技术领域
[0001] 本实用新型涉及激光设备技术领域，尤其涉及一种万瓦级高功率激光器及其激光输出头。
背景技术
[0002] 随着激光器在更高功率的切割、
焊接等方面的应用越来越普及，对万瓦级的高功率激光输出头的需求越来越大。然而，当前的万瓦级激光输出头大都采用国外的LK-D型结构，其体积庞大、结构复杂，特别是在切割高反射率材料或焊接时，由于激光输出头零部件多，加工零部件及零部件装配过程中容易产生误差
叠加，容易导致激光输出的
同轴度不高。实用新型内容
[0003] 本实用新型为解决上述技术问题提供一种适用于高功率的激光器及其激光输出头，通过卡扣件和光阑件的设置，减少了激光输出头所需要的零部件、同时也简化了零部件之间的装配步骤，进而可以减少零部件加工和装配过程出现的误差的叠加，能够显著提高激光输出的同轴度。
[0004] 为解决上述技术问题，本实用新型提供一种激光输出头，包括：
水冷组件、激光传能组件及内部中空的光阑件；所述水冷组件包括由主壳体和卡扣件装配而成的
外壳以及收容于所述外壳内的水冷件，所述激光传能组件包括传能光纤和
石英端帽；所述卡扣件远离所述主壳体一端的内壁设有限位部，所述光阑件借助所述限位部
定位和固定于所述外壳内，所述水冷件和所述石英端帽位于所述光阑件两侧并借助所述光阑件定位和同轴固定于所述外壳内，所述传能光纤依次穿过所述水冷件和所述光阑件后与所述石英端帽同轴连接。
[0005] 进一步地，所述光阑件一端外部形成有与所述水冷件端部结构相适配的第一安装部、另一端内部形成有与所述石英端帽结构相适配的第二安装部，所述水冷件定位和固定于所述第一安装部，所述石英端帽定位和固定于所述第二安装部；所述光阑件的第二安装部的外侧形成有
支撑部，借助所述支撑部所述光阑件抵接于所述卡扣件内壁。
[0006] 进一步地，所述石英端帽包括表面做磨砂处理且锥面
角度为45度的截头圆锥段、设置于所述截头圆锥段小径端且表面做
抛光处理的第一圆柱段以及设置于所述截头圆锥段大径端且表面做抛光处理的第二圆柱段，所述第一圆柱段邻近所述水冷件设置；所述光阑件的第二安装部具有与所述石英端帽的第一圆柱段、截头圆锥段及至少部分第二圆柱段结构相适配的结构，所述石英端帽第一圆柱段、截头圆锥段及第二圆柱段至少部分插接固定于所述第二安装部并被所述第二安装部所包裹，所述传能光纤依次穿过所述水冷件和所述光阑件后与所述石英端帽的第一圆柱段同轴熔接。
[0007] 进一步地，所述水冷件外壁形成有双螺旋结构的冷却槽，两个所述冷却槽在一端连通、在另一端分别形成进水
接口和出水接口，并且，所述水冷件借助其外壁上形成所述冷却槽的凸起部分抵紧固定于所述外壳内壁；并且，所述水冷件内壁形成有双螺旋结构的沟槽，所述双螺旋结构的沟槽对应嵌套于形成所述双螺旋结构的冷却槽的凸起部分；所述水冷件是由高导热材料经过
黑体化处理而制成的水冷件。
[0008] 进一步地，所述卡扣件形成所述限位部的一端外壁装配有镜头件，所述镜头件包括装配于所述卡扣件上的镜架和装配于所述镜架上的窗口片，所述窗口片平行于所述石英端帽的第二圆柱段的端面设置；所述镜架由可伐
合金镀金而成，所述窗口片由高纯石英材料镀高透膜而成；所述镜架和所述窗口片经
金属化处理后通过金
锡焊焊接成所述镜头件，或者，所述镜架与所述窗口片经无铅低温玻璃焊接成所述镜头件。
[0009] 进一步地，所述水冷件远离所述石英端帽的一端设置有阶梯状的圆台，所述外壳的末端通过所述圆台封闭，所述圆台底部设置有轴向延伸至所述水冷件内部的插槽，所述插槽内插接固定有挡光固定件，所述传能光纤依次穿过所述挡光固定件、所述水冷件后与所述石英端帽的第一圆柱段同轴熔接。
