專利名稱：脈沖振蕩型固體激光器裝置和激光加工裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種有利于解決加工中不穩(wěn)定性問(wèn)題的脈沖振蕩型固體激光器裝置和一種不會(huì)由于激光輸出的漲落而產(chǎn)生加工缺陷的激光加工裝置。
背景技術(shù)：
在激光二極管(以下稱作LD)激勵(lì)的其輸出和亮度得到很大提高的固體激光器裝置方面新近取得的進(jìn)步使得激光器裝置可以以高速度和高精度地進(jìn)行精密的焊接加工或精細(xì)的切割加工，而這對(duì)于常規(guī)的加工裝置是不可能辦到的。另外還可以將該激光器裝置用于電氣/電子元件的點(diǎn)焊或縫焊，或是應(yīng)用到表面標(biāo)記或刻劃加工，或是金屬、半導(dǎo)體或陶瓷的鉆孔或切割加工。
做為常規(guī)固體激光器裝置的一個(gè)代表性實(shí)例，圖9展示了一種固體激光器裝置的配置，其主要包括LD激勵(lì)的脈沖式Nd:YAG激光器裝置的主體，其中激光器激勵(lì)介質(zhì)是一個(gè)棒狀Nd:YAG晶體，平均輸出在300W量級(jí)。
棒直徑為5mm、長(zhǎng)度為116mm的Nd:YAG晶體1由LD激勵(lì)裝置2輻射出的LD光3激勵(lì)，而其中的LD激勵(lì)裝置2配備有60條平均光輸出為20W/條、以808nm為中心波長(zhǎng)振蕩的LD，從Nd:YAG晶體1輻射出的1.06μm的光在全反射鏡5和輸出耦合反射鏡6之間被選擇放大，從而成為Nd:YAG激光7并再?gòu)妮敵鲴詈戏瓷溏R6輻射，其中輸出耦合反射鏡6的反射系數(shù)為70％，反射鏡5、6構(gòu)成一個(gè)諧振腔長(zhǎng)度為400mm的激光諧振腔4。另外，由直流穩(wěn)壓電源8對(duì)LD激勵(lì)裝置2提供電力，并且直接或通過(guò)由純凈水冷卻系統(tǒng)9提供的純凈水控制Nd:YAG晶體1和LD激勵(lì)裝置2的溫度以保持其周圍部分的溫度恒定，以便維持Nd:YAG激光器的輸出穩(wěn)定。
另外，NdYAG激光7的一部分通過(guò)分束器10成為用于監(jiān)視的激光11并穿過(guò)功率衰減器12再進(jìn)入高速功率傳感器13。其它的激光7由入射會(huì)聚光學(xué)系統(tǒng)14會(huì)聚，從而滿足用于傳輸?shù)睦w芯直徑為0.3mm、長(zhǎng)度為10m的光纖的傳輸條件。從傳輸光纖15發(fā)出的激光由輻射會(huì)聚光學(xué)系統(tǒng)18形成或聚焦，以致于在光束形狀上適于放置在CNC臺(tái)16上的待加工物體17并再進(jìn)行所需的激光加工。
在此配置中使激光7成為反饋控制來(lái)自直流穩(wěn)壓電源8的LD激勵(lì)裝置2的導(dǎo)通電流，從而使高速功率傳感器13監(jiān)視的激光輸出值與指令的激光輸出值一致。
但是，把PIN型Si光電二極管用作監(jiān)視用的激光束的高速功率傳感器的常規(guī)配置有下列缺點(diǎn)。
(1)因?yàn)閷?duì)于功率傳感器可接受的輸入光水平是毫瓦(mW)水平，所以需要利用高精度功率劃分裝置與高衰減裝置結(jié)合，將實(shí)際的Nd:YAG激光衰減到大約千分之一百的程度。但是，用作高精度功率劃分裝置和高衰減裝置的光學(xué)元件的功率劃分率和功率衰減率由于濕度變化或粘結(jié)到該光學(xué)元件的塵埃而易于改變其特性，這使得很難由監(jiān)視用的激光輸出精確地預(yù)測(cè)實(shí)際的Nd:YAG激光輸出。
(2)因?yàn)樘綔y(cè)高速功率傳感器的靈敏度的溫度依賴性很大，如0.2～1.0％/℃，所以探測(cè)靈敏度容易由于環(huán)境溫度的變化而改變。因而很難以穩(wěn)定的方式由監(jiān)視用的測(cè)得的激光輸出對(duì)放置在周圍溫度不恒定的環(huán)境中的激光裝置主體精確地預(yù)測(cè)實(shí)際Nd:YAG激光輸出。
這樣的結(jié)果是由于高功率傳感器的上述問(wèn)題，Nd:YAG激光器裝置不能獲得穩(wěn)定的絕對(duì)精度不大于2％的Nd:YAG激光輸出，其中Nd:YAG激光器裝置由高速功率傳感器測(cè)得的用于監(jiān)視的激光輸出值控制成一個(gè)反饋信號(hào)。繼而出現(xiàn)一個(gè)問(wèn)題，即對(duì)于利用上述配置的激光器裝置主體的激光加工，加工缺陷如精度缺陷或強(qiáng)度缺陷是不可避免的。
另外，對(duì)于利用此類脈沖振蕩型固體激光器裝置的激光加工，希望避免由于激光輸出的漲落所致的加工缺陷。下面就是熟知的此類激光加工裝置。
做為一個(gè)常規(guī)的實(shí)例，

圖10展示了LD激勵(lì)的脈沖式Nd:YAG激光加工裝置的配置，其主要目的是進(jìn)行激光焊接加工，其中的激光器激活介質(zhì)是棒式Nd:YAG晶體101，平均輸出在300W量級(jí)。
