一种基于偏振合束的多光路激光器、控制方法及设备

摘要

本发明涉及激光器技术领域，特别涉及一种基于偏振合束的多光路激光器、控制方法及设备。本发明提供激光器通过设置隔离部分，并在壳体上设置吸光结构，减少了壳体环境中发光单元因光学元件而产生的杂散光，从而提高激光器的工作稳定性和使用寿命；本发明方案利用了偏振合束模块非理想合束的特性，使基于传感器的功率预测数值更为准确，有效实现激光器的输出功率控制，进一步增加了激光器的工作稳定性和使用寿命，同时避免了在激光器输出后采样造成的效率损失。

说明书

技术领域

本发明涉及激光器技术领域，特别涉及一种基于偏振合束的多光路激光器、控制方法及设备。

背景技术

偏振合束技术是使用偏振合束模块将两个相互垂直的 p 偏振和 s 偏振的激光束合束到一起，从而提高半导体激光器功率、亮度的技术。由于半导体激光器发出的光束接近于线偏振，偏振度可以在 95%-98%的范围内，使用偏振合束技术可以保证较高的合束效率。

然而，本发明的发明人发现，由于激光器频率漂移，偏振合束模块的合束效率存在波动，且随着温度上升激光器的工作稳定性急剧下降，这是因为现有技术中存在以下问题：

（1）激光光束在进行偏振合束的过程中，由于偏振度不是100%，会产生一定的功率损失，这些功率损失将会以杂散光的形式在壳体中进行反射，当杂散光进入发光单元时，会导致发光单元输出异常，严重时可能导致发光单元损毁；

（2）现有设计的激光器中，在进行合束前，发光单元受其相邻发光单元的杂散光影响较小，受其对排激光器产生的杂散光影响较大，这一效应在多光路激光器中尤为明显。

发明内容

有鉴于此，本发明的第一个目的在于提供一种基于偏振合束的多光路激光器，通过在激光器上设置光隔离部分和吸光结构，减少了多光路激光器的壳体环境中发光单元因光学元件而产生的杂散光，提高了多光路激光器的工作稳定性和使用寿命。

基于同样的发明构思，本发明的第二个目的在于提供一种基于偏振合束的多光路激光器的输出控制方法。

基于同样的发明构思，本发明的第三个目的在于提供一种焊接设备。

本发明的第一个目的可以通过如下技术方案达到：

一种基于偏振合束的多光路激光器，包括：壳体、多个发光模块及偏振合束模块，其中：

多个发光模块，用于发射多光路激光，多个所述发光模块之间设有光隔离部分；

偏振合束模块，设置在光路方向上，使多光路激光合束并输出合束激光，所述偏振合束模块包括偏振分光面；

所述壳体上设有吸光结构；所述吸光结构包括反射部和吸收部，所述吸光结构的反射部位于所述偏振分光面的反射方向上，所述多光路激光中s偏振光经过所述偏振合束模块后进入吸光结构中。

进一步的，所述多个发光模块包括至少一个第一发光模块和至少一个第二发光模块，所述第一发光模块出射光形成第一光路，所述偏振合束模块设置在所述第一光路方向上；所述第二发光模块出射光形成第二光路，所述壳体上设有光路转向元件，用于将第二光路转向，使第二光路方向与偏振分光面的反射方向相同。

进一步的，所述第一发光模块包括多个第一发光单元，与多个所述第一发光单元一一对应的多个第一反射镜，与多个第一发光单元一一对应的多个第一准直透镜；所述第二发光模块包括多个第二发光单元，与多个所述第二发光单元一一对应的多个第二反射镜，与多个第二发光单元一一对应的多个第二准直透镜；所述第一发光单元和第二发光单元数量相同，且相对设置。

