本發(fā)明屬于激光器技術領域，尤其涉及一種可擴展的陣列光纖輸出激光器。

背景技術：

在采礦、鋼鐵、石油、化工、電力、模具、農(nóng)業(yè)機械等領域中，大量的重型機械設備因長期工作運轉(zhuǎn)，設備關鍵部件出現(xiàn)磨損或毀壞，影響設備的使用壽命。為延長設備的使用壽命，或使毀壞設備恢復運行，常借用激光技術進行金屬工件的表面修復或改性，提高工件表面的硬度、耐磨性、耐腐蝕、耐疲勞等機械性能。

金屬工件的表面修復或改性需要高密度(～200w/mm²)激光，這種高密度激光在技術上是將激光器發(fā)出的激光經(jīng)聚焦透鏡聚焦實現(xiàn)的。從輸出方式上分類，激光器有空間傳輸激光器和光纖輸出激光器兩大類。其中空間輸出激光器較早應用于金屬表面改性修復工藝中，由于其體積較大，三維操作不便，長時間出光穩(wěn)定性差等原因?qū)е缕洳荒芎芎玫脑谠摷す夤に噾弥型茝V。相較空間輸出激光器，光纖輸出激光器通過光纖輸出激光，柔韌性好、激光輸出頭體積小、重量輕、靈活性高，便于實現(xiàn)三維操作，因此在金屬表面修復與改性工藝中應用較廣。為了提高工藝加工效率，特別當加工對象為大型機械部件時，通常采用大光斑激光光束，即在保證激光功率密度不變的前提下提高激光輸出功率。傳統(tǒng)的光纖輸出激光器采用光纖耦合結構，該結構在輸出功率較高時，耦合點損耗較大，安全穩(wěn)定性差，且受光纖自身特性限制，一般輸出功率不超過3000w，即在確保功率密度不小于200w/mm²的條件下，光斑大小不超過15mm²。

技術實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有的光纖輸出激光器輸出功率低，光斑面積小，且安全可靠性較低的問題，本發(fā)明提供一種可擴展陣列光纖輸出激光器，實現(xiàn)高功率大光斑激光光束輸出，滿足金屬表面修復或改性工藝對數(shù)千瓦、數(shù)萬瓦激光器的實際工程應用的需求。

本發(fā)明的技術解決方案是提供一種可擴展陣列光纖輸出激光器，其特殊之處在于：包括電模塊、n個光模塊單元、與光模塊單元對應的激光輸出頭、光斑定位器，所述n≥2，上述光模塊單元通過光纖與激光輸出頭連接，n個激光輸出頭設置于光斑定位器中；

上述電模塊同時對n個光模塊單元進行供電和控制；

上述激光器輸出的激光經(jīng)過光纖傳輸至對應的激光輸出頭；

上述激光輸出頭將激光聚焦后形成光斑；

上述光斑定位器實現(xiàn)光斑單行或單列、多行或多列的陣列排布，且相鄰光斑可部分或完全重疊。

優(yōu)選地，上述光斑定位器包括光斑定位器本體，上述光斑定位器本體內(nèi)部設置有m個激光輸出頭定位孔，上述激光輸出頭定位孔的孔徑大于激光輸出頭的直徑，上述多個激光輸出頭定位孔單列或多列排布，激光輸出頭穿過激光輸出頭定位孔；上述m≥n；

上述激光輸出頭定位孔為臺階孔；

激光輸出頭上套設有定位法蘭，定位法蘭的外徑大于臺階孔小端孔徑，定位法蘭的外徑小于臺階孔大端孔徑；

還包括多個微調(diào)旋鈕；上述微調(diào)旋鈕穿過定位法蘭旋入光斑定位器本體，將激光輸出頭固定在光斑定位器本體上。

m個激光輸出頭定位孔實現(xiàn)對多個光纖輸出激光器輸出頭方向的初步定位，使多個激光器輸出頭聚焦系統(tǒng)的聚焦光斑位于同一平面上，且相鄰兩個聚焦光斑可重合或部分重合。

通過調(diào)節(jié)微調(diào)旋鈕，調(diào)節(jié)定位法蘭的傾斜度同時即可對激光輸出頭傾斜方向和角度進行微調(diào)節(jié)，控制多個聚焦光斑相鄰光斑之間的重合度，實現(xiàn)對組合光斑大小和形狀精確控制。

