高功率激光加工中光束聚焦的分析和模拟.docx
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高功率激光加工中光束聚焦的分析和模拟
图1单透镜聚焦结构
Fig.1Thestructureofthelensfocusing
汽化的物质,以实现切割。
这种结构也可以用作焊接和热处理,此时辅助气体以较低速从喷嘴喷出。
使用透镜聚焦也有一定的限制:
能够透过波长为10.6ttm的C02激光的晶体材料很少,这些有限的可以透过Coz激光的材料因受到机械强度、镀膜性能、吸收率、潮解或价格等各方面的限制,真正能够用于1kW以上连续C02激光器的也只用两三种材料,例如ZnSe和GaAs。
这两种材料与能透过1.06umYAG激光的玻璃透镜相比价格较贵。
另外使用球面透镜聚焦,透镜的球面像差对聚焦性能有一些影响。
平凸透镜和凹凸透镜产生的球差使光束外围部分在不同于光束内部部分的位置上成焦,聚焦后光斑能量分布主要取决于球差,球差越大,能量分布弥散圆越大。
图2和图3分别为模拟的一种ZnSe凹凸透镜聚焦时焦平面上的点列阵图和波前图,从图中可以看出透镜聚焦具有很好的对称性,整个光斑的均方根半径为16.842弘m,几何半径为29.548/zm。
图4为光束交切曲线,可见,透镜聚焦存在较大的像差。
虽然采用非球面透镜和衍射透镜可以减少或消除球差,但使用晶体透镜还有一些其他问题,其中最明显的问题是寿命较短。
晶体透镜都需要镀增透膜,一般来说膜层对激光的吸收远大于透镜本身对激光的吸收。
膜层会吸潮、被污染及被激光损伤。
随着使用时间的延长,膜层对激光的吸收也越来越严重,最后无法使用。
使透镜失效的最重要的原因一般不是因为透镜吸收热量过多导致炸裂,而是由于明显的热透镜效应使激光无法有效聚焦。
热透镜效应简单说是激光通过温度分布不均匀的晶体时,由于晶体的面型改变和晶体折射率随温度变化两方面原因引起的光路畸变现象。
透镜吸收的热量一般是通过透镜边缘的冷却面用冷却水散掉,这样就会在透镜表面沿半径方向形成温度梯度,透镜中心温度最高,其外缘温度最低。
对于会聚透镜而言一般一224~
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图2单透镜聚焦点列阵图
Fig.2Thespotdiagramofthelensfocusing
图3单透镜聚焦的波前图
Fig.3Thewavefrontofthelensfocusing
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图4单透镜聚焦的光束交切曲线
Fig.4TheRayFanofthelensfocusing
是中心部分凸出的旋转对称形状,中心部分厚度大于边缘部分。
透镜材料的导热率又比较低,所以当激光束从透镜面垂直方向照射其中心部分时,就会使透镜中心部分首先吸收大量的热,温度急剧升高,当部分热量困难地传导至透镜边缘时又被冷却剂迅速带走。
结果越接近镜子中心,温度值越高,而越接近镜子边缘温度梯度越大。
所以可以假设温度对于平行平面镜的影响,是在原有镜面的面型上叠加一片薄的随温度变化的旋转抛物面透镜。
对于中心厚边缘薄的透镜来说情况则更差,透镜比平面镜有更大的温度梯
度,从而使透镜的聚焦性能急剧变坏[5]。
这样相对于
图13小角度入射球面镜反射聚焦结构
Fig.13Thestructureofsphericalfocusing
3离轴抛物面镜反射聚焦
无论采用什么方式,球面镜聚焦由于球差会影响聚焦效果,即使是轴向入射的光束,也会存在球差的影响,这一点可以从图12看出。
如果采用非球面镜聚焦,则可是使球差得到消除。
非球面镜聚焦消除球差的原理如图14,轴上物点A入射到曲面上的反射点P(z,y,经反射后成理想像于B,曲面要求消除球差,根据费马原理,满足等光程的要求有
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图14无球差曲面原理图
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可见消除球差的等光程面是二次曲面。
当物在无限远时,曲面为抛物面Y2—4缸,厂为有效焦距(EFL[10|。
图15、16和17分别为轴向入射抛物面聚焦时的点列阵图、波前图和光束交切曲线。
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图15抛物面反射聚焦点列阵图
Fig.15Thespotdiagramofparaboloid
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图16抛物面反射聚焦波前图
Fig.16Thewavefrontofparaboloidfocusing
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图17抛物面反射聚焦光束交切曲线
Fig.17TheRayFanofparaboloidfocusing从图中可以看出抛物面聚焦时,焦平面的聚:
光斑均方根和几何半径都为0,子午面和弧失面的差值也均为0,达到理想状态,这与理论分析一致,消除了球差。
所以抛物面反射聚焦常用于对光束聚焦要求较高的加工场合。
4结论
透镜聚焦结构由于具有很好的密闭性,适用于切割加工。
但由于存在热透镜效应,所以在高功率
一227—
激光加工中不使用透射聚焦方式,而是使用冷却效果较好的反射聚焦方式。
球面镜反射聚焦中,较大的球差会影响聚焦效果,因此在对聚焦光斑要求较高的场合,常常使用离轴抛物面反射聚焦方式。
在实际应用中,应根据具体要求选取合适的聚焦方式。
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中国计量出版社,1998,243—244.呈现椭圆形。
当入射角0逐渐减小时,焊点表面熔宽(BW)逐渐减小,而熔长(BL)则迅速增加。
随脉冲能量的增加,焊点表面直径逐渐增加。
在显微镜下观察,焊点中心塌陷越来越明显。
脉冲宽度的增加,使焊点表面直径增加,但脉冲能量的变化对焊点表面直径的影响明显大于脉冲宽度。
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高功率激光加工中光束聚焦的分析和模拟作者:
作者单位:
刊名:
英文刊名:
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