（光学专业论文）系列轴对称结构co2激光器输出光束分析及整形.pdf

系列轴对称结构c 0 2 激光器输出光束分析及整形 光学专业 研究生刘静伦指导教师李育德 激光作为一种特殊的能源用于加工，有着其它能源不能替代的优点：激光 可以对绝大多数金属和非金属加工；激光作为一种非机械加工刀具，对材料没 有机械压力或机械损害，对环境基本无污染；激光加工不会受到电场或磁场的 干扰：激光加工是非接触式加工，激光可以穿透材料外壁，对其内部进行加工， 也可以对金属刀具难以到达的地方进行加工；激光束可以聚焦到极其细小，对 材料进行精细加工；激光束大小可调，具有很大的柔性。 激光在加工领域表现出来的优势促进了激光加工工艺的发展；同时，加工 领域反过来促进激光器的发展。光束质量是激光制造系统发展、进步的重要标 志。追求高光束质量的大功率激光输出是现代激光制造用激光器不断发展的目 标。高功率和高品质始终是所有制造用高功率激光器发展的两根主线。c 0 2 激 光具有气体激光方向性好的优势。波长处于红外波段的c 伤激光尤其适宜高功 率激光加工。 本文针对一类新型的c 0 2 激光器轴对称结构c 0 2 激光器的输出光束进 行分析和整形，以期能尽可能的满足加工领域的要求。为此，本文主要做了以 下工作： 1 、 分析了系列轴对称折迭组合腔二氧化碳激光器的输出光束。根据旁 轴矩阵以及相干理论，分析t - 维轴对称折迭组合腔二氧化碳激光器和三维轴 对称折迭组合腔二氧化碳激光器的近场输出光束，并傲了数值计算。 2 、 分析了用凹凸红外透镜聚焦三维9 只放电管轴对称折迭组合腔二氧 化碳激光器的输出光束。根据旁轴矩阵、以及分步搜索法寻找到满足输出光束 具有较小的出射角、较长焦深的凹凸红外透镜的光学表面参数。利用所得透镜 的光学表面参数，对聚焦后的光束轮廓做了计算。运用失调理论分析了透镜放 置位置失调的几种情况对输出光束的影响。 3 、分析了用同轴有孔反射系统聚焦三维9 只放电管轴对称折迭组合腔 二氧化碳激光器的输出光束。根据旁轴矩阵、以及分步搜索法寻找到满足输出 光束具有较小的出射角、较长的焦深的同轴有孔反射系统的光学表面参数。利 用所得同轴有孔反射系统的光学表面参数，对聚焦后的光束轮廓做了计算。 4 、分析了一种特殊的轴对称结构二氧化碳激光器，中空圆锥二氧化碳 激光器。运用子束理论，根据该激光器放电管为旋转对称的圆锥形状，数值计 算了中空圆锥二氧化碳激光器的输出光束。用失调理论来描述倾斜入射光学系 统的光束，借助空域中的衍射积分方程，分析了该中空光束被透镜聚焦的特性。 5 、分析了用a b c d 系统将中空圆锥二氧化碳激光器的输出光束整形 为圆柱光束的可能性。由于中空圆锥二氧化碳激光器的输出光束的旋转对称性， 因此，转化为研究一维倾斜的基模高斯光束被a b c d 系统整形为有一定宽度的 强度轮廓均匀分布的平行于光轴z 轴传输的平面波的可能情况。运用能量守恒， 以及光束复参数理论，获得描述用于整形的光学系统的光学复数矩阵元。 关键词：c 0 2 激光器轴对称结构激光加工光束整形 i i a b s 仃a c t a n a l y z i n ga n ds h a p i n go f t h el a s e rb e a m so u t p u t t e d f r o mt h ec a r b o nd i o x i d es e r i e sl a s e r sw i t ht h e a x i s s y m m e t r ys t r u c t u r e m a j o r ：o p t i c s p h dc a n d i d a t e ：j i n g l u nl i u s u p e r v i s o r ：y u d el i a sak i n do fs p e c i a le n e r g ys o u r c ea n du s e di nt h ep r o c e s s i n g ，l a s e rc a l ln o tb e s u b s t i t u t e db yo t h e re n e r g ys o u r c e sw i t hs om a n ym e r i t s t h em e r i t sa r ea sf o l l o w i n g ： 1 ) ，m o s to ft h em e t a la n dn o n m e t a lc a l lb ep r o c e s s e db yl a s e r 2 ) ，a sak i i l do f n o n m e c h a n i c a lp r o c e s s i n gt o o l ，t h ep r o c e s s e dm a t e r i a l su s i n gl a s e rw o n ts u f f e r f r o mt e n s i o no rd a m a g eo ft h em a c h i n e 3 ) ，t h ew h o l ep r o c e s si s b a s i c a l l y e n v i r o n m e n t a l f r i e n d l y 4 ) ，l a s e rp r o c e s s i n gw o n ti n c u rt h ed i s t u r b a n c eo fe l e c t r i c f i e l do rm a g n e t i cf i e l d 5 ) ，l a s e rp r o c e s s i n gi sak i n do f p r o c e s sw i t h o u ta n yt o u c h , s o l a s e rc a nn o to n l yp e n e t r a t et h es u r f a c eo f t h em a t e r i a la n dd ot h ep r o c e s s i n gi n s i d e ， b u ta l s op r o c e s st h ep l a c ew h i c hi sb e y o n dt h er e a c ho f t h em e t a lt 0 0 1 6 ) ，t h ef o c u s e d l a s e rc a nb eu s e di nt h es u