棒直徑為5mm、長(zhǎng)度為116mm的Nd:YAG晶體101由LD激勵(lì)裝置102輻射的LD光束103激勵(lì)，其中LD激勵(lì)裝置102配置有60條20W/條的LD，LD以808nm為中心波長(zhǎng)振蕩，從Nd:YAG晶體101輻射的1.06μm的光束在全反射鏡105和輸出耦合反射鏡106之間被選擇放大，從而成為NdYAG激光107并再?gòu)妮敵鲴詈戏瓷溏R106輻射出去，其中輸出耦合反射鏡106的反射系數(shù)為70％，反射鏡105、106構(gòu)成諧振腔長(zhǎng)度為400mm的激光諧振腔104。另外，對(duì)Nd:YAG晶體101和LD激勵(lì)裝置102直接或通過(guò)純凈水冷卻系統(tǒng)109提供的純凈水進(jìn)行溫度控制，以保持其周圍部分的溫度恒定，從而維持穩(wěn)定的Nd:YAG激光輸出。
Nd:YAG激光107的一部分從分束器109反射，取做監(jiān)視光110并進(jìn)入熱電轉(zhuǎn)換型的監(jiān)視光輸出測(cè)量?jī)x111，從而測(cè)量輸出，并且穿過(guò)分束器109的其它Nd:YAG激光107進(jìn)入光閥打開(kāi)的入射光會(huì)聚系統(tǒng)113，并會(huì)聚到傳輸光纖114以被傳輸，其中光纖114的纖芯直徑為0.3mm，長(zhǎng)度為10m。在光閥112關(guān)閉的情形中Nd:YAG激光107進(jìn)入熱電轉(zhuǎn)換型激光輸出測(cè)量?jī)x115以測(cè)量輸出。
通過(guò)利用指令穩(wěn)壓電源116控制LD電流來(lái)進(jìn)行Nd:YAG激光輸出的開(kāi)/關(guān)切換控制，并且由激光輻射到外部之前獲得的激光輸出特性決定的LD電流一般對(duì)應(yīng)于理想的激光輸出。另外，通過(guò)比較監(jiān)視光110的輸出值與監(jiān)視光110的規(guī)定值來(lái)進(jìn)行Nd:YAG激光107的輸出監(jiān)視。
由輻射會(huì)聚光學(xué)系統(tǒng)119將光纖114輻射的激光形成或聚焦成適于加工放置在CNC臺(tái)117上的待加工物體118的光束形狀，并再進(jìn)行理想的激光加工。
因?yàn)榕鋫涑Ｒ?guī)配置的加工裝置的熱電轉(zhuǎn)換型監(jiān)視光輸出測(cè)量?jī)x111的響應(yīng)速度較慢，如0.1～3s，所以通常要花與探測(cè)誤差的響應(yīng)速度相同的時(shí)間，即使可以高精度地進(jìn)行測(cè)量也是如此。在不超過(guò)時(shí)間常數(shù)或脈沖振蕩操作期間停止激光振蕩操作的情況下，其中脈沖振蕩操作中的脈沖重復(fù)頻率不大于100Hz，不能以足夠高的精度測(cè)量平均激光輸出，如圖11所示。繼而在短脈沖振蕩操作周期中或在不超過(guò)上述頻率的低頻脈沖振蕩操作中不能監(jiān)視輻射的激光輸出，盡管測(cè)量到監(jiān)視光束的輸出。
結(jié)果是當(dāng)激光輸出由于構(gòu)成激光諧振腔104的全反射鏡105和輸出耦合反射鏡106因粘結(jié)到其上的塵?；蛭畚镌斐傻膿p壞而急劇下降時(shí)，出現(xiàn)這樣的問(wèn)題，如因?yàn)檎`差狀態(tài)如輸出下降的檢測(cè)被延遲或不能檢測(cè)，在沒(méi)有正常激光加工的情況下繼續(xù)加工。
發(fā)明概述本申請(qǐng)的發(fā)明提供了一種脈沖振蕩型LD激勵(lì)的固體激光器裝置，解決了由激光輸出不穩(wěn)定導(dǎo)致的加工不穩(wěn)定的問(wèn)題。
為了解決上述問(wèn)題，本申請(qǐng)的發(fā)明提供了一項(xiàng)可以改變LD電流的閉路控制系統(tǒng)的技術(shù)，其中監(jiān)視器的激光輸出是對(duì)開(kāi)路控制系統(tǒng)的反饋信號(hào)，其中對(duì)應(yīng)于激光輸出值的LD電流值以簡(jiǎn)單的方式導(dǎo)出。
基本的情況是，在激光束從激光裝置主體中輻射出來(lái)之前，在激光裝置主體內(nèi)部進(jìn)行激光振蕩操作，并獲得脈沖激光輸出值和脈沖LD電流值之間的精確相關(guān)性。在激光束輻射到激光器裝置之外的情形中，根據(jù)獲得的脈沖激光輸出值和脈沖LD電流值之間的關(guān)聯(lián)性導(dǎo)出對(duì)應(yīng)于理想脈沖激光輸出值的脈沖LD電流值。
根據(jù)本配置，因?yàn)榭梢灾贫ㄒ粋€(gè)導(dǎo)出脈沖LD電流值以獲得理想的脈沖激光輸出值的方案，所以可以在所有的時(shí)間里獲得穩(wěn)定的激光輸出值。結(jié)果，對(duì)于利用激光裝置主體的激光加工裝置，因?yàn)榧庸と毕荨⑷缇热毕莼蛟醋杂诩す廨敵鲞^(guò)度或不足的強(qiáng)度缺陷減少，加工的生產(chǎn)率提高并且成本降低。另外，可以節(jié)省加工材料資源并降低運(yùn)行成本，由此提供一種更為環(huán)保的激光加工裝置。
