CN117583755A - 一种带测温功能的激光器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光器技术领域，公开了一种带测温功能的激光器，该激光器包括激光模块，用于产生工作激光；分光单元，设置于激光模块和传输模块之间，用于将工作激光透射进入传输模块；传输模块，用于将工作激光输出至应用点，并接收应用点产生的热辐射光，将热辐射光传输至分光单元，分光单元将热辐射光反射至测温模块，测温模块集成在激光模块内，用于根据接收到的热辐射光确定应用点的温度，通过传输模块和分光单元反向传输到激光模块内置的测温模块上，热辐射光和工作激光共用传输模块中的共用同一个传输光路，实现工作激光作用点与测温点高度重合，从而能够准确测得激光作用点的实际温度的精确度。

Description

一种带测温功能的激光器

技术领域

本发明涉及激光器技术领域，特别是涉及一种带测温功能的激光器。

背景技术

在激光应用领域，激光作用点的温度是很关键的参数。如在激光焊接领域，激光能量的稳定性对焊接的效果影响较大，尤其是对温度敏感的材料、元器件等，焊接点的温度稳定性直接反映了激光能量的稳定性，其偏高或偏低都会造成焊接失效、废品率增加。

在目前的激光加工技术中，测温模块和激光模块是分离的，激光光路与测温点的探测光路一般是完全分离的，或是同轴共用一部分，然后通过机械件调试和固定分束镜、棱镜等光学元件的方式确保测温光路和激光的输出光路重合，实现加工和测温。但是，机械加工精度、机械件之间调试精度、安装精度等，以及使用过程中的温度变化、机械振动，都容易导致两个光路的重合度出现偏差，使得激光作用点与测温点产生偏差，从而导致了测量激光作用点的实际温度的精确度较低。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种带测温功能的激光器，以解决现有的激光器测量激光作用点的实际温度的精确度较低的问题。

本发明提供了一种带测温功能的激光器，包括：激光模块，用于产生工作激光；分光单元，设置于所述激光模块和传输模块之间，用于将所述工作激光透射进入所述传输模块；所述传输模块，用于将所述工作激光输出至应用点，并接收所述应用点产生的热辐射光，将所述热辐射光传输至所述分光单元，所述分光单元将所述热辐射光反射至测温模块，其中，所述热辐射光和所述工作激光在所述传输模块中共用同一个传输光路；所述测温模块，集成在所述激光模块内，用于根据接收到的所述热辐射光确定所述应用点的温度。

可选地，所述分光单元采用分光镜，所述分光镜对所述工作激光所处波段的光具有透射作用，对所述热辐射光具有反射作用。

可选地，所述传输单元包括耦合透镜、传输光纤和光束整形单元，所述耦合透镜用于将所述工作激光耦合进入所述传输光纤，所述光束整形单元用于调整所述工作激光的功率密度分布以及光束形状和大小以及将所述热辐射光耦合进入所述传输光纤。

可选地，所述激光模块包括发光单元和反射镜，所述发光单元用于产生所述工作激光，所述反射镜用于将所述工作激光反射至所述分光单元。

可选地，所述测温模块包括滤光片和测温器件，所述滤光片设置在所述测温器件和所述分光单元之间，所述滤光片用于过滤杂散光并将所述热辐射光透射进入所述测温器件，所述测温器件根据接收到的所述热辐射光确定所述应用点的温度。

可选地，所述测温器件为光电转换器件或光谱测量器件。

可选地，带测温功能的激光器还包括温度控制系统，所述温度控制系统分别和所述激光模块与所述测温模块连接，所述温度控制系统用于接收所述测温单元测量的测温结果，并根据测温结果控制所述激光模块产生的工作激光的工作参数。

可选地，所述测温模块通过信号输出线和所述温度控制系统连接。

可选地，带测温功能的激光器还包括控制模块，所述控制模块用于控制所述测温模块在所述激光模块停止工作的时间段对所述热辐射光进行采集分析。

可选地，所述激光模块输出的工作激光为连续输出激光或脉冲输出激光。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

本发明提供的一种带测温功能的激光器，将测温模块集成在激光模块内，激光单元产生的工作激光通过分光单元和传输模块投射到被加工物体的作用点上，作用点的热辐射光反向传输并耦合到传输模块中，通过传输模块和分光单元反向传输到激光模块内置的测温模块上，热辐射光和工作激光共用传输模块中的共用同一个传输光路，不受机械加工精度以及镜片调节精度影响，实现工作激光作用点与测温点高度重合，从而能够准确测得激光作用点的实际温度的精确度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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。

图1是本发明实施例的带测温功能的激光器的结构示意图。

附图标记说明：

1-发光单元；2-反射镜；3-分光单元；4-耦合透镜；5-传输光纤；6-滤光片；7-测温器件；8-信号输出线；9-光束整形单元；10-被加工物体；11-作用点。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