因輸出激光含有大角度發(fā)散的雜光，雜光傳輸至激光輸出頭側(cè)壁上會使激光輸出頭發(fā)熱，作為本發(fā)明的進一步改進，該光斑定位器還包括多個水流通道、入水口與出水口；

上述水流通道將多個激光輸出頭定位孔連通；

上述入水口和出水口均設置在水流通道上或設置在光斑定位器本體并與激光輸出頭定位孔連通；

臺階孔的大端口設置有密封法蘭，所述密封法蘭與激光輸出頭及臺階孔的大端口密封設置；

臺階孔小端口周向與光斑定位器本體密封設置。

激光輸出頭定位孔與光斑定位器的入水口、出水口以及水流通道共同組成可循環(huán)冷卻水通道，可對置入其中的激光輸出頭使用循環(huán)水冷卻，提高激光輸出頭系統(tǒng)的安全性。

優(yōu)選地，上述微調(diào)旋鈕未旋入光斑定位器本體的部分套設有彈簧。

優(yōu)選地，上述水流通道將臺階孔的大端與大端連通，將臺階孔的小端與小端連通。

優(yōu)選地，所述微調(diào)旋鈕沿激光輸出頭定位孔周向均勻排布，每個激光輸出頭定位孔周向均勻排布四個微調(diào)旋鈕。

優(yōu)選地，上述密封法蘭與臺階孔大端口及激光輸出頭之間均設置有密封圈；上述臺階孔小端口周向設置有密封圈。

優(yōu)選地，上述激光輸出頭內(nèi)包括依次設置的準直透鏡組和聚焦透鏡組。準直透鏡組將根據(jù)設計將光纖發(fā)出的激光準直為直徑為幾毫米到數(shù)十毫米的準直光束；聚焦透鏡組將上述的準直激光束聚焦圓光斑或線光斑。聚焦后圓光斑的光斑直徑為一般2mm-10mm。聚焦后的線光斑寬度為一般0.2mm-2mm，長度一般為3mm-20mm左右。聚焦光斑的功率密度可達到100w/mm²-600w/mm²。

優(yōu)選地，上述準直透鏡組和聚焦透鏡組可以設置于同一機械鏡筒內(nèi)也可以分別設置于不同的機械鏡筒內(nèi)或分別設置于兩個獨立的鏡架中。

上述準直透鏡組可將光纖發(fā)出的激光整形為準直光束；聚焦透鏡組將準直光束聚焦為圓光斑或線光斑。

優(yōu)選地，上述激光器為千瓦級的光纖輸出激光器，可實現(xiàn)千瓦級的功率輸出。

本發(fā)明的有益效果是：

1、本發(fā)明的激光器通過激光輸出頭將單元激光器輸出的激光聚焦成一定形狀的光斑，然后再將n個聚焦后的光斑通過光斑定位器排成一定形狀的光斑陣列；實現(xiàn)高功率(萬瓦)激光輸出；

2、本發(fā)明的光斑定位器在不提高單個光纖輸出激光器系統(tǒng)輸出功率的同時提高聚焦光斑的功率密度，系統(tǒng)的安全可靠性高；在不降低聚焦光斑功率密度的同時，增大聚焦光斑面積，提高熔敷效率；且具有水流通道，可使用循環(huán)冷卻水對激光輸出頭進行冷卻，系統(tǒng)安全性高。

3、激光輸出頭準直透鏡(組)和聚焦透鏡(組)，將光纖輸出激光進行準直后再聚焦，得到理想的聚焦光斑；

4、該激光器采用千瓦級的光纖輸出激光器作為光模塊單元中的激光器，光斑陣列可以達到300w/mm²-600w/mm²的功率密度；

5、相對于同等功率的其他種類激光器，本發(fā)明除了具備光纖激光器靈活性好、易于三維加工的自身優(yōu)勢之外，還兼具穩(wěn)定性好、可靠性高、加工能力強等優(yōu)勢，可實現(xiàn)高功率(萬瓦)激光輸出；