另外，本的發(fā)明提供了一種激光加工裝置，其中從脈沖式LD激勵(lì)的固體激光器裝輻射出的脈沖激光束在所有的時(shí)間里受到監(jiān)視，當(dāng)探測(cè)到錯(cuò)誤輸出值時(shí)激光器裝置暫停，從而不會(huì)產(chǎn)生由于激光輸出的漲落導(dǎo)致的加工缺陷。
為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明采用這種一種配置，其中監(jiān)視光輸出測(cè)量?jī)x可以在所有時(shí)間里測(cè)量監(jiān)視光輸出。例如，測(cè)量?jī)x是一種PIN型Si光電二極管，在固體激光器裝置的振蕩波段內(nèi)具有足夠的探測(cè)靈敏度和幾秒的響應(yīng)速度。
預(yù)先測(cè)量并記錄監(jiān)視器的激光輸出值的正常值，將記錄值設(shè)為比較的標(biāo)準(zhǔn)，并將比較的標(biāo)準(zhǔn)與普通操作時(shí)監(jiān)視光輸出的監(jiān)視周期中測(cè)得的激光輸出值比較。如果測(cè)得的值超過(guò)特定值，則出現(xiàn)了錯(cuò)誤的加工。
因?yàn)樵谠O(shè)置為比較標(biāo)準(zhǔn)的特定監(jiān)視周期中以最大激光輸出值監(jiān)視激光輸出值，所以用于比較的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量減為最小。然后將儲(chǔ)存的存儲(chǔ)量減為最小，并且也加速了比較計(jì)算的處理。
通過(guò)根據(jù)本發(fā)明采用了監(jiān)視光輸出的監(jiān)視技術(shù)，本發(fā)明可以測(cè)量脈沖激光輸出值并探測(cè)毫秒量級(jí)的錯(cuò)誤激光輸出，盡管短期振蕩操作或甚至是脈沖重復(fù)頻率不大于100Hz。
這樣的結(jié)果是，對(duì)于利用激光加工裝置的激光加工，因?yàn)榇蟠鬁p少了加工缺陷如精度缺陷或源自于激光輸出過(guò)度或不足的強(qiáng)度缺陷，所以提高了加工的生產(chǎn)率并降低了加工成本。另外，可以節(jié)省加工材料資源和降低運(yùn)行成本，由此提供了更為環(huán)保的激光加工裝置。
附圖簡(jiǎn)述圖1是表示本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的模型簡(jiǎn)圖；圖2是根據(jù)所述實(shí)施例設(shè)置的激光輸出校準(zhǔn)數(shù)據(jù)簡(jiǎn)圖；圖3是根據(jù)所述實(shí)施例的控制裝置功能框圖；圖4是表示控制裝置過(guò)程梗概的流程圖；圖5是表示本發(fā)明另一實(shí)施例的模型簡(jiǎn)圖；圖6是根據(jù)上述實(shí)施例的監(jiān)視激光輸出的簡(jiǎn)圖；
圖7是上述實(shí)施例的功能框圖；圖8是上述實(shí)施例的過(guò)程流程圖；圖9是表示常規(guī)實(shí)例的模型簡(jiǎn)圖；圖10是對(duì)應(yīng)于圖5的常規(guī)實(shí)例簡(jiǎn)圖；圖11是根據(jù)常規(guī)實(shí)例的監(jiān)視光輸出的簡(jiǎn)圖。
實(shí)施本發(fā)明的最佳模式下面將參考附圖所示的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)的描述。
做為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，圖1表示固體激光器裝置的一種配置，該激光器裝置的主要目的是進(jìn)行激光焊接加工，其主要包括LD激勵(lì)的脈沖式Nd:YAG激光器裝置主體A，其中的激光激活介質(zhì)是棒狀Nd:YAG晶體1，平均輸出在300W量級(jí)。
棒直徑為5mm、長(zhǎng)度為116mm的Nd:YAG晶體1由LD激勵(lì)裝置2輻射出的LD光3激勵(lì)，而LD激勵(lì)裝置2配置有60條振蕩中心波長(zhǎng)為808nm的20W/條LD，從Nd:YAG晶體1輻射出的1.06μm的光在全反射鏡5和反射系數(shù)為70％的輸出耦合反射鏡6之間被選擇放大，從而成為Nd:YAG激光7并再?gòu)妮敵鲴詈戏瓷溏R6輻射出去，其中反射鏡5和6構(gòu)成長(zhǎng)度為400nm的諧振腔。另外，由直流穩(wěn)壓電源8對(duì)LD激勵(lì)裝置2提供電力，并且直接或通過(guò)純凈水冷卻系統(tǒng)9提供的純凈水對(duì)Nd:YAG晶體1和LD激勵(lì)裝置2進(jìn)行溫度控制以保持其周圍部分的溫度恒定，以便維持Nd:YAG激光輸出穩(wěn)定。
在輸出耦合反射鏡6和入射光會(huì)聚系統(tǒng)14之間的光束傳輸通道中布置一個(gè)光閘10和激光輸出測(cè)量?jī)x13，并當(dāng)光閘10打開(kāi)時(shí)，Nd:YAG激光7進(jìn)入入射光會(huì)聚系統(tǒng)14并聚焦到傳輸用光纖15中，光纖的纖芯直徑為0.3mm，長(zhǎng)度為10m。形成的由傳輸用光纖15射出的激光被入射光會(huì)聚系統(tǒng)聚焦，從而形成形狀適合于加工防止在CNC臺(tái)16上的帶加工目標(biāo)17的形狀，并再進(jìn)行所需的激光加工。
