【文章內(nèi)容簡介】 的對焦的準確性不高，對于精細的雕刻不能滿足要求。 本課題是基于工程訓練中心的鐳神 CLS2020 型激光切割機為基本的實驗設備，研究了該設備的激光光路系統(tǒng)和聚焦系統(tǒng)的特點。針對該設備目前采用的對焦方法不能準確的確定焦點位置的缺點，設計了一 套焦點位置觀察裝置。將該裝置與機床光路組成一個對焦系統(tǒng)，以達到在加工不同工件時能夠準確找到焦點平面，提高加工質(zhì)量的目的。本課題在實踐中有著重大的理論意義和應用價值。 9 第二章 激光切割機的聚焦系統(tǒng)研究 2. 1 激光切割機系統(tǒng)構成 激光切割機除具有一般機床所需有的支承構件、運動部件以及相應的運動控制裝置外，主要還應具有激光加工系統(tǒng)，它是由激光器、聚焦系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)三部分組成的。激光器 由激光介質(zhì)、光泵、聚光器和諧振腔組成?，F(xiàn)代用于激光加工的激光器 主要有 Nd： YAG 激光器、 CO2激光器、準分子激光器、大功 率半導體激光器等。其中大功率 CO2激光器和大功率 Nd： YAG 激光器在大型工件激光加工技術中應用較廣：中小功率 CO2激光器和 Nd： YAG 激光器在精密加工中應用較多；準分子激光器多用于微細加工；而由于短脈沖激光與材料的熱擴散相比，能更快地在照射部位注入能量，所以主要應用于超精細激光加工。聚焦系統(tǒng)的作用是把激光束通過光學系統(tǒng)精確地聚焦至工件上，以提高其功率密度，滿足激光加工的要求。 CO2激光器輸出的是紅外線，故要用鍺單晶、砷化嫁等紅外材料制造的光學透鏡才能通過，為減少表面反射需鍍增透膜。圖 為應用于 CO2激光 切割機的透射式聚焦系統(tǒng)。圖中在光束出口處裝有噴吹氧氣、壓縮空氣或惰性氣體 N2 的噴嘴，用以提高切割速度和切口的平整光潔。 激光器 ； ； ； ； ； ； 圖 透射式聚焦系統(tǒng) 10 電氣系統(tǒng)包括激光器電源和控制系統(tǒng)兩部分，其作用是供給激光器能量（固體激光器的光泵或 CO2激光器的高壓直流電源）和輸出方式（如連續(xù)或脈沖、重復頻率等）進行控制。此外，工件或激光束的移動大多采用 CNC 控制。 激光加工技術有效地利用了激光的優(yōu)異性能，正在改變著以往的加工和生產(chǎn)方式，使生產(chǎn)效率大 幅度提高，是機加工中最有競爭力的一種替代手段，在激光 應用中占有重要的地位。激光切割是激光加工行業(yè)中最重要的一項應用技術，它占整個激光加工業(yè)的 70%以上 [1314]。目前已廣泛地應用于汽車、機車車輛制造、航空、化工、輕工、電器與電子、石油和冶金等工業(yè)部門中。 激光光束聚焦理論 采用穩(wěn)定腔的激光器發(fā)出的激光，是一種振幅和等相位面都在變化的高斯球面光波，簡稱高斯光束。之所以稱為高斯光束，是由于光束截面上光強與離軸距離 r 成高斯函數(shù)變化的原因。在由激光器產(chǎn)生的各種模式的激光中，最基本 、應用最多的是基模（ TEM00）高斯光束，它具有以下基本性質(zhì) [15]。 （ 1） 基模高斯光束在橫截面內(nèi)的光場振幅分布按高斯函數(shù)的規(guī)律從中心向外平滑地下降，由中心振幅值下降到 1/e 點對應的寬度，定義為光斑半徑，即 ： ? ? 2200z1 ??????????wwzw ?? （ ） 可見，高斯光束在傳播過程中，光斑半徑隨著傳播距離 z 成非線性變化，其軌跡為雙曲線。在 0?z 處 ， ? ? 0wzw ? ，達到極小值，稱為高斯光束的束腰半徑。同時，波面的曲率中心（等相位面在近軸區(qū)域可視作球面）也隨光束傳播的距離而不斷地改變位置。波面曲率半徑隨傳播距離 z 的變化由以下方程決 定 ： 11 ? ???????????????????2201 ??zwzzR （ ） 可見，當 0?z 時 ， ? ? ??zR ，表明束腰所在處的等相位面為 平面；當 ? ??? 20wz ? 時， ??zR 逐漸減小至最小值為 ? ??? 