进一步的，包括输出模块，所述输出模块包括设置于水平面上的聚焦透镜和输出光纤，合束激光经过所述聚焦透镜后耦合进入所述输出光纤中。

进一步的，所述聚焦透镜为非球面平凸透镜，所述平凸非球面透镜朝向输出光纤的一面为平面、背向输出光纤的一面为非球凸面。

进一步的，还包括光阑，所述光阑设置于非球面透镜与输出光纤之间。

进一步的，还包括反馈传感器，所述反馈传感器设置于壳体上。

进一步的，所述反馈传感器为光传感器，所述光传感器设置于吸光结构中吸收部的端部。

本发明的第二个目的可以通过如下技术方案达到：

一种基于偏振合束的多光路激光器的输出控制方法，应用于上述的基于偏振合束的多光路激光器，包括以下步骤：

获取激光器的工作电流；

根据激光器的工作电流，计算激光器的第一输出功率；

获取反馈传感器读取的参量信号；

根据参量信号，计算激光器的第二输出功率；

当满足预设条件时，判定激光器工作状态异常，并调整激光器工作参数；

所述预设条件为：满足第一条件，第二条件和第三条件中任意一项：

第一条件：第一输出功率小于第一预设阈值；

第二条件：第二输出功率大于第二预设阈值；

第三条件：第一输出功率与第二输出功率的差值绝对值大于第三预设阈值。

本发明的第三个目的可以通过如下技术方案达到：

一种焊接设备，包括上述的基于偏振合束的多光路激光器。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

（1）本发明在多光路激光器中设置隔离部分，并在壳体上设置吸光结构，减少了壳体环境中发光单元因光学元件而产生的杂散光，从而提高激光器的工作稳定性和使用寿命，这一效果在双排光路的激光器中尤为明显。

（2）本发明的输出部分采用非球面透镜和光阑的设计，能够增加激光器输出的耦合效率，提升激光器输出的光束质量，同时避免激光器因为回返光而导致的输出异常。

（3）本发明在吸光结构中设置传感器，利用了偏振合束模块非理想合束的特性，即未进入偏振合束模块的激光仍具备较好的方向性，并使基于传感器的功率预测数值更为准确，有效实现激光器的输出功率控制，进一步增加了激光器的工作稳定性和使用寿命，同时避免了在激光器输出后采样造成的效率损失。

附图说明

图1是本发明实施例1的基于偏振合束的多光路激光器结构俯视图；

图2是本发明实施例1的基于偏振合束的多光路激光器结构示意图；

图3是本发明实施例1的基于偏振合束的多光路激光器工作时的光路示意图；

图4是本发明实施例1的基于偏振合束的多光路激光器的非球面透镜结构示意图；

图5是本发明实施例1的基于偏振合束的多光路激光器的非球面透镜侧视图；

图6是本发明实施例2的基于偏振合束的多光路激光器结构俯视图；

图7是本发明实施例2的基于偏振合束的多光路激光器结构示意图；

图8是本发明实施例2的基于偏振合束的多光路激光器的输出控制方法流程图。

主要元件符号说明：1、壳体，4、偏振合束模块，6、光路转向元件，8、光隔离部分，9、反馈传感器，101、第一阶梯部，102、第二阶梯部，103、第三阶梯部，104、第四阶梯部，21、第一发光单元，22、第一反射镜，23、第一准直透镜，31、第二发光单元，32、第二反射镜，33、第二准直透镜，51、聚焦透镜，52、输出光纤，71、反射部，72、吸收部。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

如图1、图2和图3所示，本实施例提供了一种基于偏振合束的多光路激光器，包括：壳体1、第一发光模块2、第二发光模块3、偏振合束模块4以及输出模块5；

壳体1上设有水平面、第一阶梯部101、第二阶梯部102、第三阶梯部103、第四阶梯部104和光隔离部分8，第一发光模块2包括多个第一发光单元21，第一发光单元21安装于第一阶梯部101上，第一发光模块2还包括与多个所述第一发光单元21一一对应的多个第一反射镜22和与多个第一发光单元21一一对应的多个第一准直透镜23，第一反射镜22、第一准直透镜23安装在第二阶梯部102上；第二发光模块3包括多个第二发光单元31，第二发光单元31安装于第四阶梯部104上，第二发光模块3还包括与多个所述第二发光单元31一一对应的多个第二反射镜32和与多个第二发光单元31一一对应的多个第二准直透镜33，第二反射镜32、第二准直透镜33安装在第三阶梯部103上；第一阶梯部101与第二阶梯部102相邻，第三阶梯部103与第四阶梯部104相邻，光隔离部分8设置于第二阶梯部102与第三阶梯部103之间。

本发明的一个优选的实施例中，光隔离部分8表面镀有光吸收膜；

本实施例中，第一发光单元21和第二发光单元31的发射波长为400~500nm，数量相同，且相对设置；

本实施例中，多个第一发光单元21的出射光经过第一准直透镜23准直后，经过第一反射镜22进行空间合束，形成第一光路；多个第二发光单元31的出射光经过第二准直透镜33准直后，经过第二反射镜32进行空间合束，形成第二光路；

