一种横向模式可调的清洗用脉冲光纤激光器的制作方法

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1.本发明涉及激光清洗技术领域，特别是涉及一种横向模式可调的清洗用脉冲光纤激光器。

背景技术：

2.激光清洗技术作为一种高效的新型表面清洗技术，自1965年以来取得了迅速的发展，激光清洗技术的优势有：(1)与工件之间无物理接触，无需任何化学试剂，通过控制激光工艺参数可选择性地去除材料表面涂层；(2)能够去除基材表面的各种涂层并达到很高的洁净度，适用范围十分广泛；(3)可对各种复杂结构的表面进行清洗工作；(4)清洗过程产生的少量烟雾粉尘可通过吸尘系统处理，对环境基本不造成污染；(5)激光辐照涂层时可产生一系列热力效应(烧蚀，热冲击，振动，等离子冲击波等)能提高基体表面的粗糙度，显微硬度，耐腐蚀性。得益于这些技术优势，激光清洗技术已经应用于工业加工、高端制造、文物保护等领域。
3.随着激光清洗技术在不同领用领域的不断深入，激光清洗的对象也由单一简单材料逐渐拓展至钛合金、碳纤维、复合材料等复杂材料。应用场景也由单一的除锈逐渐扩展至除漆、除表面氧化层、除表面涂层等精密加工技术场景。目前的激光清洗技术原理主要为待清洗材料在激光作用下产生的烧蚀、震动等化学物理反应，从而实现对材料的清洗目的。因此激光与待清洗材料的互作用过程对激光清洗效果起到了决定性作用。
4.目前，激光清洗技术的激光光源均为横向模式不可调光源，激光器输出的激光横向光场分布呈现高斯型分布或平顶分布。对于高斯型分布光斑中心能量集中，激光能量向光斑边缘方向逐渐降低，造成在激光与待清洗材料互作用时造成在光斑范围内清洗效果的不均匀，并且在光斑能量集中的中心位置易造成对母材的损伤；而对于平顶分布，虽然可以均匀化能量密度，但是不可避免的造成了清洗效率的下降，清洗深度的衰减。

