[发明专利]用于处理材料的激光系统和方法

说明书

多波长激光处理系统配置有多波长激光源，用于产生多波长的同轴激光处理光束。激光处理系统还包括多波长光学系统，以将同轴激光处理光束递送到工件表面上的激光‑材料相互作用区，使得处理光束中的第一激光波长和第二激光波长中的每个激光波长作为相应的第一同心激光斑和第二同心激光斑至少照射相互作用区的一部分。多波长光学系统包括多波长光束准直器、可配置的彩色光学器件和激光处理聚焦透镜，其中可配置的彩色光学器件提供对第一激光波长和第二激光波长的相对焦距的调整。

技术领域

本公开涉及一种成本高效的光纤激光系统和方法，用于在基波波长和谐波波长的光束同轴地通过透镜系统传播的情况下处理材料。更具体地，本公开涉及独立地控制基波和谐波光束参数。

背景技术

激光处理与各种材料相关联，包括聚合物、金属、玻璃和陶瓷。选择用于每种材料的激光类型以匹配材料的光学吸收特性。然而，这对于许多材料来说并不简单，因为它们具有显著不同的性质。一些材料具有反射某些波长的表面，但是在某些热条件下，允许以其他方式反射的光束传播通过。其他材料还选择性地吸收某些波长。然而，其他材料根本不能通过一组波长有效地处理，而另一组波长对于处理这些材料非常有效。

许多产品由表征为在紫外(UV)到红外(IR)波长范围内具有高反射率的材料制成。该组材料包括硅(Si)、铜(Cu)、青铜、黄铜、铝(A1)、具有镜面抛光的不锈钢、银(Ag)、金(Au)、铂(Pt)和上述材料的合金。这些材料在室温下可以反射高达92％的可见光和高达98％的红外辐射。不用说，上述材料以及其他类似材料在许多工业应用中是至关重要的。

US 2013/0134139公布申请(US′139)是一种认识到上述问题的公布。它公开了一种光纤激光系统，用于通过激光产生的700-1200nm波长范围内的光处理高反射材料。该参考文献公开了一种概念上的简单过程，包括用相应的基频和双频处的两个光束同时照射感兴趣的材料。处于倍频处的绿色光束熔化被照射的表面，导致在基频处更高效地吸收IR光。在感兴趣的材料的两个不同频率处的这种照射例如根据US 5083007在本领域中是公知的，。

US′139中公开的解决方案包括通过在每个脉冲的短的初始时段内抑制IR光强度来控制时间脉冲形状，这导致IR光束进入绿色光束的更高的波长转换效率。所产生的绿色光束将被照射材料的温度升高到熔化温度，这增加了红光的吸收。通过最小化IR光的峰值功率到每个脉冲的结束来控制初始峰值功率尖峰之后的每个脉冲的功率分布。

考虑到US′139公开的方法和设备的操作，对于评估其成本效率是有帮助的。在大的工业规模上，能够有效运转的相对低成本的设备转化为更高的利润。在对感兴趣的材料进行激光处理过程的背景下，低成本且有效运转的激光系统包括挑战设计者的过多考虑因素。例如，与US 5083007的钕YAG激光器相比，光纤激光器由于其低成本、低维护和提高的效率而对工业制造市场产生显著影响。US′139教导准连续光纤激光器可能有一些缺点，这会抬升其成本效率。为了在短时间内实现高转换效率，该参考文献教导了一种与期望的高转换效率相关联的相干窄带激光器。然而，光谱宽度小于2nm的窄带光纤激光器可能具有高成本，并且峰值功率较低。控制脉冲功率分布需要复杂的控制电路，这可能仅增加所公开设备的成本。总之，所公开的设备对于大规模材料激光处理业务可能在经济上不具吸引力。

因此需要一种简单、成本高效的材料处理激光系统。

还需要一种简单、成本高效的材料处理光纤激光系统，以高效地处理金属、电介质或复合材料，这些材料不能很好地处理或在光纤激光器的基频处以过大的平均功率处理。

还需要一种简单、成本高效的模块化材料处理光纤激光系统，其可操作为限制耦合到材料中并通常以热量形式消散的平均激光功率或脉冲能量。

还需要上述的光纤激光系统，其配置有光束引导光学器件，其可操作为提供用于能量高效处理的必要条件。

发明内容