本实施例中，偏振合束模块4设置在第一光路方向上，所述偏振合束模块包括偏振分光面；当光束从偏振分光面的透射方向入射时，其方向不发生改变；当光束从偏振分光面的反射方向入射时，光束被偏振分光面反射。

本实施例中，壳体上设有光路转向元件6，用于将第二光路转向，使第二光路方向与偏振分光面的反射方向相同，从而使第一光路和第二光路进行偏振合束，并输出合束激光；

本实施例中，壳体上设有吸光结构7；所述吸光结构7包括反射部71和吸收部72，其中，反射部71位于所述偏振分光面的反射方向上，多光路激光中的s偏振光经过所述偏振合束模块后进入吸光结构7中；

本实施例中，激光器的输出模块5包括设置于水平面上的聚焦透镜51和输出光纤52，合束激光经过聚焦透镜51后耦合进入输出光纤52中。

如图5和图6所示，本实施例中，所述聚焦透镜51为非球面平凸透镜，平凸非球面透镜朝向输出光纤的一面为平面、背向输出光纤的一面为非球凸面。

本实施例中，输出模块5还包括光阑（未画出），所述光阑设置于非球面透镜51与输出光纤52之间。

接下来对本实施例的有益效果进一步进行说明：

当激光器工作时，多个第一发光单元21的出射光经过第一准直透镜23准直后，经过第一反射镜22进行空间合束，形成第一光路；多个第二发光单元31的出射光经过第二准直透镜33准直后，经过第二反射镜32进行空间合束，形成第二光路；

由于激光器出射光快慢轴发散角的差异，第一发光单元21的出射光即使经过准直，也不能确保完全入射第一反射镜22中，因此，第一发光单元21的出射方向上即会产生一部分杂散光；相似的，第二发光单元31的出射方向上也会产生一部分杂散光；可见，当发光单元进行空间合束时，发光单元自身原因造成的杂散光对其出射方向上影响最大，对其侧面和背面影响最小。

因此，设置于第二阶梯部102与第三阶梯部103之间的光隔离部分8使得相对设置的第一发光单元21和第二发光单元31的出射光导致的杂散光不会相互影响，显而易见的是，即使当第一发光单元21和第二发光单元31不相对设置，即在任意非平行设置的第一发光单元21和第二发光单元31的情形，这一技术效果仍然存在。

当第一光路与第二光路通过偏振合束模块进行合束时，虽然第二光路的偏振度较高，可以达到95%-98%，但仍会产生一定的功率损失，这些功率损失将会以杂散光的形式在壳体中进行反射，这一部分损失相比于发光单元自身原因造成的杂散光，对发光单元的危害更大，当杂散光进入发光单元时，会导致发光单元输出异常，严重时可能导致发光单元损毁。因此，在壳体上设置吸光结构，使多光路激光中s偏振光经过所述偏振合束模块后进入吸光结构中，可以大大减小这一问题的影响；同时，吸光结构包括反射部和吸收部，所述吸光结构的反射部位于所述偏振分光面的反射方向上，可以有效利用壳体前端的空间，不会使激光器壳体的宽度过大。

当合束激光聚焦输出时，由于不同发光单元出射光到达聚焦透镜时的光程不同，使聚焦透镜在空间上的聚焦效果并不一致，从而导致杂散光的产生。因此，使用非球面透镜和光阑的设计，能够提升聚焦效果，减小聚焦输出过程中杂散光的产生及其影响，进而增加激光器输出的耦合效率，提升激光器输出的光束质量，同时避免激光器因为回返光而导致的输出异常。

实施例2：

如图6和图7所示，本实施例提供了一种基于偏振合束的多光路激光器，包括：壳体1、第一发光模块2、第二发光模块3、偏振合束模块4以及输出模块5；

壳体1上设有水平面、第一阶梯部101、第二阶梯部102、第三阶梯部103、第四阶梯部104和光隔离部分8，第一发光模块2包括多个第一发光单元21，第一发光单元21安装于第一阶梯部101上，第一发光模块2还包括与多个所述第一发光单元21一一对应的多个第一反射镜22和与多个第一发光单元21一一对应的多个第一准直透镜23，第一反射镜22、第一准直透镜23安装在第二阶梯部102上；第二发光模块3包括多个第二发光单元31，第二发光单元31安装于第四阶梯部104上，第二发光模块3还包括与多个所述第二发光单元31一一对应的多个第二反射镜32和与多个第二发光单元31一一对应的多个第二准直透镜33，第二反射镜32、第二准直透镜33安装在第三阶梯部103上；第一阶梯部101与第二阶梯部102相邻，第三阶梯部103与第四阶梯部104相邻，光隔离部分8设置于第二阶梯部102与第三阶梯部103之间。