b t l ep r o c e s s i n go fm a t e r i a l 7 ) ，l a s e rp r o c e s s i n gi sq u i t e f l e x i b l e ，b e c a u s et h es i z eo f t h el a s e rb e a mc a r lb ea d j u s t e d l a s e rp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yi sd e v e l o p i n gd u et ot h ea d v a n t a g e so fl a s e r a tt h e s a n l et i m e ，t h ed e v e l o p m e n ti nt h ep r o c e s s i n gf i e l da l s oa c c e l e r a t e st h er e s e a r c ho f l a s e r t h eq u a l i t yo fl a s e rb e a mi sa s y m b o lf o rt h ed e v e l o p m e n to fl a s e rf a b r i c a t i n g s y s t e m l a s e rw i t hh i 【g hp o w e ra n ds u p e r bq u a l i t ya r et h et w oo b j e c t sf o rl a s e r f a b r i c a t i n gs y s t e m h i g hp o w e ra n ds u p e r bq u a l i t ya r et w oo b j e c t i v e sf o rt h e d e v e l o p m e n to fa l ll a s e rf a b r i c a t i n gs y s t e m c 0 2l a s e rp o s s e s s e st h ea d v a n t a g eo f i n a b s t r a c t g o o dd i r e c t i o no fg a sl a s e r c 0 2l a s e rw i t hi n f r a r e dw a v eb a n di se s p e c i a l l ys u i t a b l e f o rl l i g hp o w e rl a s e rp r o c e s s i n g i nt h i sp a p e r , t h eo u t p u tl a s e rb e a m so fan e wt y p eo fc 0 2l a s e r , c 0 2l a s e rw i t h t h es t r u c t u r eo fa x i s - s y m m e t r y , h a v eb e e na n a l y z e da n ds h a p e d t h ea i mi st om e e t t h ed e m a n do fp r o c e s s i n gf i e l dt ot h el a r g e s te x t e n t t h e r e f o r e ，t h ea u t h o ro ft h i s p a p e rh a sd o n et h ef o l l o w i n gw o r k ： 1 ，t h eo u t p u tl a s e rb e a m so fas e r i e so fa x i s s y m m e t r i c a lf o l d e dc o m b i n e d ( a s f c ) r e s o n a t o rh a v eb e e na n a l y z e d ，w i t ht h eh e l po fp a r a x i a la p p r o x i m a t i o n , m a t r i xt h e o r ya n di n t e r f e r e n c et h e o r y , t h eo u t p u tl a s e rb e a m so fn e a rf i e l dw i t ht w o d i m e n s i o n sa s f cc 0 21 a s e ra n dt h r e ed i m e n s i o n sa s f cc 0 2l a s e rh a v eb e e n r e s e a r c h e d t h ec o r r e s p o n d i n gn u m e r i c a lc a l c u l a t i o nh a sb e e nd o n e 2 ，b yu s i n go fc o n c a v e c o n v e xi n f r a r e dl e n s ，t h eo u t p u tl a s e rb e a m sf r o mt h r e e d i m e n s i o n sa s f cc 0 2l a s e rh a v i n gn i n ed i s c h a r g et u b e sh a v eb e e nf o c u s e d ，w h i c h h a v eb e e ns t u d i e d 1 1 1 ep a r a m e t e r so f o p t i c a ls u r f a c eo f c o n c a v e - c o n v e xi n f r a r e dl e n s w h i c hc a l lf o c u sl a s e rb e a m st oa c h i e v et h eo u t g l u tl a s e rb e a m sw i t hl e s s e ro u t p u t a n g l e a n dl o n g e rf o c u sf i e l d i th a sb e e nc a l c u l a t e d a c c o r d i n g t o p a