關(guān)于以色列DUMA的光束束腰的概念與測(cè)試方法

時(shí)間：2023-02-06作者：深圳維爾克斯光電有限公司瀏覽：141

在各種現(xiàn)代科學(xué)和工業(yè)激光應(yīng)用中，光束整形技術(shù)可以操縱激光光斑的大小和它的強(qiáng)度分布。然而，由于現(xiàn)實(shí)生活中的缺陷和影響，所設(shè)計(jì)的激光光斑經(jīng)常偏離設(shè)計(jì)目標(biāo)，例如，輸入激光失真、光學(xué)失真、加熱、整體不穩(wěn)定性和非線(xiàn)性效應(yīng)。激光提供了以非常高的精度向目標(biāo)區(qū)域精確地提供大量能量的能力。因此，監(jiān)測(cè)光束功率大小和光束位置對(duì)于高質(zhì)量的結(jié)果和重復(fù)性是非常重要的。




1. 激光傳播的基本原理

當(dāng)光束傳播時(shí)，它的寬度和空間強(qiáng)度分布在空間和時(shí)間上都會(huì)發(fā)生變化，這是由于激光腔的變化以及與光學(xué)元件的相互作用，使其寬度和空間強(qiáng)度分布在空間和時(shí)間上發(fā)生變化?？臻g強(qiáng)度分布是表明激光束在應(yīng)用中如何表現(xiàn)的基本參數(shù)之一；*二個(gè)基本參數(shù)是總的激光功率。

隨著輸出功率的增加，準(zhǔn)確和快速的測(cè)量越來(lái)越難進(jìn)行。理論有時(shí)可以預(yù)測(cè)光束的行為，但透鏡和反射鏡的制造公差以及影響激光腔的環(huán)境條件都需要驗(yàn)證。因此，準(zhǔn)確測(cè)量功率及其沿傳播軸的分布情況是很重要的，尤其是在焦點(diǎn)處，這對(duì)材料加工來(lái)說(shuō)是較重要的。ISO標(biāo)準(zhǔn)11146涵蓋了這些參數(shù)，它定義了用于測(cè)量此類(lèi)光束的方法。




1.1 光束腰和發(fā)散

激光光束在空間中傳播時(shí)，會(huì)發(fā)生橫向發(fā)散。因此對(duì)發(fā)散的預(yù)測(cè)需要進(jìn)行測(cè)量驗(yàn)證。激光光束發(fā)散與衍射理論的預(yù)測(cè)是一致的。在一般情況下，光束發(fā)散可能非常小，不容易辨別，因此需要沿其傳播方向進(jìn)行多次測(cè)量。下面的公式準(zhǔn)確地描述了光束在空間的傳播，使工程計(jì)算能夠預(yù)測(cè)到激光光束沿其傳播軸的特性。這個(gè)模型和符號(hào)與Siegman的開(kāi)創(chuàng)性工作一致（《激光》，大學(xué)科學(xué)出版社）。激光束波前在空間的發(fā)散是根據(jù)以下公式進(jìn)行的。

M2=?W0?/λ

這個(gè)值是高斯和非高斯光束的遠(yuǎn)場(chǎng)角半徑（半角發(fā)散）。值得注意的是，光束直徑和發(fā)散隨距離z的傳播變化是單一參數(shù)Wο的函數(shù)。因此對(duì)于光束是完全高斯的情況，有M2=1。對(duì)于非高斯激光束傳播是兩個(gè)參數(shù)Wο和M2的函數(shù)，其中M2總是大于1。因此，M2參數(shù)是一個(gè)單一的值，描述一個(gè)已知腰部尺寸Wο的一般光束傳播。




1.2 近場(chǎng)與遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散

從下圖可以看出，高斯和非高斯的激光束都不是線(xiàn)性發(fā)散的。在Wο點(diǎn)附近，或腰部位置，發(fā)散角很小，而在遠(yuǎn)離激光腰部的地方，發(fā)散角接近漸進(jìn)極限，如圖3所述。沿著Z軸的區(qū)域，發(fā)散角很低，有時(shí)被稱(chēng)為焦點(diǎn)深度。瑞利范圍被定義為光束半徑發(fā)散的距離，其系數(shù)為√2，并通過(guò)相同的基本公式計(jì)算。