202 w ，激光束由平面波變?yōu)榍蛎娌?，此時半徑最小。繼續(xù)傳播則 ??zR 又開始增大，至 ??z ，激光束由球面波又變?yōu)槠矫娌?。由公? 還可看出， 0?z 時， ??zR 0，波面凸向 z 軸正向， z 0 時 ??zR 0，波面凸向 z 軸的負向。 根據(jù)式（ ）和（ ），如果己知激光束的束腰位置和束腰半徑，就可以計算任意位置的光斑半徑和波面曲率半徑 R 。在實際應用中，還可以根據(jù)已知的光斑半徑和波面曲率半徑來決定束腰的位置和大小，這只要將式（ ）和（ ）聯(lián)立方程組，求解0w和 z 即可得到如下式的計算： 222201 ??????????Rwww?? （ ） 221 ????????wRRz?? （ ） （ 2） 由于激光束的傳播路徑呈雙曲線形，其中在束腰處光束的截面為最小，離束腰越遠，則光束口徑越大。因此無論是自束腰向左還是向右激光束均是發(fā)散光束。表明激光束是存 在發(fā)散角的。光束發(fā)散角用于表征激光束的空間傳播特性，是激光束方向性的量度，發(fā)散角越小，方向性越好。在激光切割、打孔及微細加工等應用場合要求激光束具有盡可能小的發(fā)散角和高度聚焦性能，以便將激光能量集中在很小的區(qū)域，12 提高功率密度。通常基模高斯光束的發(fā)散角定義為強度下降到中心強度的 1 /e2點對應的全角寬度，即 ? ?022lim wz zwz ??? ???? （ ） 由此可見，基模高斯光束在其傳播軸線附近可以視為一種非均勻球面波，其等相面是曲 率中心不斷變化的球面，振幅和強度在橫截面內(nèi)保持高斯分布。高斯光束及其參數(shù)如圖 所示。 圖 高斯光束及其參數(shù) 對于高斯光束，用幾何光學的理論可以證明，其經(jīng)透鏡變換后仍為高斯光束 [16]。圖 為透鏡對高斯光束的變換示意圖。圖中 P 和 P? ，分別為高斯光束入射在透鏡前和經(jīng)透鏡變換后的波面，其曲率半徑分別為R 和 R? ，光斑半徑分別為 w 和 w? ，束腰半徑分別為 0w 和 0w? ，束腰至透鏡的距離分別為 z 和 z? 。 13 圖 透鏡對激光束的聚焦 [17] 對于透鏡，前、后主面的通光口徑是相等的，這樣一來在兩個主面上的激光束截面半徑是相等的，即 ww ?? 。若透鏡焦距為 f? ，當旁軸球面波通過透鏡時，波前曲率半徑滿足 fRR ???? 111 （ ） 由以上各式聯(lián)立可得高斯光束變換后的束腰位置和束腰半徑為 ? ?? ? 22022??????????????????????wfzffzfz （ ） ?????????????????????????? ????2202220201111?? wffzww （ ） 在上式中，如果 ??z ， 且滿足 ? ? ????????????? ?? 202 wfz 時，式（ ）14 可近似為 fz zffz ffz ?? ???? ????? 由此可得 fzz ???? 111 （ ） 這和近軸光學中的物像關系公式（高斯公式）完全一致。 在激光加工的光學系統(tǒng)中，常使用透鏡來對光束進行聚焦。例如，應用 激光切割、打孔、焊接等都需要把高斯光束聚焦成微小的光點。 由式（ ）可以看出，當入射激光束束腰位于系統(tǒng)物方焦距之前，即 fz ?? 時，出射激光束的束腰半徑 0w? ′隨 z 的增大而單調(diào)地減小，直至 ??z 時有 ???0w ，并由（ ）式可得 fz ??? 。 一般情況下，只要滿足 fz ??? ，由式（ ）就可得到 ? ?zwfw ?? ???0 （ ） 像方束腰的位置為 fz ??? （ ） 式（ ）中像方的束腰半徑與波長成正比，與激光束照在透鏡前主面的光束截面半徑 ??zw 成反比，這個量相當 于普通物鏡的通光口徑，與透鏡焦距成正比。因此，要使像方的束腰半徑為最小，就要加大透鏡被照明的口徑，減小焦距長度，選擇較短的光波長。以 CO2激光器為例，來說明像方束腰半徑的計算。要求像方的束腰半徑為 激光光束在聚焦透鏡上的截面半徑為 ，根據(jù)式（ ）可得所求的透鏡焦距 15 mmwwf ??????? 