6、本發(fā)明能更好應用于大型工件的表面改性和修復，同時由于可實現(xiàn)較高的功率密度，可適用于任何高熔點材料。

附圖說明

圖1為本發(fā)明可擴展陣列光纖輸出激光器結構示意圖；

圖2為光模塊單元中激光輸出頭示意圖；

圖3a為圓形光斑陣列排布示意圖；

圖3b為線狀光斑陣列排布示意圖；

圖4為光斑定位器結構示意圖；

圖5a為圖1光斑定位器輸出的光斑沿橫向方向完全重合的光斑示意圖；

圖5b為圖1光斑定位器輸出的光斑沿橫向方向部分重合的光斑示意圖；

圖5c為圖1光斑定位器輸出的光斑沿橫向方向不重合的光斑示意圖；

圖5d為將激光輸出頭旋轉(zhuǎn)90°，光斑沿縱方向不完全重合情況下組合光斑

示意圖；

圖6a為多列排布的多個圓形光斑組合示意圖；

圖6b為多列排布的多個矩形光斑組合示意圖。

圖中附圖標記為：1-光斑定位器本體，11-激光輸出頭定位孔，12-微調(diào)旋鈕，13-密封圈，14-入水口，15-出水口，16-水流通道，17-聚焦光斑所在平面，18-螺絲，2-激光輸出頭，21-定位法蘭，22-密封法蘭，31-準直透鏡，32-聚焦透鏡。

具體實施方式

以下結合附圖對本發(fā)明做進一步的描述。

如圖1，本發(fā)明可擴展陣列光纖輸出激光器結構包括：電模塊、n個光模塊單元、輸出光纖、激光輸出頭及光斑定位器。電模塊同時對n個光模塊單元進行供電和控制，可實現(xiàn)全部或者部分光模塊同時出光，光模塊輸出激光經(jīng)過光纖傳輸至對應的激光輸出頭，激光輸出頭內(nèi)部含有準直透鏡31系統(tǒng)和聚焦透鏡32系統(tǒng)，可將光束聚焦成一定形狀的光斑。激光輸出頭全部固定放置在光斑定位器上，通過光斑定位器控制其光束傳輸方向，最終實現(xiàn)如圖3a及圖3b所示的光斑陣列排布。

激光輸出頭內(nèi)部結構如圖2所示，為了獲得理想的聚焦光斑，需要將光纖輸出激光進行準直后再聚焦，激光輸出頭主要包括兩部分，準直透鏡31(組)和聚焦透鏡32(組)，準直透鏡31(組)和聚焦透鏡32(組)可放置于同一機械鏡筒內(nèi)(也可分開放于兩個獨立鏡架中)，形成一個完整的光斑聚焦系統(tǒng)。激光束通過聚焦透鏡32(組)后，根據(jù)需要可以聚焦為圓形光斑或線形光斑。聚焦后圓光斑直徑一般為2mm-10mm，聚焦后的線光斑寬度一般0.2mm-2mm，長度為3mm-20mm左右。

圖4為光斑定位器縱向剖面示意圖，圖示未顯示出與所示每個定位孔中兩個微調(diào)旋鈕12相互垂直方向上的兩個微調(diào)旋鈕。

從圖4可以看出，該光斑定位器主要包括3個單列排布的激光輸出頭定位孔11、沿定位孔圓周等距分布的4個微調(diào)旋鈕12。激光輸出頭定位孔11及激光輸出頭2均為圓柱形。

激光輸出頭2置于激光輸出頭定位孔11中，激光輸出頭定位孔11對3個激光輸出頭2的方向及位置初步定位，使3個激光聚焦光斑位于同一平面17上，且相鄰光斑可完全重合或部分重合。

激光輸出頭定位孔11為臺階孔；激光輸出頭2上套設有定位法蘭21，定位法蘭21的外徑大于臺階孔小端孔徑，定位法蘭21的外徑小于臺階孔大端孔徑；微調(diào)旋鈕12通過定位法蘭21將激光輸出頭2與光斑定位器本體1相固定，通過調(diào)節(jié)微調(diào)旋鈕12控制每個激光輸出頭2在激光輸出頭排列方向的傾斜方向和角度，從而精確控制3個聚焦光斑的位置及相鄰光斑的重合度，進而得到不同大小的組合光斑。