本发明的一个优选的实施例中，光隔离部分8表面镀有光吸收膜；

本实施例中，第一发光单元21和第二发光单元31的发射波长为400~500nm，数量相同，且相对设置；

本实施例中，多个第一发光单元21的出射光经过第一准直透镜23准直后，经过第一反射镜22进行空间合束，形成第一光路；多个第二发光单元31的出射光经过第二准直透镜33准直后，经过第二反射镜32进行空间合束，形成第二光路；

本实施例中，偏振合束模块4设置在第一光路方向上，所述偏振合束模块包括偏振分光面；当光束从偏振分光面的透射方向入射时，其方向不发生改变；当光束从偏振分光面的反射方向入射时，光束被偏振分光面反射。

本实施例中，壳体上设有光路转向元件6，用于将第二光路转向，使第二光路方向与偏振分光面的反射方向相同，从而使第一光路和第二光路进行偏振合束，并输出合束激光；

本实施例中，壳体上设有吸光结构7；所述吸光结构7包括反射部71和吸收部72，其中，反射部71位于所述偏振分光面的反射方向上，多光路激光中的s偏振光经过所述偏振合束模块后进入吸光结构7中；

本实施例中，激光器的输出模块5包括设置于水平面上的聚焦透镜51和输出光纤52，合束激光经过聚焦透镜51后耦合进入输出光纤52中。

本实施例中，激光器还包括反馈传感器9，所述反馈传感器设置于壳体1上，具体的，所述反馈传感器9为光传感器，所述光传感器设置于吸收部72的端部。

本发明的其他实施例中，反馈传感器9可以设置于壳体后端。

本发明的其他实施例中，反馈传感器9可以是温度传感器、压力传感器或位移传感器。

如图8所示，本实施例还提供一种基于偏振合束的多光路激光器的输出控制方法，应用于本实施例的基于偏振合束的多光路激光器，包括以下步骤：

S1、获取激光器的工作电流；

S2、根据激光器的工作电流，计算激光器的第一输出功率；

S3、获取反馈传感器读取的参量信号，具体的，获取光传感器读取的吸收部72的端部的光强度信号；

S4、根据参量信号，计算激光器的第二输出功率；

步骤S4中，激光器的第二输出功率为基于吸收部72的端部的光强度信号计算的激光器输出功率，由于第二光路的偏振度是较为稳定的数值，基于吸收部72的端部的光强度信号计算的激光器输出功率与真实的输出功率之间差值可以维持在较小范围。

本发明的一个其他实施例中，根据参量信号，计算激光器的第二输出功率的方法为预先根据激光器自身参数，拟合激光器输出功率与参量信号关系曲线，进一步根据关系曲线和实际读取的参量信号计算激光器的输出功率。

S5、当满足预设条件时，判定激光器工作状态异常，并调整激光器工作参数；

所述预设条件为：满足第一条件，第二条件和第三条件中任意一项：

第一条件：第一输出功率小于第一预设阈值；

第二条件：第二输出功率大于第二预设阈值；

第三条件：第一输出功率与第二输出功率的差值绝对值大于第三预设阈值。

综上所述，本发明实施例在多光路激光器中设置隔离部分，并在壳体上设置吸光结构，减少了壳体环境中发光单元因光学元件而产生的杂散光，从而提高激光器的工作稳定性和使用寿命，这一效果在双排光路的激光器中尤为明显。本发明实施例的输出部分采用非球面透镜和光阑的设计，能够增加激光器输出的耦合效率，提升激光器输出的光束质量，同时避免激光器因为回返光而导致的输出异常。本发明实施例在吸光结构中设置传感器，利用了偏振合束模块非理想合束的特性，即未进入偏振合束模块的激光仍具备较好的方向性，并使基于传感器的功率预测数值更为准确，有效实现激光器的输出功率控制，进一步增加了激光器的工作稳定性和使用寿命，同时避免了在激光器输出后采样造成的效率损失。

实施例3：

本实施例提供一种焊接设备，包括箱体，半导体激光器，供电模块，供冷模块，其中，半导体激光器为本发明实施例1或实施例2所述的基于偏振合束的多光路激光器，其结构已经在本发明实施例1、实施例2中进行过详细描述，此处不再赘述。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

显然，上述所述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本发明不限于上述实施例的细节，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆视为不脱离本发明的专利范畴。