技术实现要素：

5.(1)要解决的技术问题
6.本发明实施例提供了一种横向模式可调的清洗用脉冲光纤激光器，解决了光斑能量分布不均匀，导致了基材的损伤、清洗效率低以及难以适应复杂情况清洗的技术问题。
7.(2)技术方案
8.本发明的实施例提出了一种横向模式可调的清洗用脉冲光纤激光器，包括：脉冲激光种子源、光纤激光分束器、脉冲激光放大器、模式可调激光合束器以及激光输出端帽，所述脉冲激光种子源与所述光纤激光分束器连接，所述光纤激光分束器连接多个所述脉冲激光放大器，所述脉冲激光放大器均为单独控制，多个所述脉冲激光放大器与所述模式可调激光合束器连接，所述模式可调激光合束器与所述激光输出端帽连接。
9.进一步地，所述模式可调激光合束器包括输入光纤束和输出光纤，所述输入光纤束与所述输出光纤通过拉锥匹配，并熔接成为光纤合束器。
10.进一步地，所述输入光纤束包括中心输入光纤、外围输入光纤和玻璃套管，所述玻璃套管中心设置有所述中心输入光纤，所述中心输入光纤与所述玻璃套管之间环形阵列设置有多个所述外围输入光纤。
11.进一步地，所述中心光束光纤尺寸大于所述外围光纤光纤尺寸。
12.进一步地，所述中心输入光纤包括中心输入光纤纤芯和中心输入光纤包层，所述中心输入光纤包层套设于所述中心输入光纤纤芯。
13.进一步地，所述外围输入光纤包括外围输入光纤纤芯和外围输入光纤包层，所述外围输入光纤包层套设于所述外围输入光纤纤芯。
14.进一步地，所述输出光纤包括输出光纤纤芯和输出光纤内包层，所述输出光纤内包层套设于所述输出光纤纤芯。
15.进一步地，所述输入光纤束中每一束激光的功率均为单独控制以对输出激光光斑能量的分布进行调控，所述中心输入光纤输出的激光耦合至所述输出光纤纤芯中，所述外围输入光纤输出的激光耦合至所述输出光纤内包层中，通过控制所述输出光纤内包层和所述输出光纤纤芯耦合激光的比例调控输出激光的横向能量密度分布。
16.(3)有益效果
17.综上，本发明通过模式可调激光合束器来控制输出光斑模场分布，多束单独控制的脉冲激光通过模式可调激光合束器进行合束，通过控制每一束激光的功率，即可实现对输出激光纤芯和包层激光功率的调控，进一步达到对输出激光横向能量密度分布的调制，不仅能实现均匀分布的光场能量，并且可以根据具体的应用场景对输出激光的能量密度分布进行调控，以优化激光与物质的互作用过程，适应不同的复杂清洗场景，在避免对基材的损伤的基础上，提高清洗效率，适用于高效率特种材料清洗应用场景，并对其他材料的清洗有很好的参考价值，适用性广。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1是一种横向模式可调的清洗用脉冲光纤激光器的结构示意图；
20.图2是模式可调激光合束器的输入光纤束的横向剖面图；
21.图3是模式可调激光合束器的输出光纤的横向剖面图；
22.图中：1、脉冲激光种子源；2、光纤激光分束器；3、脉冲激光放大器；4、模式可调激光合束器；5、激光输出端帽；4-1、输入光纤束；4-2、输出光纤；4-11、中心输入光纤；4-12、外围输入光纤；4-13、玻璃套管；4-14、中心输入光纤纤芯；4-15、外围输入光纤纤芯；4-16、中心输入光纤包层；4-17、外围输入光纤包层；4-21、输出光纤纤芯；4-22、输出光纤内包层。
具体实施方式
23.下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明
不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。
24.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本技术。
25.请参考图1，本发明的实施例提出了一种横向模式可调的清洗用脉冲光纤激光器，包括：脉冲激光种子源1、光纤激光分束器2、脉冲激光放大器3、模式可调激光合束器4以及激光输出端帽5，所述脉冲激光种子源1与所述光纤激光分束器2连接，所述光纤激光分束器2连接多个所述脉冲激光放大器3，所述脉冲激光放大器3均为单独控制，多个所述脉冲激光放大器3与所述模式可调激光合束器4连接，所述模式可调激光合束器4与所述激光输出端帽5连接。所述脉冲激光种子源1产生激光脉冲，当所述脉冲激光放大器3的个数为n时，经所述光纤激光分束器2将脉冲种子激光分为n束，每一束脉冲激光分别经所述脉冲激光放大器3进行放大，每一个所述脉冲激光放大器3的功率均为单独控制，放大后的激光脉冲经所述模式可调合激光束器合束，之后再通过所述输出端帽输出。
26.请参考图2和图3，在一些实施例中，所述模式可调激光合束器4包括输入光纤束4-1和输出光纤4-2，所述输入光纤束4-1与所述输出光纤4-2通过拉锥匹配，并熔接成为光纤合束器。进一步地，所述输入光纤束4-1包括中心输入光纤4-11、外围输入光纤4-12和玻璃套管4-13，所述玻璃套管4-13中心设置有所述中心输入光纤4-11，所述中心输入光纤4-11与所述玻璃套管4-13之间环形阵列设置有多个所述外围输入光纤4-12，当所述脉冲激光放大器3的个数为n时，所述外围输入光纤4-12的个数为n-1。所述中心光束光纤尺寸可以大于所述外围光纤光纤尺寸。
27.请参考图2和图3，在一些实施例中，所述中心输入光纤4-11包括中心输入光纤纤芯4-14和中心输入光纤包层4-16，所述中心输入光纤包层4-16套设于所述中心输入光纤纤芯4-14。所述外围输入光纤4-12包括外围输入光纤纤芯4-15和外围输入光纤包层4-17，所述外围输入光纤包层4-17套设于所述外围输入光纤纤芯4-15。所述输出光纤4-2包括输出光纤纤芯4-21和输出光纤内包层4-22，所述输出光纤内包层4-22套设于所述输出光纤纤芯4-21。
28.在一些实施例中，所述输入光纤束4-1中每一束激光的功率均为单独控制以对输出激光光斑能量的分布进行调控，所述中心输入光纤4-11输出的激光耦合至所述输出光纤纤芯4-21中，所述外围输入光纤4-12输出的激光耦合至所述输出光纤内包层4-22中，通过控制所述输出光纤内包层4-22和所述输出光纤纤芯4-21耦合激光的比例调控输出激光的横向能量密度分布。
29.通过所述模式可调激光合束器4来控制输出光斑模场分布，多束单独控制的脉冲激光通过模式可调激光合束器4进行合束，通过控制每一束激光的功率，即可实现对输出激光纤芯和包层激光功率的调控，进一步达到对输出激光横向能量密度分布的调制，不仅能实现均匀分布的光场能量，并且可以根据具体的应用场景对输出激光的能量密度分布进行调控，以优化激光与物质的互作用过程，适应不同的复杂清洗场景，在避免对基材的损伤的基础上，提高清洗效率，适用于高效率特种材料清洗应用场景，并对其他材料的清洗有很好的参考价值，适用性广。
30.实施例：
31.按照图1所示搭建脉冲光纤激光系统，采用调q脉冲光纤激光器作为脉冲激光种子源1，单脉冲能量0.5mj，重复频率20khz-100khz可调，输出光纤尺寸为10/130微米。
32.光纤激光分束器2为1分7型光纤激光分束器，将脉冲激光种子分为能量相等的7束，输入/输出光纤的尺寸为10/130微米；脉冲激光种子经分束后分别注入到脉冲激光放大器的3-1至3-7中，进行功率放大，在每一路放大中配置2级包层放大，将脉冲能量放大至8mj，放大器输出光纤的尺寸均为50/400微米。7路8mj的激光脉冲经模式可调激光合束器4进行合束。
33.模式可调激光合束器4中7束光纤束，光纤包层紧密排列成六边形，该六边形的外切圆直径为1200微米，玻璃套管4-13内径与光纤束尺寸匹配，同样为1200微米；中心输入光纤4-11的尺寸与外围输入光纤4-12的尺寸相同，中心输入光纤纤芯4-14为50微米，外围输入光纤纤芯4-15为50微米，中心输入光纤包层4-16为400微米，外围输入光纤包层4-17为400微米；输出光纤纤芯4-2尺寸为100/400微米，其中输出光纤纤芯4-21为100微米，输出光纤内层4-22尺寸为400微米。将光纤束4-1进行拉锥，使得玻璃管4-13的外经尺寸小于400微米，进一步与输出光纤4-2熔接，中心输入光纤4-11输出的激光耦合至输出光纤的纤芯4-21中，外围输入光纤4-12输出的激光耦合至输出光纤的包层4-22中，进而可以控制包层和纤芯耦合激光的比例来调控输出激光的横向能量密度分布。
34.需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。
35.以上所述仅为本技术的实施例而已，并不限制于本技术。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的权利要求范围内。

