具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1，示出了本发明的一种激光器实施例一的结构图，具体可以包括：

用于提供泵浦光的泵浦组件1，有源光纤2，光纤输出器件3；

所述有源光纤2用于部分吸收泵浦光，对信号光进行放大，所述有源光纤2的纤芯用于传输信号光，所述有源光纤2的包层用于传输未被吸收的泵浦光；所述光纤输出器件3用于传输所述有源光纤2输出的复合激光。

本发明实施例的激光器可以为全光纤结构的激光器，即激光器内部的器件通过光纤连接，或自带光纤进行连接。

本发明实施例中，有源光纤2的吸收率可以为大于0且小于15dB，通过将有源光纤2的吸收率设置为大于0且小于15dB，可以使得泵浦光只是小部分被吸收。在一种示例中，有源光纤2的吸收率可以设置为大于0且小于10dB。在另一种示例中，有源光纤2的吸收率可以设置为大于0且小于8dB。

有源光纤2的吸收率(dB)由光纤长度(m)和光纤本身的吸收系数(dB/m)决定，因此可以通过设置有源光纤2的长度来调整吸收率，因此相比于现有的光纤激光器，本发明实施例中的有源光纤长度更短。本发明实施例中，有源光纤2的长度可以小于50米。在一种示例中，有源光纤2的长度可以小于30米。在另一种示例中，有源光纤2的长度可以小于20米。在另一种示例中，有源光纤2的长度可以小于10米。

本发明实施例中，有源光纤包括一纤芯和双包层或多包层。

本发明实施例中，有源光纤的纤芯还用于传输漏入纤芯的泵浦光，有源光纤的包层还用于传输漏入包层的信号光。

在一种示例中，泵浦光和信号光的波长不同，信号光的中心波长可以为1030-2140nm，泵浦光的中心波长可以为915-1550nm。在另一种示例中，信号光的中心波长可以为1080nm，泵浦光的中心波长可以为915nm。

本发明实施例中，泵浦光和信号光保持在同一光纤中传输，光纤的纤芯和包层的能量传输形成一种点环状的能量分布模式。点环状是指由中心的一点以及围绕中心的一个或多个圆环的形状。

一种典型的点环状的能量分布的复合激光为草帽形激光，如图2所示为实际状态下一种复合激光能量分布示意图。外沿部分激光的能量分布呈平顶分布，中心部分激光的能量分布呈高斯分布或类高斯分布。如图3所示为理想状态一种复合激光能量分布示意图。复合激光包括中心部分激光和外沿部分激光，中心部分激光大部分为高亮度的信号光，可以是来自有源光纤2的纤芯输出的信号光。在实际中，从有源光纤的包层外泄的泵浦光也可能传输到纤芯。中心部分激光的功率，与泵浦功率和有源光纤参数(包括芯径、数值孔径NA、吸收率、掺杂物质、长度)有关。

外沿部分激光呈环状，外沿部分激光的功率密度较中心部分激光低，亮度也低，外沿部分激光可以是来自有源光纤2的包层传输的未被吸收的泵浦光。在实际中，从有源光纤2的纤芯外泄的信号光也可能传输到包层。外沿部分激光的光功率，与泵浦功率和有源光纤参数(包括芯径、吸收率、掺杂物质、长度)有关。

在本发明实施例的一种示例中，外沿部分激光的能量分布呈平顶分布，光束能量均匀的作用在工件表面，多为热传导焊接，表面平滑，但是能量密度低，不易形成小孔效应，因而熔深很浅。中心部分激光的能量分布呈高斯分布或类高斯分布，能量集中，容易形成小孔因而熔深大，在工件表面形成匙孔，但是过程中容易形成飞溅且影响表面成形；两种波长光束结合起来作用于工件，可以发挥各自的优势，在保证一定的焊缝深度的同时，抑制飞溅，提高表面成形。

在一种示例中，中心部分激光和外沿部分激光的波长不同，中心部分激光的中心波长可以为1030-2140nm，外沿部分激光的中心波长可以为915-1550nm。在另一种示例中，中心部分激光的中心波长可以为1080nm，外沿部分激光的中心波长可以为915nm。

在一种示例中，中心部分激光横截面呈点状、方形、圆形或类圆形。

在本发明实施例中，有源光纤2的纤芯中的激光功率与有源光纤2的包层中的激光功率的比例可由有源光纤2的吸收率设置。在实际使用激光器时，由于有源光纤参数是固定的，可以通过独立且连续的调整泵浦功率来调整中心部分激光的功率和边沿激光的功率，从而同时增大或同时减小中心部分激光的功率和边沿激光的功率。