[0010] 进一步地，所述传能光纤邻近所述石英端帽的一段区域形成有第一梯度剥模，所述传能光纤位于所述挡光固定件的一段区域形成有第二梯度剥模，所述第一梯度剥模和所述第二梯度剥模通过
腐蚀或蚀刻的时间、长度、深度、间隔距离而形成；在所述第一梯度剥模和所述第二梯度剥模
位置处设置有监测剥模光的强度和回返光的强度用的光电
传感器；至少在所述挡光固定件上设置有监测
温度用的温度传感器及根据
温度控制通断电用的温控
开关。
[0011] 进一步地，所述激光输出头尾部设置有光纤保护组件，所述光纤保护组件包括包覆位于所述外壳外侧的所述传能光纤的铠缆、固定所述铠缆一端的第一铠缆固定套、固定所述铠缆另一端的第二铠缆固定套以及套设于所述第一铠缆固定套和第二铠缆固定套之间的所述铠缆上的
弹簧，所述第二铠缆固定套安装固定于所述外壳上。
[0012] 为解决上述技术问题，本实用新型还提供一种激光器，所述激光器包括如上述任一项
实施例所述的激光输出头。
[0013] 本实用新型的激光器及其激光输出头，具有如下有益效果：
[0014] 通过设置卡扣件固定主壳体、并利用卡扣件定位和固定光阑件，再利用光阑件对水冷件和石英端帽进行定位和同轴固定，减少了激光输出头需要的零部件及简化了装配步骤，进而减少了零部件加工和装配过程出现的误差的叠加，能够显著提高激光输出的同轴度。
附图说明
[0015] 图1是本实用新型激光输出头第一实施例的立体图。
[0016] 图2是图1所示激光输出头的剖视图。
[0017] 图3是图2所示激光输出头中水冷件的立体图。
[0018] 图4是图2所示激光输出头中水冷件的剖视图。
[0019] 图5是图2所示激光输出头中石英端帽的放大示意图。
[0020] 图6是图2所示激光输出头中光阑件的立体图。
[0021] 图7是图6所示光阑件的剖视图。
[0022] 图8是图2所示激光输出头中卡扣件的立体图。
[0023] 图9是图8所示卡扣件的剖视图。
[0024] 图10是本实用新型激光输出头第二实施例的立体图。
具体实施方式
[0025] 下面结合附图和实施方式对本实用新型进行详细说明。
[0026] 本实用新型可能提及的“前”、“首”指激光输出方向上的输出端一侧，本实用新型可能提及的“后”、“末”、“尾”指激光输出方向上的输入端一侧。
[0027] 本实用新型提供了一种激光器，该激光器具体为光纤激光器，其包括一个如图1所示的激光输出头100。该激光器及激光输出头100尤其适用于万瓦级高功率激光的输出。
[0028] 如图2所示，激光输出头100中激光输出方向为从下往上，回光方向相反。该激光输出头100包括水冷组件和安装于水冷组件内的激光传能组件，水冷组件通过对激光传能组件进行及时的冷却
散热，能够防止由于如回光等原因产生热量堆积而导致的烧光纤或烧激光器的问题。
[0029] 继续参阅图2，该水冷组件包括外壳1和收容于外壳1内的水冷件13，两者在结构上相适配，举例而言，外壳1内部常具备筒状收容空间，水冷件13相应为管状结构（即水冷管）。
[0030] 具体而言，结合图2和图3参阅，水冷件13外壁形成有双螺旋结构的冷却槽131、132，该两个冷却槽131、132实际上是通过在水冷件13外壁形成双螺旋纹的凸起部分130而形成的。其中，该两个冷却槽131、132在一端连通、在另一端分别形成进水接口和出水接口，对于该进水接口和出水接口位置的选择具体可以根据需求而定。外壳1上设置有与水冷件
13中进水接口连接的进水接头111及与水冷件13中出水接口连接的出水接头112，该进水接头111和出水接头112通常与冷水机连接进而构成一个完整的