根據(jù)該配置，以在利用Nd:YAG激光7的激光加工之前對(duì)激光加工實(shí)施精確的激光輸出值為目標(biāo)進(jìn)行激光輸出值的校準(zhǔn)。為此目的，本實(shí)施例的固體激光器裝置設(shè)置有圖3所示的控制裝置20?？刂蒲b置20包括一個(gè)存儲(chǔ)部分21、計(jì)算部分22和一個(gè)輸出部分23，其中存儲(chǔ)部分21儲(chǔ)存先前規(guī)定的矩形脈沖電流值并對(duì)應(yīng)于美工矩形脈沖電流值的脈沖激光輸出值，計(jì)算部分22根據(jù)儲(chǔ)存在存儲(chǔ)部分21中的矩形脈沖電流值和脈沖激光輸出值線性預(yù)測(cè)對(duì)應(yīng)于必需的脈沖激光輸出的脈沖電流值，輸出部分23對(duì)激光二極管輸出由計(jì)算部分22線性預(yù)測(cè)的脈沖電流值。在此實(shí)施例中，通過(guò)計(jì)算部分22提前計(jì)算必需的值，如儲(chǔ)存在存儲(chǔ)部分21中的脈沖激光輸出值。控制裝置20由存儲(chǔ)部分21組成，計(jì)算部分22和輸出部分23可以用普通的微型計(jì)算機(jī)設(shè)置，包括CPU、存儲(chǔ)器和接口，當(dāng)然，控制裝置20也可以由單一用途的機(jī)器建立。
下面將展示利用上述控制裝置20進(jìn)行校準(zhǔn)的過(guò)程。
在此將用于校準(zhǔn)激光輸出的抽樣值設(shè)為5個(gè)，做為調(diào)節(jié)脈沖電流值以給出激光器振蕩閾值的LD電流It設(shè)為25A。(參見(jiàn)圖2)(1)關(guān)閉光閘10并改變光傳輸通道，使得Nd:YAG激光7的所有激光輸出都進(jìn)入熱電轉(zhuǎn)換型激光輸出測(cè)量?jī)x13中。
(2)在脈沖寬度為τ、脈沖重復(fù)頻率為f的條件下以第一抽樣LD電流值I1做為矩形脈沖電流值進(jìn)行激光器振蕩操作，通過(guò)電熱轉(zhuǎn)換型激光輸出測(cè)量?jī)x13測(cè)量平均激光輸出Pa1，再由計(jì)算部分22從下列表達(dá)式(1)中算出脈沖激光輸出值P1將其儲(chǔ)存到存儲(chǔ)部分21。
Pn＝Pan/(τ·f)表達(dá)式(1)當(dāng)τ＝5ms，f＝200Hz以及I1＝30A時(shí)，Pa1＝20W，這導(dǎo)致P1＝20W。另外，Pa1的測(cè)量數(shù)據(jù)是指令LD電流進(jìn)入3秒鐘后的值。
(3)以I2、I2、I4、I5的順序單獨(dú)增大樣品ID的電流值，其中這些電流具有相同的脈寬和相同的脈沖重復(fù)頻率，由計(jì)算部分22計(jì)算每個(gè)樣品LD的電流值中脈沖激光輸出值P2、P3、P4、P5，將其儲(chǔ)存到存儲(chǔ)部分21中，使樣品LD的電流值不超過(guò)LD電流It并暫停激光器振蕩操作。
當(dāng)I2＝50A，I3＝70A，I4＝90A以及I5＝110A時(shí)，P2＝530W，P3＝1260W，P4＝2050W以及P5＝3160W。
另外，每個(gè)激光器平均輸出值Pan(n＝2～5)的每個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)是指令樣品LD電流進(jìn)入3秒鐘之后的值。
(4)以下列線性表達(dá)式預(yù)測(cè)激光二極管導(dǎo)通脈沖電流值Ic，其中根據(jù)每個(gè)樣品LD電流值和脈沖激光輸出值的數(shù)據(jù)獲得高達(dá)測(cè)得的最大脈沖激光輸出值P5的任意脈沖激光輸出值Pp。
在P1＜Pp≤P2的情況下Ic＝((I2-I1)/(P2-P1))·Pp+(P2I1-P1I2)/(P2-P1)表達(dá)式(2)-1在P2＜Pp≤P3的情況下Ic＝((I3-I2)/(P3-P2))·Pp+(P3I2-P2I3)/(P3-P2)表達(dá)式(2)-2在P3＜Pp≤P4的情況下Ic＝((I4-I3)/(P4-P3))·Pp+(P4I3-P3I4)/(P4-P3)表達(dá)式(2)-3在P4＜Pp≤P5的情況下Ic＝((I5-I4)/(P5-P4))·Pp+(P5I4-P4I5)/(P5-P4)表達(dá)式(2)-4在0＜Pp≤P1的情況下Ic＝((I1-It)/P1)·Pp+It 表達(dá)式(3)如果表達(dá)式(2)-1～表達(dá)式(2)-4由通式表示；則在Pn-1＜Pp≤Pn(n≥2)的情況下Ic＝((In-In-1)/(Pn-Pn-1))·Pp+(PnIn-1-Pn-1In)/(Pn-Pn-1)表達(dá)式(2)在校準(zhǔn)脈沖激光輸出值之后，計(jì)算部分22通過(guò)表達(dá)式(2)和(3)計(jì)算對(duì)應(yīng)于所需脈沖激光輸出的激光二極管導(dǎo)通脈沖電流值，并且經(jīng)輸出部分23對(duì)LD輸入電力。上述程序儲(chǔ)存在控制裝置20的存儲(chǔ)部分21中，并且計(jì)算部分22根據(jù)提出的需要運(yùn)行程序并將結(jié)果儲(chǔ)存到存儲(chǔ)部分21中。圖4是一幅流程圖。