光學聚焦理論分析 從激光器輸出的光束，盡管具有高方向性、高功率密度，但是在許多加工應用中尚不能達到所需的功率密度。因此，必須通過光學聚焦系統(tǒng)將激光束聚焦在很小的區(qū)域內(nèi)， 才能獲得較高的功率密度，滿足激光加工的要求。 聚焦是激光加工中最常見的一種光學處理，聚焦系統(tǒng)可能只有一個鏡片，也可能由多個鏡片組成。如圖 所示為幾種聚焦系統(tǒng) [18]。 圖 幾種聚焦系統(tǒng)簡圖 圖 （ a）所示為拋物鏡聚焦系統(tǒng)，它僅含有一塊拋物面聚焦反射鏡，聚焦效果較好，經(jīng)常用于大功率激光焊接。圖 （ b）為平面鏡一透鏡聚焦系統(tǒng)，激光經(jīng)過一塊平面反射鏡反射后由透鏡聚焦，其聚焦效果優(yōu)于拋物鏡聚焦，是高精密度激光焊接和激光切割常用的光路。圖（ c）、（ d）、（ e）是三種球面反射鏡聚焦系統(tǒng)的三種 主要形式。該聚焦系統(tǒng)適合焊接環(huán)形焊縫。 在激光切割加工系統(tǒng)中，當功率在 2KW 以下時，多采用平面鏡一透鏡聚焦系統(tǒng)，而且出于加工方便考慮，基本采用球面透鏡。特別是對于 CO2激光，可用的透射材料有限，難以加工用于消像差的不同材料的16 組合透鏡，大多數(shù)采用單透鏡系統(tǒng)。下面詳細介紹平面鏡一透鏡聚焦系統(tǒng)。 反射鏡 反射鏡的功能是改變來自激光器的光束方向。對固體激光器發(fā)出的光束可使用由光學玻璃制造的反射鏡，而對 CO2 氣體激光切割裝置中的反射鏡常用銅或反射率高的金屬制造。對于大功率激光器，反射鏡在使用過程中，為避免反射鏡受光照過熱而損壞，通常需用水進行冷卻。 聚焦透鏡 聚焦透鏡用于把射入激光切割頭的平行激光束進行聚焦，以獲得較小的光斑和較高的功率密度。透鏡經(jīng)常采用能透過激光波長的材料制造。固體激光常用光學玻璃，而 CO2氣體激光因透不過普通玻璃，則采用 ZnSe， GaAs 和 Ge 等材料制造，其中最常用的是 ZnSe。 透鏡的形狀有雙凸形、平凸形和凹凸形三種。透鏡的焦距對聚焦后光斑直徑和焦點深度有很大影響。 當入射激光束 直徑 D 值一定時，存在一個最佳的透鏡焦距 f 值使聚焦光斑直徑 0d 最小。而當入射激光束腰至透鏡的距離遠大于透鏡焦距時，滿足（ ）式，基模高斯光束的發(fā)散角由式（ ）決定，則透鏡聚焦后的光斑直徑為 ： ??? fdfd ???? 40 （ ） 其中， d 為入射在透鏡表面上的激光束直徑。與透鏡焦距密切相關的另一個量是 焦點深度，簡稱焦深。焦深是描述聚焦光束特性的一個參數(shù)。焦深通常有基于光束中心光強變化和基于光斑尺寸變化的定義方法。前者定義方法常根據(jù)激光加工的特性，采用平均功率密度定義方法。即是當光束橫截面的平均功率密度降為束腰光斑的平均功率密度的一半時，該橫截面和焦平面之間的距離的兩倍定義為焦深，此時光束的截17 面積是焦斑面積的兩倍 [19]，在切割中也稱有效切割范圍。規(guī)定在焦深范圍內(nèi)，近似認為功率密度基本相同。后者定義為焦點光斑直徑增加 5%時兩光斑之間的距離。 焦深與聚焦光斑直徑的關系可表示為 [20]： ?? dZ ?? （ ） 此處焦深 Z 定義為焦斑直徑變化 5%兩焦斑的間距。 透鏡的焦距、聚焦光束的焦深與光斑大小的關系為：焦距短，聚焦光斑??；焦距長，聚焦光斑也大，焦深變化也如此。當透鏡焦距增加，使聚焦光斑尺寸增加 1 倍，焦深可隨之增加到 4 倍。 聚焦功率密度 根據(jù)高斯光學理論，經(jīng)透鏡聚焦后在各光束截面上的功率密度為 ? ?22 44 ??? f pdpF ?? （ ） 式中， F 為焦點處光束的功率密度； P 為激光輸出功率。顯然，在0?z 時，由式（ ）知，這時 Dfdd ??40 ?? 光斑直徑最小，功率密度 F 最大，離開焦平面，光斑直徑開始增大，功率密度下降。由此可見，為獲得一定的功率密度，聚焦光學系統(tǒng)的選擇和聚焦后的焦點的位置精確確定很重要。 激光切割的切口寬度同 光束模式和聚焦后光斑直徑有很大的關系。由于激光照射的功率密度和能量密度都與激光光斑直徑 0d 有關，為了獲得較大的功率密度，在激光切割加工中光斑尺寸要求盡可能小，這