Z?=?W02/λ

- 其中Z?是指從Wο平面?zhèn)鞑サ木嚯x。

- λ是光的波長(zhǎng)。

- Wο是腰部的半徑。

瑞利長(zhǎng)度范圍是近場(chǎng)發(fā)散和中場(chǎng)發(fā)散的分界線(xiàn)。遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散（即激光器規(guī)格中引用的數(shù)字）必須在遠(yuǎn)離瑞利長(zhǎng)度范圍的地方測(cè)量。對(duì)于一束聚焦的光束，從腰部（焦點(diǎn)）到遠(yuǎn)場(chǎng)的距離可以是幾毫米或較少。對(duì)于直接來(lái)自激光器的光束的激光，遠(yuǎn)場(chǎng)距離可以用米來(lái)衡量。需要測(cè)量的基本光束參數(shù)有：

-總光束功率

-在腰部或焦點(diǎn)位置的光束輪廓

-沿著傳播方向的一些光束輪廓，包括大大偏離瑞利長(zhǎng)度范圍的位置



圖1 描述了激光束沿Z軸的傳播和光束輪廓測(cè)量的可能位置




2. 測(cè)量的基本原理

正如我們上面所顯示的，所有的測(cè)量基礎(chǔ)是有能力沿著幾個(gè)交叉點(diǎn)測(cè)量和定義光束寬度和光束輪廓，從而得到激光束所有的特征。因此，定義光束寬度，對(duì)測(cè)量和分析來(lái)說(shuō)是較重要的。




2.1 定義光束的寬度

光束沒(méi)有明確的定義，理論上，在某一位置Z的光束輪廓延伸到無(wú)窮遠(yuǎn)。因此，光束的尺寸不能像一些機(jī)械物體那樣*地被一個(gè)單一的數(shù)字所定義。當(dāng)在與光軸正交的平面上測(cè)量時(shí)，通常使用的光束寬度的定義是光束強(qiáng)度具有其峰值的1/e2（13.5%）的寬度。這是從高斯光束的傳播中得出的，適用于以TEM00基本模式工作的激光器。

然而，許多激光器與**的高斯光束有很大的不同，應(yīng)用這個(gè)簡(jiǎn)單的定義會(huì)導(dǎo)致問(wèn)題。因此，IS011146標(biāo)準(zhǔn)將光束寬度*為強(qiáng)度的*二時(shí)刻點(diǎn)，這個(gè)值是由原始強(qiáng)度計(jì)算出來(lái)的。




2.2 測(cè)量光束寬度的方法

有四種主要類(lèi)型的光束測(cè)量?jī)x器：基于攝像頭的系統(tǒng)，刀口掃描式輪廓儀，狹縫掃描式輪廓儀，和針孔掃描器。每一種都有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。不同的測(cè)量技術(shù)可能導(dǎo)致輕微的不同的輪廓。在某種程度上，掃描式輪廓儀被認(rèn)為是同一家族的，通常是使用光圈的機(jī)械裝置，在激光束上掃描，從而產(chǎn)生傳輸功率與孔徑位置的關(guān)系。這些掃描設(shè)備在分辨率、光束大小（非常小的和大的光束測(cè)量能力）方面有一些優(yōu)勢(shì)，而且它們能夠測(cè)量從深紫外到遠(yuǎn)紅外的大波長(zhǎng)范圍。它們的主要缺點(diǎn)是對(duì)脈沖激光的性能較差。

刀口掃描式輪廓儀的發(fā)展提供了精確的功率測(cè)量能力，并且對(duì)于多個(gè)掃描刀口來(lái)說(shuō)，能夠通過(guò)斷層成像算法進(jìn)行光束重建。照相機(jī)型光束剖面儀對(duì)于激光光束的成像是非常好的，包括連續(xù)和脈沖光束，但有一些限制，在分辨率、功率測(cè)量和波長(zhǎng)范圍方面有一些限制。




3激光材料加工的基本原理

制造技術(shù)的進(jìn)步，以及較快、較準(zhǔn)確的程序的趨勢(shì)，為新的 金屬焊接和切割應(yīng)用的大門(mén)，基于高功率激光器。現(xiàn)在，激光焊接和切割技術(shù)正在被用來(lái)取代舊的工藝，從而提高生產(chǎn)率和降低總體成本。此外，高性能應(yīng)用中對(duì)較高精度的需求，特別是在汽車(chē)行業(yè)，已經(jīng)增加了這些激光器的使用。