結(jié)果，在脈沖激光輸出值的指令值為150W的情況下，導(dǎo)入28.75A的脈沖LD電流，其中實(shí)際脈沖激光輸出值為152W，并以大約1.3％的絕對(duì)精度獲得激光輸出。另外，在脈沖激光輸出值的指令值為2500W的情況下，導(dǎo)入98A的脈沖LD電流，其中實(shí)際脈沖激光輸出值為2485W，并以大約0.6％的絕對(duì)精度獲得激光輸出。
在校準(zhǔn)激光器裝置主體A的脈沖激光輸出值的情況下，為控制裝置20提供一種以新獲得的數(shù)據(jù)更新脈沖激光輸出值的功能，只要在每個(gè)激光二極管導(dǎo)通脈沖電流值中獲得的脈沖激光輸出值與前面的校準(zhǔn)中獲得的同一電流值中的脈沖激光輸出值相比的變化率不超過(guò)規(guī)定的變化率。
另外，在校準(zhǔn)激光器裝置主體A的脈沖激光輸出值的情況下，當(dāng)在每個(gè)激光二極管導(dǎo)通脈沖電流值中獲得的脈沖激光輸出值與前面的校準(zhǔn)中獲得的同一電流值中的脈沖激光輸出值相比的變化率不超過(guò)規(guī)定的變化率時(shí)，為控制裝置20提供一項(xiàng)顯示關(guān)于激光器裝置主體A的誤差的誤差內(nèi)容并停止激光器裝置主體A的校準(zhǔn)的功能，無(wú)需以新獲得的數(shù)據(jù)更新脈沖激光器的輸出值。
以上所述是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，但每個(gè)組件的具體配置不必局限于常數(shù)實(shí)施例，在不脫離本發(fā)明實(shí)質(zhì)的前提下可以有各種改型。
如上所述，因?yàn)榇朔N配置通過(guò)在使用固體激光器裝置之前校準(zhǔn)激光器裝置主體A而解決了由激光輸出的不穩(wěn)定性導(dǎo)致的加工不穩(wěn)定性的問(wèn)題，所以可以將此種配置用于激光加工裝置。
另外，通過(guò)采用下列配置將進(jìn)一步提高激光加工裝置的可靠性。
做為本發(fā)明的另一實(shí)施例，圖5表示激光加工裝置的一種配置，該激光器裝置的主要目的是進(jìn)行激光焊接加工，其主要包括LD激勵(lì)的脈沖式Nd:YAG激光器裝置主體A，其中的激光激活介質(zhì)是棒狀Nd:YAG晶體1，平均輸出在300W量級(jí)。
激光器諧振腔和光束傳輸系統(tǒng)的配置與常規(guī)實(shí)例的相同。常規(guī)實(shí)例與本實(shí)施例的最大不同之處在于監(jiān)視光輸出測(cè)量?jī)x111變?yōu)镻IN型Si光電二極管，監(jiān)視激光110由一個(gè)對(duì)輻射的激光束反射系數(shù)約為1％的分束器109得到。
在對(duì)Nd:YAG激光107的輸出的監(jiān)視中，如果將PIN式S光電二極管用作探測(cè)器，則可以在激光器輻射的所有時(shí)間里檢測(cè)可以從LD激勵(lì)的脈沖式Nd:YAG激光器裝置AA輻射出的脈沖激光輸出。但在圖6所示的激光加工的情形中，因?yàn)橥ǔＪ褂糜梢罁?jù)于待加工部分的激光輸出值組成的脈沖激光進(jìn)行加工，所以必須結(jié)合脈沖激光以監(jiān)視器參考值進(jìn)行全時(shí)監(jiān)視。在這種情況下，在圖6所示的NO.1加工條件下，其中以100Hz的重復(fù)頻率驅(qū)動(dòng)脈寬為0.5ms的脈沖激光，至少需要0.05ms的監(jiān)視器抽樣間隔，并且如果在輻射激光的同時(shí)在整個(gè)2.5s的持續(xù)時(shí)間內(nèi)進(jìn)行監(jiān)視，著大概需要5*104倍的比較計(jì)算處理，這需要包括處理速度很高且大存儲(chǔ)容量的計(jì)算裝置的控制裝置，導(dǎo)致激光裝置的昂貴價(jià)格。
在本發(fā)明的實(shí)施例中，作為抽樣法，可以將監(jiān)視器周期設(shè)置為限定在一個(gè)特定的短周期，并且只將該周期中的最大值設(shè)置為監(jiān)視的目標(biāo)。
在激光器裝置AA的激光輻射部分和作為激光傳輸系統(tǒng)的傳輸光纖114的入射光引導(dǎo)部分之間，把由激光分束的分束器109反射的輻射激光輸出設(shè)置為進(jìn)入到作為測(cè)量?jī)x的監(jiān)視光輸出測(cè)量?jī)x111中的監(jiān)視激光110，由監(jiān)視光輸出測(cè)量?jī)x111直接或經(jīng)散射反射板測(cè)量進(jìn)入到高速光電傳感器中的監(jiān)視激光110的激光輸出值，并且根據(jù)分束器109中輻射激光的反射系數(shù)推測(cè)進(jìn)入到傳輸光纖114中的激光輸出值。