水循环路径。该水冷件13插入外壳1内时借助其外壁上形成冷却槽的凸起部分130紧密抵接于外壳1内壁进而实现固定，进而该两个冷却槽131、132与外壳1一起构成两个独立的冷却通道以供
冷却液如冷水流通。
参阅图3，冷却液举例先向上流动，再向下流动，冷却液从冷却槽131的进水接口流入时，先从一个方向（如向上）沿着冷却槽131流动，在到达该冷却槽131的端部（如顶部）时进入另一个冷却槽132并掉头（向下）流动，最后从该冷却槽132的出水接口流出。
[0031] 通过设置外壁具有双螺旋结构的冷却槽131、132的水冷件13，增大了冷却液与水冷件13的
接触面积，且冷却液可以直接对外壳11进行
冲击冷却，进而提高散热效率以使得散热及时，能够防止由于回光强烈出现烧光纤或烧激光器的问题。
[0032] 在一较佳实施例中，结合图2和图4参阅，水冷件13内壁也形成有双螺旋结构的沟槽133。更优的，该双螺旋结构的沟槽133对应嵌套于形成双螺旋结构的冷却槽131、132的凸起部分130。这样能够成倍的增加激光的吸收面，且使得凹陷部分即沟槽133能够形成激光吸收井结构，进而形成类黑体，能够将剥模的传能光纤21散射出来的激光完全吸收而不会形成反射，减少高反光对剥模光纤和尾部光纤的损伤，减少多次反射而耦合进纤芯部分的光
能量，同时减少反射回去的激光对激光器中光电部件造成的激光损伤，进而能够提高整个激光器的抗高反能
力。
[0033] 上述实施例中，水冷件13的内、外壁均形成双层双螺旋结构，增大了水冷面与吸光面的面积的同时又拉近水冷面与吸光面的距离，极大的提高了换热率，增加冷却效果，提升了水冷件13内壁损伤
阈值，即使产生强烈回光，也不会出现烧光纤或烧激光器的问题出现。
[0034] 较佳的，较佳的，水冷件13由高导热材料经过黑体化处理而制成。举例而言，可以利用
铝合金或紫
铜等高导热材料通过长时间的
阳极硬质本色
氧化或
电镀枪镍的方式进行黑体化处理。这样能够提高激光吸收率和热交换率，促进及时散热。
[0035] 请结合图2和图5参阅，激光传能组件包括传能光纤21和石英端帽22。石英端帽22设置于外壳1内，并且该石英端帽22与水冷件13同轴设置。其中，石英端帽22为三段式结构，其包括截头圆锥段221、设置于截头圆锥段221小径端的第一圆柱段222以及设置于截头圆锥段221大径端的第二圆柱段223，沿着激光输出方向，该第一圆柱段222、截头圆锥段221及第二圆柱段223依次设置。该第一圆柱段222和第二圆柱段223表面做抛光处理，抛光后直径
精度可以达到正负5微米以内；该截头圆锥段221表面做磨砂处理。第一圆柱段222邻近水冷件13设置，传能光纤21沿着水冷件13的中
心轴穿过水冷件13后与石英端帽22的第一圆柱段222同轴连接。其中，石英端帽22通常采用高纯石英材料制成，其与传能光纤21熔点相近，进而传能光纤21与石英端帽22优选通过如激光熔接或放电熔接的方式熔接在一起。
[0036] 较佳的，截头圆锥段221的锥面角度为45度，由于石英材料的折射率在1080nm波段附近是1.44，全反射角为44度，当回返光以近似平行光的小角度入射到截头圆锥段221的45度磨砂锥面上时，大部分的光会在其45度锥面上形成全反射，经2次反射后近似的沿原光路反射回去，大大提高了产品抗高返回光的能力。
[0037] 较佳的，第一圆柱段222与截头圆锥段221之间可以通过圆弧
倒角224过度，以提高石英端帽22的结构强度。