這些激光器作為一種較高質(zhì)量和較有效的技術(shù)得到了更多的使用。此外，由于激光焊接和切割是一個(gè)非接觸的過(guò)程，因此，金屬的變形也是一個(gè)非接觸的過(guò)程。同時(shí)，由于激光焊接和切割是一個(gè)非接觸的過(guò)程，部件的金屬變形實(shí)際上是被消除的。特別值得關(guān)注的是光纖激光器，其良好的光束質(zhì)量加上高的CW功率提供了深層穿透力，焊接，以及**的金屬切割能力。對(duì)這些CW激光器進(jìn)行調(diào)制，可以獲得峰值高、平均功率低的脈沖激光器，用于低熱輸入的應(yīng)用。光纖傳輸提供了靈活性，可以集成到傳統(tǒng)的焊接頭、Galvo頭、機(jī)械臂和遠(yuǎn)程焊接系統(tǒng)中。無(wú)論使用何種光束傳輸技術(shù)，光纖激光器都能提供**的性能。保持可靠性的結(jié)果，實(shí)時(shí)測(cè)量其焦點(diǎn)處的光束輪廓是較重要的，也是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。激光材料加工對(duì)光束特性特別敏感，而加工結(jié)果在很大程度上取決于激光的光束質(zhì)量。激光切割和燒蝕特性，如深度和邊緣質(zhì)量，是由光束直徑?jīng)Q定的。在激光焊接中，焊縫特性由材料類(lèi)型決定。光束的功率密度和穩(wěn)定性、聚焦深度等等。此外，熱透鏡等效應(yīng)將直接影響光束質(zhì)量和穩(wěn)定性。

為了進(jìn)一步了解高功率光束剖析的復(fù)雜性，我們將很快描述兩個(gè)主要應(yīng)用的特點(diǎn)：焊接和切割




3.1激光焊接

有許多焊接方法，然而，我們將把注意力集中在沉積焊接上，即用填充材料來(lái)填補(bǔ)兩個(gè)部件之間的間隙。沉積焊接也是一種有用的工藝，適用于表面精加工以及修復(fù)或修改現(xiàn)有部件。在自動(dòng)沉積焊接中，機(jī)器引導(dǎo)填充材料到要焊接的區(qū)域。冷卻后，一個(gè)金屬層會(huì)凝固，并可以進(jìn)行機(jī)械加工。



圖2 描述了一個(gè)典型的沉積式焊接頭

由于保護(hù)玻璃和光斑位置之間的工作距離有限，直接在其機(jī)械外殼中測(cè)量激光束可能非常困難。此外，填充線(xiàn)導(dǎo)板會(huì)**到激光頭和工件之間的自由空間，從而進(jìn)一步限制了工作距離。

3.2激光焊接的原理

聚焦的激光束擊中填充線(xiàn)并加熱材料。它將填充材料加熱到其熔點(diǎn)并融合到要焊接或填充的表面。一旦它完全焊接或填充了工件，這個(gè)過(guò)程就會(huì)持續(xù)下去。沿著預(yù)定的焊接輪廓移動(dòng)激光頭，邊移動(dòng)邊熔化填充材料并進(jìn)行焊接。




3.3激光切割

切割是激光在材料加工中的較大應(yīng)用之一。波長(zhǎng)、功率、光束質(zhì)量和光斑是決定切割動(dòng)態(tài)的一些參數(shù)。就應(yīng)用而言，脈沖激光器被用于薄金屬和非鐵金屬的精細(xì)切割，而連續(xù)激光器則用于切割各種厚材料。波長(zhǎng)為1070nm的光纖激光器是激光切割的理想選擇。




3.4激光切割的原理



圖3描述了激光切割的過(guò)程

聚焦的激光束發(fā)生在工件上，將材料加熱到其熔點(diǎn)甚至是汽化點(diǎn)。一旦穿透工件，切割過(guò)程將通過(guò)激光束在工件輪廓上的移動(dòng)而持續(xù)進(jìn)行。通常情況下，加壓氣體會(huì)將熔化的材料往下吹，使其離開(kāi)切割面。在激光鉆孔中，一個(gè)短的激光脈以高功率融化和汽化材料。總而言之，激光器可以處理各種材料加工任務(wù)。切割應(yīng)用的范圍包括從紙張般薄的半導(dǎo)體芯片的微米級(jí)精確切割點(diǎn)到30毫米厚的鋼材的高質(zhì)量切割。











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