作為圖7中所示激光加工裝置的具體配置，激光加工裝置包括最大值判斷裝置120，在輻射激光的同時(shí)，獲得實(shí)際最大激光輸出值作為在特定的監(jiān)視周期中測(cè)得的激光輸出值的最大值；誤差判斷裝置121，在預(yù)定的特定監(jiān)視周期的一段時(shí)間之后，比較該最大值與作為監(jiān)視水平的特定激光輸出值并判斷該最大值是否處于一個(gè)特定的水平；和故障拍攝裝置122，當(dāng)誤差判斷裝置121判定最大值處于特定范圍之外時(shí)顯示報(bào)警內(nèi)容并同時(shí)停止激光加工裝置的操作。
可以通過(guò)一個(gè)包括CPU、存儲(chǔ)器和接口的普通微計(jì)算機(jī)系統(tǒng)很容易地設(shè)置誤差判斷裝置121和故障拍攝裝置122。
圖8是由CPU運(yùn)行的儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器中的程序的一般性描述的流程圖，圖8表示輻射激光時(shí)的具體監(jiān)視周期。下面將參見(jiàn)圖6和8進(jìn)行描述。監(jiān)視光輸出測(cè)量?jī)x111開(kāi)始抽樣，從而只要輻射激光，就監(jiān)視監(jiān)視光輸出(S1，S2)并在開(kāi)始抽樣的100ms之后停止監(jiān)視(S5)。在100ms內(nèi)獲得最大激光輸出值(S3，S4)，作為在標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間監(jiān)視的代表值。這是因?yàn)樵赟/N值中該最大值最大。步驟S3、S4可以簡(jiǎn)單地用峰值保持電路代替。在上述步驟中把在標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的監(jiān)視激光輸出設(shè)置為監(jiān)視基準(zhǔn)，在與實(shí)際加工相同的條件下操作激光器裝置的同時(shí)獲得基準(zhǔn)最大激光輸出值。另外，作為監(jiān)視基準(zhǔn)范圍，考慮道傳感器靈敏度對(duì)于周圍環(huán)境的變化(一般為0.5％/℃)以及激光加工的允許范圍，把基準(zhǔn)最大激光輸出值的±3％的值設(shè)置為特定激光輸出值的上限和下限。
在實(shí)際加工中，進(jìn)行與上述獲得基準(zhǔn)最大激光輸出值的步驟同樣的步驟(S1～S5)以獲得實(shí)際最大激光輸出值，并在此步驟之外，進(jìn)行比較步驟(S6)，比較實(shí)際最大激光輸出值與監(jiān)視基準(zhǔn)范圍的特定激光輸出值的上限和下限。在實(shí)際最大激光輸出值處于特定激光輸出值的上下限范圍之外的情況下，在一進(jìn)行完故障拍攝過(guò)程、如停止激光器裝置AA和加工裝置的操作(S7)的監(jiān)視周期結(jié)束之后，就在激光加工裝置的指示器上顯示“激光輸出誤差”作為警報(bào)。
在本實(shí)施例的配置中，可以用高精度的簡(jiǎn)單配置監(jiān)視激光輸出，使得在監(jiān)視中總是獲得激光輸出的最大值，并且監(jiān)視周期一結(jié)束就對(duì)監(jiān)視基準(zhǔn)值和最新的最大值進(jìn)行比較。
另外，一出現(xiàn)誤差，就可以停止激光加工裝置的操作，因?yàn)樵谝缘兔}沖頻率的短輸入脈沖進(jìn)行激光加工時(shí)可以監(jiān)視誤差激光輸出，而這種低脈沖頻率是不可能用于在常規(guī)技術(shù)中的。
每個(gè)部分的具體配置不限于上述實(shí)施例。
例如，在其它配置中，監(jiān)視激光輸出的監(jiān)視周期是激光輻射之后100ms的周期，但也可以是任何將產(chǎn)生相同效果的周期，只要監(jiān)視周期處于同時(shí)輻射激光的一個(gè)周期內(nèi)。
另外，本實(shí)施例中的監(jiān)視周期是激光輻射之后100ms的周期，但可以設(shè)置多個(gè)監(jiān)視周期，只要該周期處于輻射激光的一個(gè)周期之內(nèi)，這使得可以以更高的精度監(jiān)視激光輸出。
另外，在上述實(shí)施例中使用了一種具有幾微秒的響應(yīng)速度的光電二極管。因?yàn)橥ǔＳ糜诩す饧庸さ募す獾拿}寬超過(guò)100μs，所以可以預(yù)期該探測(cè)器10μs的響應(yīng)速度產(chǎn)生令人滿意的效果和功能。
另外，可以把從改變輻射激光的傳輸通道的反射鏡透過(guò)的激光或從全反射鏡透過(guò)的激光設(shè)置為上述測(cè)量?jī)x的監(jiān)視光，其中所述的反射鏡和全反射鏡構(gòu)成激光諧振腔，直接或經(jīng)測(cè)量?jī)x進(jìn)入高速光電傳感器的監(jiān)視光的激光輸出值可以由測(cè)量?jī)x測(cè)量，并且透過(guò)的激光可以根據(jù)透過(guò)激光與輻射激光的比例進(jìn)入激光傳輸系統(tǒng)。
上述每個(gè)實(shí)施例可以單獨(dú)的實(shí)施，也可以兩實(shí)施例結(jié)合實(shí)施。
在不脫離本發(fā)明實(shí)質(zhì)的前提下可以對(duì)其它的配置進(jìn)行各種改型。
