖中進行傳輸；流體核芯光纖包括具有第一折射率的流體核芯以及包裹在流體核芯外側的具有第二折射率的外包層，第一折射率大于第二折射率；
[0103]S300，在光束從流體核芯光纖的出射端射出后，利用輸出光調制單元對光束進行調制，使其進入預設的加工裝置，加工裝置設置在可移動平臺上；
[0104]S400，調整可移動平臺至預設的加工位置處，控制加工裝置對工件進行加工。
[0105]較佳地，在步驟S200中包括以下步驟:
[0106]S210，將從流體核芯光纖的出射端流出的流體核芯引流至流體核芯光纖的入射端，循環(huán)利用。
[0107]本發(fā)明實施例提供的材料加工系統(tǒng)及方法，利用由光學透鏡組件等組成的輸入耦合單元和對激光束進行聚焦后，使激光束的焦斑對準流體核芯光纖的核芯，進入流體核芯光纖中傳輸；再利用由光學透鏡組件等組成的輸出光調制單元與加工裝置配合，對流體核芯光纖傳輸?shù)墓馐M行調制，應用于材料加工，具有很高的系統(tǒng)重復定位精度，加工效率高、性能穩(wěn)定、應用廣泛。
[0108]本發(fā)明實施例提供的光能傳輸系統(tǒng)、材料加工系統(tǒng)及方法，能進行超大功率連續(xù)波激光(高達10000瓦數(shù)量級激光器)或高平均功率脈沖激光(能量高達數(shù)百瓦數(shù)量級的納秒、皮秒、飛秒激光器)的遠距離柔性及剛性傳輸，同時，能實現(xiàn)大功率大幅度智能化柔性激光加工。
[0109]以上實施例僅表達了本發(fā)明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對本發(fā)明專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。因此，本發(fā)明專利的保護范圍應以所附權利要求為準。
【權利要求】
1.一種光能傳輸系統(tǒng)，其特征在于，包括依次設置的光源、入射耦合單元、流體核芯光纖以及輸出光調制單元； 所述光源發(fā)出的光束沿著所述入射耦合單元、所述流體核芯光纖以及所述輸出光調制單兀依次傳輸； 所述流體核芯光纖包括具有第一折射率的流體核芯以及包裹在所述流體核芯外側的具有第二折射率的外包層，所述第一折射率大于所述第二折射率。
2.根據(jù)權利要求1所述的光能傳輸系統(tǒng)，其特征在于，還包括流體輸入裝置； 所述流體輸入裝置連接所述流體核芯光纖，用于向所述外包層中輸入所述流體核芯。
3.根據(jù)權利要求2所述的光能傳輸系統(tǒng)，其特征在于，還包括控制器； 所述控制器分別與所述光源和所述流體輸入裝置電連接。
4.根據(jù)權利要求1所述的光能傳輸系統(tǒng)，其特征在于，還包括冷卻裝置； 所述冷卻裝置設置在所述流體核芯光纖的外側，用于對所述流體核芯光纖進行冷卻降溫。
5.根據(jù)權利要求1所述的光能傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述外包層為柔性材質。
6.根據(jù)權利要求1至5任一項所述的光能傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述入射耦合單元包括第一安裝腔室以及第一光學透鏡組件； 所述第一光學透鏡組件設置在所述第一安裝腔室內部； 所述光源發(fā)出的光束通過所述第一安裝腔室中的所述第一光學透鏡組件調制后，進入所述流體核芯光纖的入射端。
7.根據(jù)權利要求2或3所述的光能傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述流體核芯光纖的入射端設置有光纖入射端腔室； 所述流體核芯光纖的入射端固定在所述光纖入射端腔室中。
8.根據(jù)權利要求7所述的光能傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述光纖入射端腔室上設置有流體核芯入口管道； 所述流體輸入裝置連接所述流體核芯入口管道。
9.根據(jù)權利要求8所述的光能傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述流體核芯光纖的出射端設置有光纖出射端腔室； 所述流體核芯光纖的出射端固定在所述光纖出射端腔室中。
10.根據(jù)權利要求9所述的光能傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述光纖出射端腔室上設置有流體核芯出口管道； 所述外包層中的流體核芯從所述流體核芯出口管道流出。
11.根據(jù)權利要求10所述的光能傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述流體輸入裝置連接所述流體核芯出口管道； 從所述流體核芯出口管道流出的所述流體核芯，通過所述流體輸入裝置能夠再次從所述流體核芯入口管道流入。
12.根據(jù)權利要求7所述的光能傳輸系統(tǒng),其特征在于， 所述流體核芯光纖的入射端通過卡鎖結構固定在所述光纖入射端腔室中。
13.根據(jù)權利要求9所述的光能傳輸系統(tǒng),其特征在于， 所述流體核芯光纖的出射端通過卡鎖結構固定在所述光纖出射端腔室中。
14.根據(jù)權利要求1至5任一項所述的光能傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述輸出光調制單元包括第二安裝腔室以及第二光學透鏡組件； 所述第二光學透鏡組件設置在所述第二安裝腔室的內部； 從所述流體核芯光纖的出射端出射的光束能夠通過所述第二安裝腔室進入所述第二光學透鏡組件。
15.根據(jù)權利要求1至5任一項所述的光能傳輸系統(tǒng),其特征在于，所述光源為激光器。
16.根據(jù)權利要求1至5任一項所述的光能傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述流體核芯為純凈水、有機溶液、離子溶液、或惰性氣體。
17.—種材料加工系統(tǒng),其特征在于,包括上述權利要求1至16任一項所述的光能傳輸系統(tǒng)，還包括加工裝置； 所述加工裝置連接所述光能傳輸系統(tǒng)的輸出光調制單元的光出射端，經所述輸出光調制單元調制后的光束進入所述加工裝置，對工件進行加工。
18.根據(jù)權利要求17所述的材料加工系統(tǒng)，其特征在于，還包括可移動平臺； 所述加工裝置設置在所述可移動平臺上； 所述可移動平臺和所述加工裝置與所述光能傳輸系統(tǒng)的控制器電連接。
19.根據(jù)權利要求17或18所述的材料加工系統(tǒng)，其特征在于，所述加工裝置為激光加工頭或激光掃描振鏡。
20.一種材料加工方法，其特征在于，包括以下步驟: S100，控制激光器產生光束； S200,利用第一光學透鏡組件對所述激光器產生的光束進行調制，耦合進流體核芯光纖中進行傳輸；所述流體核芯光纖包括具有第一折射率的流體核芯以及包裹在所述流體核芯外側的具有第二折射率的外包層，所述第一折射率大于所述第二折射率； S300，在光束從所述流體核芯光纖的出射端射出后，利用第二光學透鏡組件對光束進行調制，使其進入預設的加工裝置，所述加工裝置設置在可移動平臺上； S400，調整所述可移動平臺至預設的加工位置處，控制所述加工裝置對工件進行加工。
21.根據(jù)權利要求20所述的材料加工方法，其特征在于，在步驟S200中包括以下步驟: S210，將從所述流體核芯光纖的出射端流出的所述流體核芯引流至所述流體核芯光纖的入射端，循環(huán)利用。
【文檔編號】G02B6/032GK104345412SQ201410591297
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2014年10月28日 優(yōu)先權日:2014年10月28日
【發(fā)明者】張文武, 楊旸, 張?zhí)鞚? 申請人:中國科學院寧波材料技術與工程研究所