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激光光束对激光加工的影响

时间:2021-02-24 来源:新特光电 访问量:1103

高功率激光加工过程中,影响激光热加工的因素很多,对于激光束,其中主要是焦点功率密度、焦斑形状、光强分布和焦斑漂移等,这些参数不仅与激光输出功率有关,而且更依赖于光束模式的分布和稳定性。

按照激光光束对激光加工的影响,可以把激光加工光束特性参数分成三类:功率特性(激光功率、功率密度、连续或脉冲)、光束特性(光束模式、光束质量、异形光束)、焦点特性(焦点大小、焦点位置、焦深)。

这些光束特性参数并不是独立的,而是相互影响的。同样功率的激光束,光束质量越好,聚焦焦点就越小,焦点的功率密度就越大。同一束激光,采用短焦距聚焦镜,可得到较小的聚焦焦点和较大的焦点功率密度,但是造成像差大,镜片加工困难,短聚焦也容易造聚焦镜污染。采用长焦距聚焦镜,可得到较大的焦斑和较长的焦深,光斑偏移对激光加工的质量影响相对较小。光束质量作为光束特性中最重要的参数之一,对光束能量分布、聚焦焦点大小、功率密度大小等重要参数有很大影响,是评价激光制造系统的关键参数,它不仅标志了激光制造系统的可加工能力,还对激光材料加工过程产生重要的影响。

任何旋转对称的激光束具有三个参数特点:光腰位置Z0、光束束腰半径ω0和远场发散角(半角)θ0。

多种具有特征化的值被用于描述激光束的质量:K因子、光束质量因子(M2)及光束参数积(BPP),这些特征值通过简单计算能相互直接转换。光束参数积是θ0和ω0的乘积,在整个激光传输区域守恒。例如,通过安装透镜或扩束镜来改变光束直径,将会影响光束的发散角。因此,光束参数积用来衡量光束聚焦能力。只有在使用像差或孔径效应的光学系统时才会影响外光路的光束参数积。

光束模式的测量方法

空间光束能量分布分析是一种测量方法,它把构成光束的所有变量合成为一目了然的图象。这个方法适用于一切激光器,而不仅仅是CO2激光器CO2激光器最常用的光束能量分布分析方法是丙烯酸模式烧蚀法。这个方法把未聚焦的光束引向一个丙烯酸靶块,光束能量使丙烯酸材料气化蒸发,而且焦斑轮廓与光束本身的空间能量分布成正比。材料气化形成的轮廓描述了激光束在照射丙烯酸靶块过程中(一般持续若干秒)的空间能量分布。

尽管这个方法已广为应用,但是精度和重复精度在很大程度上依赖于操作者的技巧,还在车间里产生大量的易燃有毒蒸气,必须抽吸出去。而且,采用这个方法无法测量激光束在光路上的瞬时反应,例如可能掩盖了过程最开始时的变化。因此,模式烧蚀法最多只能算是近似描述激光光束的性能。

在过去10年中开发出了一些效果各异的半电子诊断法,其中大多数方法试图对未聚焦的光束取样,也就是将一小部分有代表性的光束引向某种传感器,以此获得主光束的空间能量分布图。就高功率激光应用而论,取样不是采用细小空心管上的微米级小孔,就是采用细金属丝末端的小反射镜,将一小部分原始光束引向一个热电式单元素传感器,然后由这个传感器把吸收的能量转换为比例电信号。

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