工業(yè)實(shí)用性如上所述，根據(jù)本發(fā)明的脈沖振蕩型固體激光器裝置，可以以不大于2％的絕對(duì)精度以穩(wěn)定的方式輻射激光輸出值。對(duì)于利用上述實(shí)施例中的激光加工裝置的激光焊接過(guò)程，焊接缺陷如吹孔減少，并且焊接深度的變化減少，由此大大提高了焊接質(zhì)量。
另外，根據(jù)本發(fā)明的激光加工裝置，因?yàn)榧庸と毕?、如精度缺陷或源自于激光輸出過(guò)度或不足的強(qiáng)度缺陷大大減少，所以加工的生產(chǎn)率提高，加工成本降低。另外，還可以節(jié)約加工材料資源并降低運(yùn)行成本，由此提供了一種更環(huán)保的激光加工裝置。
權(quán)利要求
1.一種脈沖振蕩型固體激光器裝置，具有一個(gè)激勵(lì)源為激光二極管的激光器裝置主體，其中激光二極管在固體激光器激活介質(zhì)的主能量吸收譜中發(fā)射光束，其特征在于在向激光器裝置主體之外輻射激光之前，作為脈沖激光輸出值的校準(zhǔn)操作，對(duì)脈沖振蕩型固體激光器裝置內(nèi)的激光二極管傳導(dǎo)規(guī)定的幾個(gè)不同的矩形脈沖電流值，從而脈沖振蕩激光器裝置主體，并利用布置在激光器裝置主體內(nèi)的激光輸出測(cè)量?jī)x測(cè)量每個(gè)矩形脈沖電流值的平均激光輸出值，從而獲得輸出值平均數(shù)據(jù)，并且在激光輸出輻射到激光器裝置主體之外的情況下，根據(jù)獲得的輸出值平均數(shù)據(jù)線性預(yù)測(cè)的脈沖電流值被傳導(dǎo)至激光二極管，從而獲得理想的脈沖激光輸出值。
2.如權(quán)利要求1所述的脈沖振蕩型固體激光器裝置，其特征在于當(dāng)校準(zhǔn)脈沖激光輸出時(shí)，利用電熱轉(zhuǎn)換型激光輸出測(cè)量?jī)x作為激光輸出測(cè)量?jī)x布置在激光器裝置主體中，從激光器裝置主體發(fā)射出的部分激光輻射到激光輸出測(cè)量?jī)x上，并測(cè)量激光輸出的平均值。
3.如權(quán)利要求1所述的脈沖振蕩型固體激光器裝置，其特征在于在校準(zhǔn)激光器裝置主體的脈沖激光輸出值時(shí)，以一超過(guò)激光器裝置主體的振蕩閾值的特定脈沖電流值啟動(dòng)傳導(dǎo)至激光二極管的矩形脈沖電流值，利用布置在激光器裝置主體內(nèi)的激光輸出測(cè)量?jī)x，通過(guò)在相同脈沖頻率和相同脈寬的條件下依次增大矩形脈沖電流值來(lái)測(cè)量每個(gè)矩形脈沖電流值中的激光平均輸出值，并且把由表達(dá)式(1)給出的脈沖電流值數(shù)據(jù)和脈沖激光輸出值數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在激光器裝置主體的控制裝置中。Pn＝Pan/(τ·f) 表達(dá)式(1)此處，Pn脈沖激光輸出值(W)Pan測(cè)得的激光輸出值(W)τ脈寬(s).f脈沖重復(fù)頻率(Hz)
4.如權(quán)利要求1所述的脈沖振蕩型固體激光器裝置，其特征在于在線性預(yù)測(cè)的脈沖激光輸出值Pp存在于脈沖激光輸出值Pn-1和脈沖激光輸出值Pn之間的一個(gè)中間范圍時(shí)，其中脈沖激光輸出值Pn-1是在校準(zhǔn)激光輸出值期間獲得的數(shù)據(jù)組中在第(n-1)時(shí)刻傳導(dǎo)至激光二極管的矩形脈沖電流值In-1中獲得的，并且脈沖激光輸出值Pn是在第n時(shí)刻導(dǎo)入的矩形脈沖電流值中獲得，換言之，在Pn-1＜Pp≤Pn的情況下，從表達(dá)式(2)自動(dòng)線性預(yù)測(cè)的脈沖電流值Ic導(dǎo)入激光二極管并獲得理想的脈沖激光輸出值。Ic＝((In-In-1)/(P1-Pn-1))·Pp+(PnIn-1-Pn-1In)/(Pn-Pn-1)(2)此處，n是大于2的整數(shù)。
5.如權(quán)利要求1所述的脈沖振蕩型固體激光器裝置，其特征在于在線性預(yù)測(cè)的脈沖激光輸出值Pp不超過(guò)校準(zhǔn)激光輸出值期間由最小矩形脈沖電流值II獲得的脈沖激光輸出值P1的情況下，換言之，在0＜Pp≤P1的情況下，從表達(dá)式(3)自動(dòng)線性預(yù)測(cè)的脈沖電流值Ic導(dǎo)入激光二極管并獲得理想的脈沖激光輸出值。Ic＝((I1-It)/P1)·Pp+It (3)此處，It是給出脈沖振蕩型固體激光器裝置的振蕩閾值的激光二極管電流值。
6.如權(quán)利要求1所述的脈沖振蕩型固體激光器裝置，其特征在于在校準(zhǔn)激光器裝置主體的脈沖激光輸出值的情況下，包括一項(xiàng)能夠用新獲得的數(shù)據(jù)更新脈沖激光輸出值的功能，只要在每個(gè)激光二極管導(dǎo)通電流值中獲得的脈沖激光輸出值與在前一校準(zhǔn)中獲得的相同電流值中的脈沖激光輸出值相比的變化率等于或小于特定的變化率。