[0038] 在一具体实施例中，结合图2和图6参阅，外壳1内固设有用高导热材料如紫铜镀金制成的光阑件23，该光阑件23内部为中空结构。其中，该光阑件23一端外部形成有与水冷件13端部结构相适配的第一安装部231，该光阑件23另一端内部形成有与石英端帽22的第一圆柱段222、截头圆锥段221及至少部分第二圆柱段223结构相适配的第二安装部232，该第一安装部231和第二安装部232也为同轴设置关系。
[0039] 其中，该第一安装部231为与水冷件13端部适配的环状槽体，水冷件13插接固定于该第一安装部231。如图7所示，该第二安装部232包括与石英端帽22的第一圆柱段222适配的圆柱状插槽2321、与该圆柱状插槽2321连通且与石英端帽22的截头圆锥段221相适配的截头圆锥状插槽2322及与该截头圆锥状插槽2322相连通且与与石英端帽22的第二圆柱段223相适配的圆柱状插槽2323，进而石英端帽22中第一圆柱段222、截头圆锥段221及第二圆柱段223至少部分插接固定于第二安装部232并被第二安装部232所包裹（贴合），进而传能光纤21依次穿过水冷件13和光阑件23后与石英端帽22的第一圆柱段222同轴熔接。优选地，熔接点位于圆柱状插槽2321内。其中，光阑件23中第二安装部232具备与石英端帽22的截头圆锥段221相适配的（45度）锥面，大部分的回返光会在石英端帽22中截头圆锥段221的锥面上形成全反射，少部分的
透射光经石英端帽22中截头圆锥段221的锥面散射到光阑件23中第二安装部232具备的同为45度的锥面上，降低了光阑件23上回返光的光能量
密度，提高了石英端帽22的散
热能力，并有利于缓解熔接点的热累积，从而在整体上大大提高了激光输出头100抗高回返光的能力。此外，光阑件23固定和定位水冷件13的一端内侧形成有中空的且与第二安装部232（具体为圆柱状插槽2321）连通的截头圆锥状结构234，激光可以散热到截头圆锥状结构234的内部空间中，有利于缓解熔接点的热累积。
[0040] 该光阑件23的设置不仅可以约束激光的光束宽度，而且该光阑件23可以与冷却液进行大表面积的接触进行热交换，极大的提高光阑件23能够承受的激光损伤阈值，此外该光阑件23可以起到对水冷件13和石英端帽22的定位和固定作用，提高激光输出的同轴性。
[0041] 在一具体实施例中，请参阅图2、图8及图9，外壳1包括卡扣件12和装配于卡扣件12一端的主壳体11，卡扣件12与主壳体11之间如通过套接的方式连接。卡扣件12另一端内壁形成有限位部120，光阑件23的第二安装部232端部抵接于限位部120设置以防止其轴向移动，其中，该限位部120举例可以呈阶梯状。进一步地，光阑件23的第二安装部232外侧形成有抵接至卡扣件12内壁的支撑部233以防止其径向移动。该卡扣件12的设计减少了装配部件，大大的减少了
机械加工的公差的叠加，而且起到了对光阑件23的定位和固定作用，利于水冷件13和石英端帽22在光阑件23上的定位和固定，提高了激光输出的同轴度。此外，由于卡扣件12与水冷件13及光阑件23抵接，为水冷组件中的一部分，冷却液可以直接冲击冷却卡扣件12，提高了石英端帽22的散热，减少高功率激光的热透镜效应。
[0042] 在一具体实施例中，卡扣件12形成限位部120的一端外壁装配有镜头件4，卡扣件12与镜头件4之间如通过卡扣的方式连接，该镜头件4对外壳1前端实现了密闭。镜头件4包括装配于卡扣件12上的镜架41和装配于镜架41上的窗口片42，窗口片42平行于石英端帽22的第二圆柱段223的端面设置。其中，镜架41由可伐合金镀金而成，窗口片42由高纯石英材料镀高透膜而成。进一步地，镜架41和窗口片42经金属化处理后通过金
锡焊焊接成镜头件
4，或者，镜架41与窗口片42经无铅低温玻璃焊接成镜头件4。该镜头件4能够经受100N的压力并能够耐受400度高温，解决了常规结构组装的
