[发明专利]光能传输系统、材料加工系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及光传导技术领域，特别是涉及一种基于流体核芯光纤柔性传导光能的光能传输系统以及包括该光能传输系统的材料加工系统及方法。

背景技术

高能量密度的光能在工业生产和科研领域有众多重大应用，比如，高能量密度的激光被用于材料加工、医疗手术等；高亮度的光源被用于照明、加热、促进化学反应等。高能量密度的光能的成功应用需要有效解决其传输与汇聚问题。

光能从光源到最终作用点一般是通过反射镜和各种光束变换透镜来传输汇聚实现的。反射镜等离散光学器件的使用存在零件多、系统复杂、传输特性不稳定、容易漂移，使用不便等问题。

随着柔性光学传输系统的出现，则相对简化了由离散光学器件组成的光能传输系统。目前柔性光学传输系统主要有两大类，一类是将光学反射镜等集成到关节式管子里的光管系统或导光臂系统，另一类是光纤光能传输系统。关节式光管相对于离散光学系统使用方便，但仍存在需要调节控制漂移、尺寸偏大损耗过高等问题。传统的光纤光能传输系统主要使基于全内反射原理通过固核光纤实现光能传输，其已经在激光加工领域获得广泛应用。比如石英实心光纤，可以高效率柔性传输千瓦级CW激光数十米甚至百米距离，然后通过光束调制，用于激光切割、焊接、打孔等领域。但是，长距离(大于1米)柔性光能传输的一系列优点只局限在有限的波长和脉冲长度的光源系统。此外，当传输高能量密度的光能时，传统的固核光纤存在可靠性差、传输效率降低、光纤易于损坏等问题。

目前，能用光纤可靠耦合的激光器发展迅速，包括连续波光纤激光器和固体激光器，以及纳秒、微秒、毫秒级脉冲1064纳米波长激光器等。绿光、紫外脉冲激光器是高端微细加工的主力型激光器，但是由于没有合适的高能量光能长距离传输手段，导致其依赖离散光学器件传输的现状，影响了其市场的进一步扩展。另外，瞬态高能量密度的超短脉冲激光的各种波长传输都存在可靠性问题。

因此，急需一种能够可靠实现高能量密度或大功率光能的远距离传输系统，并在此基础上实现将传输的光能在材料加工端高精度汇聚应用。

发明内容

基于此，有必要针对现有技术的缺陷和不足，提供一种基于流体核芯光纤传导高能量密度光能的光能传输系统以及包括该光能传输系统的材料加工系统及方法，实现高能量密度光能的远距离传输及三维柔性激光加工。

为实现本发明目的而提供的光能传输系统，包括依次设置的光源、入射耦合单元、流体核芯光纤以及输出光调制单元；

所述光源发出的光束沿着所述入射耦合单元、所述流体核芯光纤以及所述输出光调制单元依次传输；

所述流体核芯光纤包括具有第一折射率的流体核芯以及包裹在所述流体核芯外侧的具有第二折射率的外包层，所述第一折射率大于所述第二折射率。

在其中一个实施例中，本发明的光能传输系统还包括流体输入装置；

所述流体输入装置连接所述流体核芯光纤，用于向所述外包层中输入所述流体核芯。

在其中一个实施例中，本发明的光能传输系统还包括控制器；

所述控制器分别与所述光源和所述流体输入装置电连接。

在其中一个实施例中，本发明的光能传输系统还包括冷却装置；

所述冷却装置设置在所述流体核芯光纤的外侧，用于对所述流体核芯光纤进行冷却降温。

在其中一个实施例中，所述外包层为柔性材质。

在其中一个实施例中，所述入射耦合单元包括第一安装腔室以及第一光学透镜组件；

所述第一光学透镜组件设置在所述第一安装腔室内部；

所述光源发出的光束通过所述第一安装腔室中的所述第一光学透镜组件调制后，进入所述流体核芯光纤的入射端。

在其中一个实施例中，所述流体核芯光纤的入射端设置有光纤入射端腔室；

所述流体核芯光纤的入射端固定在所述光纤入射端腔室中。

在其中一个实施例中，所述光纤入射端腔室上设置有流体核芯入口管道；

所述流体输入装置连接所述流体核芯入口管道。

在其中一个实施例中，所述流体核芯光纤的出射端设置有光纤出射端腔室；

所述流体核芯光纤的出射端固定在所述光纤出射端腔室中。

在其中一个实施例中，所述光纤出射端腔室上设置有流体核芯出口管道；

所述外包层中的流体核芯从所述流体核芯出口管道流出。

在其中一个实施例中，所述流体输入装置连接所述流体核芯出口管道；

从所述流体核芯出口管道流出的所述流体核芯，通过所述流体输入装置能够再次从所述流体核芯入口管道流入。