7.如權(quán)利要求1所述的脈沖振蕩型固體激光器裝置，其特征在于在校準(zhǔn)激光器裝置主體的脈沖激光輸出值的情況下，當(dāng)每個(gè)激光二極管導(dǎo)通電流值中獲得的脈沖激光輸出值與前一校準(zhǔn)中獲得的相同電流值下的脈沖激光輸出值相比的變化率大于某一特定的變化率時(shí)，包含一項(xiàng)考慮激光器裝置主體的誤差并顯示誤差的內(nèi)容以及不用新獲得的數(shù)據(jù)更新脈沖激光輸出值而停止激光器裝置主體的校準(zhǔn)的功能。
8.一種激光加工裝置，主要包括一個(gè)激勵(lì)源為激光二極管的脈沖振蕩型固體激光器裝置，其中的激光二極管在固體激活介質(zhì)的主能量吸收譜中發(fā)射光束，其特征在于包括一測(cè)量?jī)x，全時(shí)測(cè)量輻射的激光輸出；最大值判斷裝置，在輻射激光束的同時(shí)，獲得特定監(jiān)視周期內(nèi)測(cè)得的激光輸出值的最大值；誤差判斷裝置，在預(yù)定的特定監(jiān)視周期的一段時(shí)間之后，比較該最大值與作為監(jiān)視水平的特定激光輸出值并判斷該最大值是否處于一個(gè)特定的范圍之內(nèi)；和故障拍攝裝置，當(dāng)誤差判斷裝置判定最大值處于特定范圍之外時(shí)顯示報(bào)警內(nèi)容并同時(shí)至少停止脈沖振蕩型固體激光器裝置的操作。
9.如權(quán)利要求8所述的激光加工裝置，其特征在于在脈沖振蕩型固體激光器裝置的激光輻射部分和激光輻射部分輻射的激光進(jìn)入其中的激光傳輸系統(tǒng)的入射光進(jìn)入部分之間布置一個(gè)對(duì)激光束分束的分束器，把從分束器反射的輻射激光輸出設(shè)置為測(cè)量?jī)x的監(jiān)視光，由測(cè)量?jī)x測(cè)量直接或經(jīng)擴(kuò)散反射板進(jìn)入到高速光傳感器的監(jiān)視激光的激光輸出值，并且根據(jù)分束器中輻射激光的反射系數(shù)預(yù)先測(cè)量進(jìn)入到激光傳輸系統(tǒng)中的激光輸出值。
10.如權(quán)利要求8所述的激光加工裝置，其特征在于把從改變輻射激光的傳輸通道的反射鏡透過(guò)的激光或從全反射鏡透過(guò)的激光設(shè)置為上述測(cè)量?jī)x的監(jiān)視光，其中所述的反射鏡和全反射鏡構(gòu)成激光諧振器，直接或經(jīng)擴(kuò)散反射板進(jìn)入高速光電傳感器的監(jiān)視光的激光輸出值可以由測(cè)量?jī)x測(cè)量，并且可以根據(jù)透過(guò)激光與輻射激光的比例預(yù)先測(cè)量引入激光傳輸系統(tǒng)的激光輸出值。
11.如權(quán)利要求8、9或10所述的激光加工裝置，其特征在于在與進(jìn)行實(shí)際監(jiān)視的操作條件相同的激光輻射條件下至少進(jìn)行一次操作，由最大值判斷裝置自動(dòng)獲得監(jiān)視周期內(nèi)測(cè)得的激光輸出的最大值，并將該最大值設(shè)置為實(shí)際操作期間故障拍攝裝置的監(jiān)視水平。
12.如權(quán)利要求8、9、10或11所述的激光加工裝置，其特征在于誤差判斷裝置中激光輸出的特定監(jiān)視周期可以設(shè)置為輻射激光的所有周期或是可以測(cè)量激光輸出值的周期之外的任意周期。
13.如權(quán)利要求8、9、10、11或12所述的激光加工裝置，其特征在于誤差判斷裝置可以在輻射激光的一個(gè)周期中任意設(shè)置多個(gè)特定監(jiān)視周期。
14.如權(quán)利要求8、9、10、11、12或13所述的激光加工裝置，其特征在于激光加工裝置配置有一個(gè)探測(cè)器作為測(cè)量激光輸出的測(cè)量?jī)x，該探測(cè)器在固體激光器裝置的振蕩波段中具有足夠的探測(cè)靈敏度和幾納秒～幾十微秒的響應(yīng)速度。
全文摘要
一種脈沖振蕩型固體激光器裝置，具有一個(gè)激勵(lì)源為激光二極管的激光器裝置主體，其中激光二極管在固體激光器激活介質(zhì)的主能量吸收譜中發(fā)射光束，其特征在于在向激光器裝置主體之外輻射激光之前，作為脈沖激光輸出值的校準(zhǔn)操作，對(duì)脈沖振蕩型固體激光器裝置內(nèi)的激光二極管傳導(dǎo)規(guī)定的幾個(gè)不同的矩形脈沖電流值，從而脈沖振蕩激光器裝置主體，并利用布置在激光器裝置主體內(nèi)的激光輸出測(cè)量?jī)x測(cè)量每個(gè)矩形脈沖電流值的平均激光輸出值，從而獲得輸出值平均數(shù)據(jù)，并且在激光輸出輻射到激光器裝置主體之外的情況下，根據(jù)獲得的輸出值平均數(shù)據(jù)線性預(yù)測(cè)的脈沖電流值被傳導(dǎo)至激光二極管，從而獲得理想的脈沖激光輸出值。
文檔編號(hào)H01S3/131GK1572049SQ0282060
公開(kāi)日2005年1月26日 申請(qǐng)日期2002年2月18日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月16日
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