螺纹碎屑和高频振动时松脱晃动的问题。
[0043] 在一具体实施例中，如图2和图3所示，水冷件13远离石英端帽22的一端设置有阶梯状的圆台134，外壳1的末端通过圆台134封闭，进一步地，圆台134底部设置有轴向延伸至水冷件13内部的插槽，插槽内插接固定有挡光固定件3，通常该挡光固定件3部分插入水冷件13内。传能光纤21依次穿过挡光固定件3、水冷件13后与石英端帽22的第一圆柱段222同轴熔接。
[0044] 较佳的，该挡光固定件3由可伐合金镀金而成，可以在该挡光固定件3尾部点胶固定传能光纤21，该点胶位置因为可伐合金的低
热膨胀系数，能够极大的减少结构件和胶水的热
应力对传能光纤21的影响。更优的，挡光固定件3插入水冷件13内部的一端凸起形成有圆弧面，可以将回返光以球面反射的形式反射到水冷件13的内壁上，降低回返光对尾部光纤的损伤。
[0045] 进一步地，如图2所示，可以在外壳1与水冷件13后端的圆台134之间设置防水胶圈51，并在挡光固定件3与圆台134之间设置防水胶圈52，以防止冷却液从相应接触位置泄露。
同时，也可以在外壳1与水冷件13前端之间，具体在外壳1与光阑件23（第二安装部232）之间设置防水胶圈53，以防止冷却液从相应接触位置泄露。
[0046] 在一具体实施例中，传能光纤21带有梯度剥模。具体而言，传能光纤21邻近石英端帽22的一段区域形成有第一梯度剥模，传能光纤21位于挡光固定件3的一段区域形成有第二梯度剥模，第一梯度剥模和第二梯度剥模通过腐蚀或蚀刻的时间、长度、深度、间隔距离而形成。
[0047] 在一较佳实施例中，可以在第一梯度剥模和第二梯度剥模位置处分别设置用于监测剥模光的强度和回返光的强度的
光电传感器（图未示），该光电传感器在需要使用时与外部的激光器主控板电连接。
[0048] 进一步地，继续参阅图2，至少可以在挡光固定件3上设置一个用于监测温度的温度传感器61及用于根据温度控制通断电（温度高断电，温度低通电）的温控开关62，该温度传感器61可以是热敏
电阻，该温度传感器61和温控开关62在需要使用时与外部的激光器主控板电连接。此外，前述的光电传感器也可以装设于安装温度传感器61的位置。
[0049] 在一较佳实施例中，如图10所示，激光输出头100尾部设置有用于保护传能光纤21的光纤保护组件7。具体而言，该光纤保护组件7包括包覆位于外壳11外侧的传能光纤2121的铠缆71、固定铠缆71一端的第一铠缆固定套72、固定铠缆71另一端的第二铠缆固定套73以及套设于第一铠缆固定套72和第二铠缆固定套73之间的铠缆71上的至少一个防止铠缆71弯折的弹簧74，该第二铠缆固定套73安装固定于外壳11末端，即外壳11靠近挡光固定件3的一端。
[0050] 本实用新型还提供了一种如上述任一项实施例所述的激光输出头。对于激光输出头的描述具体请参阅前文所述的激光输出头，此处不再一一赘述。
[0051] 本实用新型的激光器及其激光输出头，具有如下有益效果：
[0052] 通过设置卡扣件12固定主壳体11、并利用卡扣件12定位和固定光阑件23，再利用光阑件23对水冷件13和石英端帽22进行定位和同轴固定，减少了激光输出头所需要的零部件同时简化了装配步骤，进而可以减少零部件加工和装配过程出现的误差的叠加，能够显著提高激光输出的同轴度。
[0053] 以上仅为本实用新型的实施方式，并非因此限制本实用新型的
专利范围，凡是利用本实用新型
说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。
