激光光束質量對光束傳輸聚焦和加工質量的影響.pdf

1、現(xiàn)代激光制造技術的研究、開發(fā)、應用及產業(yè)化對國民經濟的發(fā)展具有巨大的推動作用。高能量和高品質是對制造用激光源提出的基本要求，我國在激光技術的研究方面起步較早，但長期以來多重視激光源的高能量，忽略了其高品質，即光束質量。本文以光束質量為主線，研究了光束質量對激光制造技術貫穿始終的重要作用，提出了以描述激光束聚焦特性為核心的光束質量評價參數(shù)；理論分析，并實驗驗證了光束質量對光束傳輸和聚焦性能的影響；最后，以激光焊接為實例，研究了光束質量對激

2、光加工過程的影響。 論文在總結目前存在的評價激光光束質量參數(shù)的基礎上，根據(jù)對影響激光制造的主要光束特性參數(shù)的分析，以光束空間特性為核心，提出用光束聚焦特征參數(shù)值Kf作為評價激光光束質量的參數(shù)。因為激光作為能源能夠在工業(yè)領域廣泛應用的根本優(yōu)勢就在于它可以通過聚焦獲得極高的能量密度，而Kf值恰恰表征了實際光束的可聚焦能力。論文研究論證了用Kf值評價激光光束質量的實際意義在于兩個方面，一方面它僅僅包含了光束束寬和發(fā)散角，不涉及波長的因

3、素，使不同波長激光束的可加工能力具有可比性；另一方面，Kf值是根據(jù)對光束傳輸路徑上不同位置處束寬實際測量結果的計算值，比其在與基模高斯光束進行比值計算得到的M2因子更簡潔、更有說服力。 根據(jù)矩陣光學變換的ABCD定律，推導出激光束經過單聚焦鏡變換后的成像公式和物像比例公式，并在此基礎上討論光束質量和聚焦系統(tǒng)特性對光束聚焦性能的影響。聚焦光束束腰位置和半徑、聚焦角、焦深、焦點偏移量以及焦點漂移量是描述光束聚焦特性的主要參數(shù)，它們由

4、四個參量共同決定，分別為聚焦前光束的束腰半徑、瑞利長度和聚焦鏡的焦距以及聚焦鏡到光束束腰位置的距離。這四個參數(shù)分別反映了光束本身的特性和聚焦系統(tǒng)特性，光束特性用Kf值描述，聚焦系統(tǒng)特性用焦數(shù)F描述。光束質量對光束傳輸和聚焦的影響在于，高光束質量激光束可以同時保證小光束束寬和長瑞利長度，不僅使激光束可以傳輸更遠的距離，還可以得到小聚焦光斑。光束質量越好，表明激光束的傳輸和聚焦性能越好。實驗所采用的四種激光器不同聚焦特性的測量值與理論計算值

5、具有很好的一致性。 通過理論計算和實際測量，在光束質量不同的四種激光器不同的聚焦狀態(tài)下逐一完成了激光深熔焊接實驗。依據(jù)深熔焊接“小孔”內的能量平衡建立數(shù)學模型，指出激光束的功率密度、焊接速度、入射到小孔壁上激光束的入射角、光束達到工件表面時的光束半徑、在小孔內部不同深度處光束的束寬、材料自身的熱物理性能等參數(shù)主要影響激光深熔焊接結果。光束質量標志了光束參數(shù)特性，它通過對聚焦光束特性的決定性作用，使聚焦光束在相同的工藝條件下獲得了

6、不同的能量密度，進而對激光焊接過程產生影響。光束質量越高，其他條件相同情況下得到的焦斑半徑就越小，能夠在低功率下獲得高能量密度，有效提高加工效率。另外，對于激光焊接應用，不僅要選擇最優(yōu)的焊接工藝參數(shù)，還要根據(jù)激光器的光束質量選擇最優(yōu)焦距的聚焦鏡。根據(jù)錐形小孔模型，推導計算出最佳焦距的計算公式。光束質量越好，可以采用聚焦鏡的最佳焦距越長。但對于某一光束質量激光器，最佳焦距也不具有唯一性，根據(jù)加工條件的不同而不同。 總而言之，光束質