在现有的光纤激光器中，有源光纤的吸收率一般设置为15～20dB，尽可能的吸收泵浦光，以转化为更多的信号光。并且激光器还设置连接于有源光纤与光纤输出器件之间的剥离器，没有被吸收的泵浦光以及在纤芯外的信号光被剥模器损耗掉以保持非常干净的信号光，光斑一般为类高斯光形状。

本发明实施例中，激光器不设置用于剥离没有被吸收的泵浦光和在纤芯外的信号光的剥离器，使得未被吸收的泵浦光能够在包层中传输，构成输出光斑的外沿部分。

相比于现有技术，一方面本发明实施例的激光器可以使得不同波长的信号光和泵浦光在单光纤传输，不需要设置两个或以上的独立激光器，两个单独激光输出头等器件，减少了器件的使用，可以降低成本，并且能够减小激光器的尺寸。另一方面本发明实施例的激光器生成的复合激光为同光轴输出的激光，不需要用到石英来熔接多个光纤激光器输出光纤，对加工方向原理上并无要求，可以简化加工工艺。

本发明实施例中，有源光纤2可以为双包层或多包层有源光纤，光纤输出器件4可以包括双包层或多包层的第一光纤和输出头。

本发明实施例中，第一光纤的包层用于传输有源光纤2中未被吸收的泵浦光，第一光纤的纤芯用于传输有源光纤2中的信号光。

本发明实施例中，第一光纤的包层用于传输有源光纤2中未被吸收的泵浦光以及漏入包层的信号光，第一光纤的纤芯用于传输有源光纤2中的信号光以及漏入纤芯的泵浦光。

复合激光的中心部分激光的光斑参数(包括光斑尺寸和光斑形状)与有源光纤2纤芯参数和第一光纤的纤芯参数有关。其中，纤芯参数包括数值孔径NA。

有源光纤2的纤芯的数值孔径与第一光纤的纤芯的数值孔径通过设计以控制部分信号光进入包层，使得有源光纤2的纤芯的激光传输模式与第一光纤的纤芯的激光传输模式相同。

有源光纤2的包层的数值孔径与第一光纤的包层的数值孔径通过设计以控制部分泵浦光进入纤芯，使得有源光纤2的包层的激光传输模块与第一光纤中对应包层的激光传输模式相同。

多包层光纤的包层可以分为内包层和外包层。对于双包层光纤，其靠近纤芯的包层为内包层，远离纤芯的包层为外包层。对于三包层以上的多包层光纤，最远离光纤的包层为外包层，其余包层为内包层。外包层通常为低折射率材质，不用于传输激光。

在本发明实施例中，在有源光纤2的多个包层中，除外包层之外的包层可以用于传输未被吸收的泵浦光。在多包层的第一光纤的多个包层中，除外包层之外的包层用于传输未被吸收的泵浦光。

在一种示例中，有源光纤2的包层数量可以与第一光纤的包层数量相同。

在另一种示例中，有源光纤2的包层数量可以小于第一光纤的包层数量，在该示例中，有源光纤2与第一光纤通过拉锥或直接熔接方式匹配设置，使有源光纤2包层中传输的包层光可按照设计要求进入第一光纤的特定包层中。例如，有源光纤为双包层，第一光纤为四包层。从有源光纤2的包层传输的激光可以扩散到第一光纤的至少一个包层中传输。具体地，有源光纤与第一光纤可以通过光纤包层单独拉锥处理或包层和纤芯的同时拉锥匹配光纤尺寸和NA设置，使有源光纤包层中传输的泵浦光可进入第一光纤的至少一个包层中。

在本发明实施例中，光纤输出器件4还可以包括剥离器；剥离器用于剥离在第一光纤的最外一层或最外多层包层中传输的激光，具体可以根据实际需要剥离不需要的包层光。

如图4所示为理想状态下另一种复合激光能量分布示意图。如图所示的点环状能量分布的复合激光也可以称为草帽型激光，包括中心部分激光和一个环带的外沿部分激光，中心部分激光的功率大于边沿部分激光功率。中心部分激光与外沿部分激光之间可以具有凹陷部分，凹陷部分是由于其中不具有能量或只有很低的能量(其仅提供杂散辐射或者根本不提供激光辐射)。凹陷部分与外沿部分激光都呈现环状的能量分布。