在现有的激光加工技术中，测温模块和激光模块是分离的，激光光路与测温点的探测光路一般是完全分离的，或是同轴共用一部分，然后通过机械件调试和固定分束镜、棱镜等光学元件的方式实现加工和测温。但是，机械加工精度、机械件之间调试精度、安装精度等，以及使用过程中的温度变化、机械振动，都容易导致激光作用点与测温点产生偏差。由于光学元件视场较大，加工点以外的热辐射光也会对温度信号产生一定的影响。这些因素都导致了测量激光作用点的实际温度的精确度较低。基于此，本发明提出了一种带测温功能的激光器。

本发明实施例提供了一种带测温功能的激光器，如图1所示，该激光器包括：激光模块，用于产生工作激光；分光单元3，设置于激光模块和传输模块之间，用于将工作激光透射进入传输模块；传输模块，用于将工作激光输出至应用点，并接收应用点产生的热辐射光，将热辐射光传输至分光单元3，分光单元3将热辐射光反射至测温模块，其中，热辐射光和工作激光在传输模块中共用同一个传输光路；测温模块，集成在激光模块内，用于根据接收到的热辐射光确定应用点的温度。

具体地，激光模块和测温模块位于同一个壳体内，作用点11为工作激光的作用区域，位于被加工物体10上。激光模块产生的工作激光经过分光单元3透射到传输模块，然后经过传输模块将工作激光输出至作用点11，同时，被加工物体10的作用点11的热辐射光也会经过传输模块方向传输到分光单元3，分光单元3对热辐射光具有高反射特性，可以将热辐射光反射至测温模块，测温模块对热辐射光的光谱或辐射强度进行分析处理，得到测温结果，从而实现对激光作用点11温度的实时精确测量。

应当理解的，工作激光的波长没有限制，可以是任何工作物质产生的激光光束。

本发明实施例的带测温功能的激光器，将测温模块集成在激光模块内，激光单元产生的工作激光通过分光单元3和传输模块投射到被加工物体10的作用点11上，作用点11的热辐射光反向传输并耦合到传输模块中，通过传输模块和分光单元3反向传输到激光模块内置的测温模块上，热辐射光和工作激光共用传输模块中的共用同一个传输光路，不受机械加工精度以及镜片调节精度影响，实现工作激光作用点11与测温点高度重合，从而能够准确测得激光作用点11的实际温度的精确度。

本发明实施例的带测温功能的激光器还省去了常见的独立测温光路，节省空间，使得结构更加紧凑。

在一可选实施例中，分光单元3采用分光镜，分光镜对工作激光所处波段的光具有透射作用，对热辐射光具有反射作用。

具体地，分光镜为工作激光高透，其他波段高反的分光器件，为棱镜、平片或其他具有波段分光功能的其他光学器件中的任一种。分光镜对工作激光所处波段的光几乎完全透过，对热辐射光几乎完全反射，因此能够用于将作用点11返回的热辐射光反射至测温模块，同时透射工作激光。

在一可选实施例中，传输单元包括耦合透镜4、传输光纤5和光束整形单元9，耦合透镜4用于将工作激光耦合进入传输光纤5，光束整形单元9用于调整工作激光的功率密度分布以及光束形状和大小以及将热辐射光耦合进入传输光纤5。

具体地，光束整形单元9能够根据实际需要调整优化工作激光的功率密度分布以及光束形状和大小，其可以为非球面透镜、复眼透镜阵列等光学器件。

耦合透镜4及光束整形单元9均为对工作激光及热辐射光波段的高透器件

作用点11受工作激光照射后，产生的热辐射光的辐射强度会随其温度变化而相应改变，其热辐射光会经过光束整形单元9被耦合进传输光纤5内，经传输光纤5传输，再经过耦合透镜4及分光镜后被测温模块所采集，工作激光和热辐射光均在传输光纤5内传播，保证其光路重合。

采用传输光纤5对热辐射光进行传输，光纤本身有芯径和数值孔径的限制，作用点11之外的热辐射很少能通过光纤返回到测温模块上，对光纤传到测温模块上的热辐射光进行分析处理，可以很精确地得到激光作用点11的温度值。

在一可选实施例中，激光模块包括发光单元1和反射镜2，发光单元1用于产生工作激光，反射镜2用于将工作激光反射至分光单元3。

具体地，发光单元1包括多个半导体激光芯片，每个半导体激光芯片设有对应的反射镜2，半导体激光芯片产生的工作激光通过对应的反射镜2反射到分光单元3中。多个半导体激光芯片发出的工作激光依次经过各自对应的反射镜2后，再经过分光镜以及耦合透镜4，耦合进入传输光纤5内，经传输光纤5传输至光束整形单元9，光束整形单元9将整形后的工作激光照射到被加工物体10上的作用点11。

在一可选实施例中，测温模块包括滤光片6和测温器件7，滤光片6设置在测温器件7和分光单元3之间，滤光片6用于过滤杂散光并将热辐射光透射进入测温器件7，测温器件7根据接收到的热辐射光确定应用点的温度。

具体地，测温器件7的测温方式为对热辐射光谱进行分析或是对热辐射强度进行分析。滤光片6为一片或多片不同滤波范围的镜片，为镀膜光学器件或非镀膜器件，如硅片等特殊材料，滤光片6能够将激光器内部的杂散光(包括工作激光)滤除，有效提高测温结果的准确度。