技术特征：

1.一种横向模式可调的清洗用脉冲光纤激光器，其特征在于，包括：脉冲激光种子源、光纤激光分束器、脉冲激光放大器、模式可调激光合束器以及激光输出端帽，所述脉冲激光种子源与所述光纤激光分束器连接，所述光纤激光分束器连接多个所述脉冲激光放大器，所述脉冲激光放大器均为单独控制，多个所述脉冲激光放大器与所述模式可调激光合束器连接，所述模式可调激光合束器与所述激光输出端帽连接。2.根据权利要求1所述的一种横向模式可调的清洗用脉冲光纤激光器，其特征在于，所述模式可调激光合束器包括输入光纤束和输出光纤，所述输入光纤束与所述输出光纤通过拉锥匹配，并熔接成为光纤合束器。3.根据权利要求2所述一种横向模式可调的清洗用脉冲光纤激光器，其特征在于，所述输入光纤束包括中心输入光纤、外围输入光纤和玻璃套管，所述玻璃套管中心设置有所述中心输入光纤，所述中心输入光纤与所述玻璃套管之间环形阵列设置有多个所述外围输入光纤。4.根据权利要求2所述的一种横向模式可调的清洗用脉冲光纤激光器，其特征在于，所述中心光束光纤尺寸大于所述外围光纤光纤尺寸。5.根据权利要求3或4所述的一种横向模式可调的清洗用脉冲光纤激光器，其特征在于，所述中心输入光纤包括中心输入光纤纤芯和中心输入光纤包层，所述中心输入光纤包层套设于所述中心输入光纤纤芯。6.根据权利要求3或4所述的一种横向模式可调的清洗用脉冲光纤激光器，其特征在于，所述外围输入光纤包括外围输入光纤纤芯和外围输入光纤包层，所述外围输入光纤包层套设于所述外围输入光纤纤芯。7.根据权利要求3或4所述的一种横向模式可调的清洗用脉冲光纤激光器，其特征在于，所述输出光纤包括输出光纤纤芯和输出光纤内包层，所述输出光纤内包层套设于所述输出光纤纤芯。8.根据权利要求7所述的一种横向模式可调的清洗用脉冲光纤激光器，其特征在于，所述输入光纤束中每一束激光的功率均为单独控制以对输出激光光斑能量的分布进行调控，所述中心输入光纤输出的激光耦合至所述输出光纤纤芯中，所述外围输入光纤输出的激光耦合至所述输出光纤内包层中，通过控制所述输出光纤内包层和所述输出光纤纤芯耦合激光的比例调控输出激光的横向能量密度分布。

技术总结

本发明涉及一种横向模式可调的清洗用脉冲光纤激光器，包括脉冲激光种子源、光纤激光分束器、脉冲激光放大器、模式可调激光合束器以及激光输出端帽，脉冲激光种子源与光纤激光分束器连接，光纤激光分束器连接多个脉冲激光放大器，脉冲激光放大器均为单独控制，多个脉冲激光放大器与模式可调激光合束器连接，模式可调激光合束器与激光输出端帽连接。通过模式可调激光合束器来控制输出光斑模场分布，多束单独控制的脉冲激光通过模式可调激光合束器进行合束，通过控制每一束激光的功率，实现对输出激光纤芯和包层激光功率的调控，达到对输出激光横向能量密度分布的调制，优化激光与物质的互作用过程，适应不同的复杂清洗场景。适应不同的复杂清洗场景。适应不同的复杂清洗场景。