具体的，可以通过配合特殊的光纤产品产生凹陷，例如标准QBH传能光纤。比如QBH传能光纤某一部分为掺F的低折射率层，凹陷发生在这个部分。

如图5所示为理想状态下另一种复合激光能量分布示意图。如图所示的点环状能量分布的复合激光也可以称为草帽型激光，包括中心部分激光和一个环带的外沿部分激光，中心部分激光的功率小于边沿部分激光功率，中心部分激光与外沿部分激光之间具有凹陷部分。中心部分激光的功率与边沿部分激光的功率的比值，可以通过调整有源光纤2的吸收率和泵浦光功率来设置。

如图6所示为理想状态下另一种复合激光能量分布示意图。包括中心部分激光、两个环带的边沿激光和两个凹陷环带。

在本发明实施例中，泵浦组件1可以包括多个泵浦光源11和合束器12。

合束器12可以为高功率的N+1：1合束器，包括多个输入光纤和一个输出光纤，每个泵浦光源11可以与一个输入光纤连接，由合束器12将多个泵浦光源输出的泵浦光耦合并从输出光纤输出。

泵浦光源11可以为半导体泵浦光源，也可以为任何光纤输出的激光光源。例如，多个泵浦光源11可以包括半导体激光、直接半导体激光和短波长光纤激光中的至少一种。如多个泵浦光源11可以都是半导体激光，或者部分泵浦光源可以为直接半导体激光，剩余部分泵浦光源可以为短波长光纤激光。可以根据实际需要设置泵浦光源的种类。

在本发明实施例中，复合激光的中心部分激光的波长和边沿部分激光的波长，可以根据泵浦光源11的波长和有源光纤2的掺杂元素设置。掺杂元素可以包括镱(Yb)、铒(Er)、铥(Tm)等。

例如，泵浦波长为915nm，有源光纤掺杂Yb，信号光波长可以在1030～1090nm范围内，中心部分激光波长可以在1030～1090nm范围内，波长带宽范围为0.5nm到20nm，功率不小于100W；边沿部分激光波长包括915nm。

多个泵浦光源11可以为相同波长的泵浦光源，也可以为不同波长的泵浦光源。使用不同波长的泵浦光源11，可以生成不同波长组合的复合激光。

在本发明实施例中，所述激光器还可以包括与泵浦组件连接的控制单元，所述控制单元用于控制泵浦光的输出功率，以形成不同能量比例轮廓的复合激光光斑输出。

例如，控制单元可以分别与各个泵浦光源11连接，可以分别控制各个泵浦光源11输出的泵浦光功率。例如，控制单元控制部分泵浦光源11打开或关闭，控制部分泵浦光源11增大或减小输出的泵浦光功率。

在本发明实施例中，激光器还可以包括：连接于有源光纤2与光纤输出器件3之间的第二光纤4，以及连接于合束器12与有源光纤2之间的第三光纤5。

第二光纤4和第三光纤5可以为双包层或多包层光纤，第二光纤4与有源光纤2和光纤输出器件3的第一光纤匹配。具体的，第二光纤4的纤芯可以用于传输信号光，第二光纤4的包层可以用于传输未被吸收的泵浦光。具体的，第二光纤4的纤芯还用于传输漏入纤芯的泵浦光，第二光纤4的包层还用于传输漏入包层的信号光。

在本发明实施例中，复合激光的外沿部分激光的光斑参数(包括光斑形状和光斑大小)和第二光纤4和第一光纤的包层直径和数值孔径NA，以及合束器参数有关。

合束器参数是指制合束器的工艺参数，合束器在制作时，根据所要连接的输入光纤和输出光纤来制作，针对所要连接的输入光纤和输出光纤设置制作工艺参数。在本发明实施例中，合束器参数可以根据连接泵浦光源的输入光纤和第三光纤5来设定，因此第三光纤5对激光器输出激光的影响，可以归结到合束器参数，合束器参数可以包括泵浦光源的输入光纤的参数和第三光纤5的参数。

在实际中，可以根据实际需要，设置第二光纤4的包层直径、数值孔径NA和合束器参数以及第一光纤参数，从而设置激光器输出的复合激光的外沿部分激光的光斑参数。第二光纤4可以与第三光纤5设置相同的光纤参数。

