激光光束質(zhì)量對(duì)光束傳輸聚焦和加工質(zhì)量的影響.pdf

1、現(xiàn)代激光制造技術(shù)的研究、開發(fā)、應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有巨大的推動(dòng)作用。高能量和高品質(zhì)是對(duì)制造用激光源提出的基本要求，我國(guó)在激光技術(shù)的研究方面起步較早，但長(zhǎng)期以來多重視激光源的高能量，忽略了其高品質(zhì)，即光束質(zhì)量。本文以光束質(zhì)量為主線，研究了光束質(zhì)量對(duì)激光制造技術(shù)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(zhì)量評(píng)價(jià)參數(shù)；理論分析，并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了光束質(zhì)量對(duì)光束傳輸和聚焦性能的影響；最后，以激光焊接為實(shí)例，研究了光束質(zhì)量對(duì)激

2、光加工過程的影響。 論文在總結(jié)目前存在的評(píng)價(jià)激光光束質(zhì)量參數(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)對(duì)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(píng)價(jià)激光光束質(zhì)量的參數(shù)。因?yàn)榧す庾鳛槟茉茨軌蛟诠I(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的根本優(yōu)勢(shì)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(shí)際光束的可聚焦能力。論文研究論證了用Kf值評(píng)價(jià)激光光束質(zhì)量的實(shí)際意義在于兩個(gè)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(zhǎng)的因

3、素，使不同波長(zhǎng)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(duì)光束傳輸路徑上不同位置處束寬實(shí)際測(cè)量結(jié)果的計(jì)算值，比其在與基模高斯光束進(jìn)行比值計(jì)算得到的M2因子更簡(jiǎn)潔、更有說服力。 根據(jù)矩陣光學(xué)變換的ABCD定律，推導(dǎo)出激光束經(jīng)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(chǔ)上討論光束質(zhì)量和聚焦系統(tǒng)特性對(duì)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(diǎn)偏移量以及焦點(diǎn)漂移量是描述光束聚焦特性的主要參數(shù)，它們由

4、四個(gè)參量共同決定，分別為聚焦前光束的束腰半徑、瑞利長(zhǎng)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(gè)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(zhì)量對(duì)光束傳輸和聚焦的影響在于，高光束質(zhì)量激光束可以同時(shí)保證小光束束寬和長(zhǎng)瑞利長(zhǎng)度，不僅使激光束可以傳輸更遠(yuǎn)的距離，還可以得到小聚焦光斑。光束質(zhì)量越好，表明激光束的傳輸和聚焦性能越好。實(shí)驗(yàn)所采用的四種激光器不同聚焦特性的測(cè)量值與理論計(jì)算值

5、具有很好的一致性。 通過理論計(jì)算和實(shí)際測(cè)量，在光束質(zhì)量不同的四種激光器不同的聚焦?fàn)顟B(tài)下逐一完成了激光深熔焊接實(shí)驗(yàn)。依據(jù)深熔焊接“小孔”內(nèi)的能量平衡建立數(shù)學(xué)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(dá)到工件表面時(shí)的光束半徑、在小孔內(nèi)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(jié)果。光束質(zhì)量標(biāo)志了光束參數(shù)特性，它通過對(duì)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(jìn)而對(duì)激光焊接過程產(chǎn)生影響。光束質(zhì)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(duì)于激光焊接應(yīng)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(zhì)量選擇最優(yōu)焦距的聚焦鏡。根據(jù)錐形小孔模型，推導(dǎo)計(jì)算出最佳焦距的計(jì)算公式。光束質(zhì)量越好，可以采用聚焦鏡的最佳焦距越長(zhǎng)。但對(duì)于某一光束質(zhì)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(zhì)