在一可选实施例中，测温器件7为光电转换器件或光谱测量器件。

具体地，测温器件7可以为光电转换器件，光电转换器件可以在选定波长范围内，用所测得的辐射能量转换为电模拟量来确定温度。当测温模块中包括多个测温器件7时，每个测温器件7可以测量不同波长范围的辐射能量，因此可以利用多个不同波长范围的辐射能量的比值来确定温度，多个光电转换器件的测温结果较单个光电转换器件来说更加准确。测温器件7也可以为光谱测量器件，例如光谱仪，由于光谱测量器件能够测量更大波长范围的光谱强度，因此测量结果的准确度要大于多个光电转换器件。

在一可选实施例中，带测温功能的激光器还包括温度控制系统，温度控制系统分别和激光模块与测温模块连接，温度控制系统用于接收测温单元测量的测温结果，并根据测温结果控制激光模块产生的工作激光的工作参数。

具体地，温度控制系统通过信号输出线8接收至少一个测温器件7反馈的激光作用点11的测温结果，并根据测温结果对发光单元1的输出功率、脉冲频率等进行控制，例如，当温度超过规定最高温度的情况下，减小输入电流以降低发光单元1的输出功率。

在一可选实施例中，激光模块输出的工作激光为连续输出激光或脉冲输出激光。

工作激光除连续输出外，也可以采用脉冲光输出的模式。激光器还可以包括控制模块，在控制模块的作用下，测温器件7可以在工作激光停止工作的瞬间对激光作用点11辐射的光谱或辐射强度进行采集分析。其中，控制模块可以直接为上述提及的温度控制系统，也可以为其他任一可达到相同效果的器件，例如单片机等。

在现有技术中，激光光纤输出的光路与测温光纤所在光路并不相同，这样在搭建光路时就需要提高两个光路之间的重合度，如果两光路不完全重合就会导致测温结果的不准确，而本发明实施例的带测温功能的激光器，通过同一光路实现输出和测温，利用分光镜使激光光束直接输出同时能够将辐射光反射至测温器件7，这样可以保证焊接点与测温点是完全重合不存在误差，以此提高测温结果的准确度。

并且本发明实施例的带测温功能的激光器，利用传输光纤5传输热辐射光，可以减少作用点11之外的热辐射对温度信号产生影响，从而增强测温结果的准确性。

综合以上两点，本发明实施例大大提高了测温的精确度并简化了光学结构。

虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种带测温功能的激光器，其特征在于，包括：

激光模块，用于产生工作激光；

分光单元，设置于所述激光模块和传输模块之间，用于将所述工作激光透射进入所述传输模块；

所述传输模块，用于将所述工作激光输出至应用点，并接收所述应用点产生的热辐射光，将所述热辐射光传输至所述分光单元，所述分光单元将所述热辐射光反射至测温模块，其中，所述热辐射光和所述工作激光在所述传输模块中共用同一个传输光路；

所述测温模块，集成在所述激光模块内，用于根据接收到的所述热辐射光确定所述应用点的温度。

2.根据权利要求1所述的带测温功能的激光器，其特征在于，所述分光单元采用分光镜，所述分光镜对所述工作激光所处波段的光具有透射作用，对所述热辐射光具有反射作用。

3.根据权利要求1所述的带测温功能的激光器，其特征在于，所述传输单元包括耦合透镜、传输光纤和光束整形单元，所述耦合透镜用于将所述工作激光耦合进入所述传输光纤，所述光束整形单元用于调整所述工作激光的功率密度分布以及光束形状和大小以及将所述热辐射光耦合进入所述传输光纤。

4.根据权利要求1所述的带测温功能的激光器，其特征在于，所述激光模块包括发光单元和反射镜，所述发光单元用于产生所述工作激光，所述反射镜用于将所述工作激光反射至所述分光单元。

5.根据权利要求1所述的带测温功能的激光器，其特征在于，所述测温模块包括滤光片和测温器件，所述滤光片设置在所述测温器件和所述分光单元之间，所述滤光片用于过滤杂散光并将所述热辐射光透射进入所述测温器件，所述测温器件根据接收到的所述热辐射光确定所述应用点的温度。

6.根据权利要求5所述的带测温功能的激光器，其特征在于，所述测温器件为光电转换器件或光谱测量器件。

7.根据权利要求1所述的带测温功能的激光器，其特征在于，还包括温度控制系统，所述温度控制系统分别和所述激光模块与所述测温模块连接，所述温度控制系统用于接收所述测温单元测量的测温结果，并根据测温结果控制所述激光模块产生的工作激光的工作参数。

8.根据权利要求7所述的带测温功能的激光器，其特征在于，所述测温模块通过信号输出线和所述温度控制系统连接。

9.根据权利要求1所述的带测温功能的激光器，其特征在于，还包括控制模块，所述控制模块用于控制所述测温模块在所述激光模块停止工作的时间段对所述热辐射光进行采集分析。

10.根据权利要求1所述的带测温功能的激光器，其特征在于，所述激光模块输出的工作激光为连续输出激光或脉冲输出激光。