本发明实施例的一种示例中，激光器还可以包括：设置在所述有源光纤两端构成谐振腔的光纤布拉格光栅FBG6。参照图7所示为一种示例中激光器的结构图。

其中，光纤布拉格光栅FBG6可以包括HR(High Reflector，高反射器)FBG和OC(OutCoupler，输出耦合器)FBG，HR FBG设置在泵浦组件1与有源光纤2之间，OC FBG设置在有源光纤2与光纤输出器件3之间，HR FBG和OC FBG构成谐振腔。泵浦光在谐振腔中传输，一部分被有源光纤2吸收，从而生成信号光，另一部分从谐振腔中输出。光纤输出器件3将从谐振腔中输出的激光输出。

本发明实施例的另一种示例中，激光器还可以包括：用于提供信号光的种子光源。参照图8所示为另一种示例中激光器的结构图。种子光源7输出的信号光和泵浦组件1输出的泵浦光传耦合输到有源光纤2，有源光纤2吸收泵浦光对信号光进行放大。

通过种子光源提供信号光的激光器可以称为MOPA(Master Oscillator Power-Amplifier，主控振荡器的功率放大器)激光器。

在该示例中，每个泵浦光源11和种子光源7可以分别与合束器12一个输入光纤连接，由合束器12将多个泵浦光源输出的泵浦光和种子光源7输出的信号光耦合，并从合束器12的输出光纤输出。

可以通过有源光纤2接收从合束器12的输出光纤输出的泵浦光和信号光，由有源光纤2吸收泵浦光对信号光进行放大。

在一种可选实施方式中，有源光纤的长度可以设置为0，即形成将信号光和泵浦光直接用合束器集成输出的结构，通过输出光纤和合束器不同的匹配来选择最终的光斑输出特性。

种子光源7可以包括单谐振腔光纤激光器，或光纤耦合的薄片激光器，或二极管泵浦固体激光器(例如Nd-YAG激光器)，或半导体激光器。

在该示例中，所述激光器还包括与种子光源连接的控制单元，所述控制单元用于调节种子光源的输出功率，以形成不同能量比例轮廓的复合激光光斑输出。

在该示例中，复合激光中心部分激光的波长和边沿部分激光的波长，可以根据种子光源7的波长、泵浦光源11的波长和有源光纤2的掺杂元素设置。

复合激光中心部分激光的功率，与种子光源功率、泵浦功率和有源光纤参数(包括芯径、数值孔径NA、吸收率，掺杂物质，长度)有关。

在实际使用激光器时，由于有源光纤参数是固定的，可以通过独立且连续的调整种子光源功率或泵浦功率来调整中心部分激光的功率和边缘部分激光的功率，从而形成不同能量比例轮廓的光斑输出。

本发明还公开了一种多波长输出激光加工系统实施例，其中，多波长输出激光加工系统可以包括：激光器和一激光加工头，所述激光器包括：

用于提供泵浦光的泵浦组件，有源光纤，光纤输出器件；

所述有源光纤用于部分吸收泵浦光，对信号光进行放大，所述有源光纤的纤芯用于传输信号光，所述有源光纤的包层用于传输未被吸收的泵浦光；

所述光纤输出器件用于传输所述有源光纤输出的复合激光；

所述激光加工头与所述光纤输出器件连接，用于将所述激光器输出的多波长复合激光引导至待加工工件上。

本实施例中的激光器可以参见上述实施例，在此不做赘述。在本发明实施例中，激光加工头可以为单光纤接头激光加工头，光纤输出器件包括单光纤，激光器输出的多波长复合激光通过单光纤传输至单光纤接头激光加工头。这里的单光纤可以为上述的第一光纤。

本实施例的多波长输出激光加工系统可以用于激光焊接、激光熔覆或其他激光应用。通过在激光头输出中心部分和外沿部分两束不同波长的激光，可以由外沿部分激光在加工工件表面形成平整的形貌，由中心部分激光形成深度较大的焊缝。具体地，本实施例的多波长输出激光加工系统可以用于激光连续焊接。

相比于现有技术，一方面本发明实施例的多波长输出激光加工系统不需要设置两个或以上的独立激光器，两个单独激光输出头等器件，减少了器件的使用，可以降低成本，并且能够减小激光器的尺寸。另一方面本发明实施例的多波长输出激光加工系统也不需要用到石英来熔接多个光纤激光器输出光纤，对加工方向原理上并无要求，可以简化加工工艺。

尽管已描述了本发明实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的一种激光器和一种多波长输出激光加工系统，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。