如圖5(a)、圖5(b)、圖5(c)及圖5(d)所示，其中1個激光輸出頭2的聚焦光斑為寬0.3-2mm，長3-20mm的矩形光斑，光斑密度為200w/mm²，利用本發(fā)明將3個上述聚焦光斑進行橫向或縱向組合，可形成寬0.3-6mm，長3-60mm的矩形光斑，光斑密度≥200w/mm²。

因輸出激光含有大角度發(fā)散的雜光，雜光傳輸至激光輸出頭側(cè)壁上會使激光輸出頭發(fā)熱，為了克服該問題，本光斑定位器還包括可循環(huán)的冷卻水系統(tǒng)，具體包括入水口14、出水口15及水流通道16，水流通道16將多個激光輸出頭定位孔11連通，入水口14及出水口15均設置在水流通道16上。

激光輸出頭定位孔11下端即小端口內(nèi)壁周向設置有密封圈，用于實現(xiàn)激光輸出頭與光斑定位器本體的密封；激光輸出頭定位孔11上端即大端口通過密封法蘭22及密封圈與光斑定位器密封。具體的，光斑定位器本體1與激光輸出頭的密封法蘭22之間由螺絲18固定，且二者連接處由密封圈13密封。激光輸出頭2與密封法蘭22接觸處由密封圈13密封。因此，激光輸出頭定位孔11與定位器本身的水流通道一起構成整個光斑定位器的水流通道，如圖1所示，循環(huán)冷卻水由入水口14進入水流通道并沿箭頭所示方向流動，并由出水口15流出，從而將激光輸出頭的熱量帶走，達到給激光輸出頭降溫的效果。

該可擴展陣列光纖輸出激光器的具體工作方式為，電模塊同時對n個光模塊單元進行供電和控制，實現(xiàn)全部或者部分光模塊同時出光，n個光模塊輸出激光經(jīng)過光纖傳輸至對應的n個激光輸出頭，激光輸出頭內(nèi)部的準直透鏡31系統(tǒng)和聚焦透鏡32系統(tǒng)將光束聚焦為一定形狀的光斑。通過光斑定位器實現(xiàn)n個聚焦光斑單行、單列或者多行、多列排布。光斑定位器具體調(diào)節(jié)操作為，首先將n個激光輸出頭分別放置于對應的激光輸出頭定位孔內(nèi)，旋轉(zhuǎn)微調(diào)旋鈕固定激光輸出頭確保其在定位孔內(nèi)無晃動。其次電模塊控制n個光模塊同時出光或者逐個出光。根據(jù)光斑在聚焦光斑平面的位置進行光斑位置調(diào)節(jié)，具體調(diào)節(jié)方式為通過調(diào)節(jié)微調(diào)旋鈕控制定位法蘭的傾斜角度，實現(xiàn)光斑在聚焦光斑平面的移動從而實現(xiàn)光斑單行或單列、多行或多列的陣列排布。最后，緊固密封法蘭，在定位器內(nèi)部形成密封空間，通過進出水口進行內(nèi)部冷卻水循環(huán)，實現(xiàn)激光輸出頭的冷卻降溫。在此過程中注意，在上述光斑調(diào)節(jié)過程中，光模塊一般不需要滿功率出光，輸出光束在確?？捎^察到亮度足夠清晰的光斑即可。

通過光斑定位器上的調(diào)節(jié)旋鈕可實現(xiàn)圖3a、圖3b、圖6a及圖6b的光斑排布陣列：(1)圓形光斑部分或全部重疊的方式一字排開或者多行矩陣排列，具體形狀可根據(jù)實際加工需求設計。(2)線形聚焦光斑排布陣列可采用部分或全部重疊的方式排列。為保證加工效果，實際排列中相鄰兩個光斑可以部分重疊或者完全重疊排布，從而實現(xiàn)300-600w/mm²的超高功率密度激光輸出，針對市場現(xiàn)有激光器光功率密度不足，可廣泛應用于高熔點材質(zhì)的表面改性或修復工藝。

以上所述并不限于本發(fā)明，本專利所要保護內(nèi)容主要針對多聚焦光束組合陣列光斑這一結構思想進行保護，凡在本發(fā)明的原理之內(nèi)所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。