r a x i a l a p p r o x i m a t i o n ，m a t r i xt h e o r ya n ds t e pb ys t e ps e a r c h i n gm e t h o d s w i t ht h eh e l po f t h ep a r a m e t e r so fo p t i c a ls u r f a c eo fc o n c a v e - c o n v e xi n f r a r e dl e n s ，t h e i n t e n s i t y p r o f i l e o ff o c u s e dl a s e rb e a m sh a v eb e e nn u m e r i c a l l y c a l c u l a t e d b ym e a n so f m a l a j u s t m e n tt h e o r y , t h es e v e r a lc a s e sw i t ht h ei n f l u e n c eo ft h em a l a j u s t m e n to f i n s t a l l i n gp o s i t i o no f l e n so no u t p u tl a s e rb e a m s h a v eb e e na n a l y z e d 3 ，t h eo u t p u tl a s e rb e a m sf r o mt h r e ed i m e n s i o n sa s f cc 0 2l a s e rh a v i n gn i n e d i s c h a r g et u b e sf o c u s e db y t h er e f l e c t i o ns y s t e mw i t hc o a x i a la n dh a v i n gh o l e ，h a v e b e e na n a l y z e d t h er e f l e c t i o ns y s t e mw i t hc o a x i a la n dh a v i n gh o l ec a nf o c u sl a s e r b e a m st oa c h i e v et h eo u t p u tl a s e rb e a m sw i t hl e s s e ro u t p u ta n g l ea n dl o n g e rf o c u s f i e l d t h ep a r a m e t e r so fo p t i c a ls u r f a c eo ft h i sr e f l e c t i o ns y s t e mw i t hc o a x i a la n d h a v i n gh o l eh a v eb e e nc a l c u l a t e do u ta c c o r d i n gt op a r a x i a la p p r o x i m a t i o n ，m a t r i x t h e o r ya n ds t e pb ys t e ps e a r c h i n gm e t h o d s w i t ht h eh e l po f t h ep a r a m e t e r so f o p t i c a l s u r f a c eo ft h er e f l e c t i o ns y s t e mw i t hc o a x i a la n dh a v i n gh o l e ，t h ei n t e n s i t yp r o f i l eo f f o c u s e dl a s e rb e a m sh a v e b e e nn u m e r i c a l l yc a l c l l l a t e & i v a b s t r a c t 4 ，ak i n d o fc 0 2l a s e rw i t has p e c i a ls t r u c t u r eo fa x i s s y m m e t r y , h o l l o w c o n e - s h a p e dc 0 2l a s e lh a v eb e e na n a l y z e d u s i n gs u b - b u n d l et h e o r y , a c c o r d i n gt o t h ec o n e - s h a p e do fc i r c u m r o t a t es y m m e t r yo fd i s c h a r g et u b eo ft h el a s e r - t h eo u t p u t l a s e rb e a m sf r o mt h ek i n d so fh o l l o wc o n e - s h a p e dc 0 2l a s e rh a v eb e e nn u m e r i c a l l y c a l c u l a t e d b e c a u s et h ep e r f o r m a n c eo fb e a m so fi n c l i n i n gi n c i d e n c eo no p t i c a l s y s t e mc a r lb ed e s c r i b e db ym a l a j u s t m e n tt h e o r y , t h ep e r f o r m a n c eo ft h eh o l l o wl a s e r b e a m sf o c u s e db yl e n sh a sb e e na n a l y z e di nt e r m so fi n t e g r a le q u a t i o no fd i f f r a c t i o n i ns p a c ef i e l d 5 1 1 1 ep o s s i b i l i t yo f h a v i n gt h eo u t p u tl a s e rb e a m sf r o mt h eh o l l o wc o n e - s h a p e d c 0 2l a s e rs h a p e da n dt u r n i n gt h e mi n t oc i r c u l a rc o l u m nl a s e rh a sb e e ns t u d i e d b e c a u s et h eo u t p u tl a s e rb e a m sf r o mt h eh o l l o wc o n e s h a p e dc 0 2l a s e ri so fr o t a r y s y m m e t r y , t h es t u d yo b j e c tc a l lb er e g a r d e dt h e $ a l n ea st h er e s e a r c ho fi n c l i n i n g f i m d a m e n t a lg a u s s i a nb e a m so fo n ed i m e n s i o nw h i c hi ss h a p e di n t oap l a n ew a v e w i t hc e l _ t a i nw i d t ha n di n t e n s i t yp r o f i l eo f u n i f o r m i t yd i s t r i b u t i o na n di t so p t i c a la x i s p a r a l l e l i n g o nza x i sb ya b c ds h a p i n gs y s t e m b ya p p l y i n g1 1 1 el a wo f c o n s e r v a t i o no fe n e r g ya n dt h et h e o r yo f c o m p l e xb e a mp a r a m e t e r so f l a s e rb e a m s ， t h ec o m p l e xm a t r i xe l e m e n to fo p t i c a ls u r f a c eo fs h a p i n go p t i c a ls y s t e mc a nb e o b t a i n e d k e yw o r d s ：c 0 2l a s e r , a x i s - s y m m e t r ys t r u c t u r e ，l a s e rp r o c e s s i n g ， l a s e rb e a ms h a p i n g v 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得四川大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在g lj t l 大学读书期问在导师指导下取得的，论文成 果归四川i 大学所有，特此声明。 新。街锯 学生( 签名) ： 玉1 穆佗 时间：2 0 0 7 年4 月2 5 四川大学博士学位论文 第一章绪论 自1 9 6 0 年5 月1 6e l ，m a i m a n 研制出的第一台激光器红宝石激光器以 来，全世界对激光器的研制蓬勃发展。激光器的发展促进激光加工工艺的形成。 各种工作物质、以及各种功能的激光器相继走出实验室，形成各种激光加工系 统走向生产领域。主要应用于：( 1 ) ，激光表面工程：激光改性、激光强化( 含 冲击强化和毛化) 、激光涂覆、激光合金化和激光清除。( 2 ) ，激光材料去除： 激光烧蚀、激光打孔、激光切割和激光雕刻等技术。( 3 ) ，激光材料连接：激光 焊接和激光烧结。( 4 ) ，激光快速原型制造。( 5 ) ，激光加工在其他领域中的应 用有：激光超精细加工、激光微型机械加工、激光化学气相沉积技术在石英光 纤制造中的应用、激光法制备纳米粉材料、激光非晶化等。 同时，激光在加工领域的发展反过来促进激光器的发展。在高功率激光加 工领域，主要发展有：高功率c 0 2 激光器，高功率n d ：y a g 激光器( 二极管激 光泵浦固体激光器d p s s l ) ，高功率准分子激光器，高功率半导体激光器，高功 率光纤激光器等。本文主要探讨c 0 2 激光器。 1 1 j n r 用激光1 】 激光被用于加工，主要是因为激光作为一种特殊的能源，具有许多其它能 源所不能比拟的优点。不同的加工，对激光的特性要求不同。加工用激光主要 可以用单色性、空间特性、时间特性、偏振特性以及功率等五方面的来描述。 1 。1 。1 单色性 在激光加工中，激光的单色性的主要优势是在用透射光学系统处理激光时， 不会存在色差。 激光波长决定激光加工的基本原理以及物质对激光的吸收和激光束精细聚 焦的极限可能性。光予能量与波长成反比。c 0 2 激光器和y a g 激光器的输出 光波波长在红外波段，波长长，因而光子能量小。它们对固体物质通常只能激 发振转能级，受激电子通过碰撞使晶格振动，增加其内能，宏观表现为温度上 升，从而被熔化或汽化。因此，c 0 2 激光器和y a g 激光器的激光加工本质上 l 第一章绪论 是热作用，属于热加工。也是激光加工的主要方式。 准分子激光器的输出波长在紫外波段，波长短，因而光子能量大，高于某 些聚合物分子间的结合能，因而可以打破或削弱分子间的化学键，从而对被辐 照的物体实现剥蚀。因此，准分子激光器的激光加工本质上是光化学作用，属 于冷加工。不过，能应用准分子激光器加工的材料不多。 1 1 2 空间分布特性 1 1 2 1 模式 0 0 1 0o l2 03 01 l2 1 00 0i l i 0t 图卜1 轴对称横模 0 0 0 00 1 1 0 l l o l0 20 3 ooo 一0 ：水 图卜2 旋转对称横模 激光的空间分布特性是指激光束的模式。激光束模式是指光腔内可区分的 稳定电磁场的本征状态，每一本征态具有特定的频率和空间分布。 横模：沿垂直于传播方向的横截面内的光场分布，用t e m 。表示。 纵模：沿光波传播方向的光场分布驻波。 2 四川i 大学博士学位论文 1 1 2 2 方向性 激光束的方向性越好，激光传播较长距离不会显著扩束，并能获得较小的 聚焦光斑，较高的功率密度。激光的方向性一般用发散角描述。 工业用激光加工机的发散角全角一般为： 表1 - 1 工业用激光加工机的发散全角 基模高斯光束的发散角半角的计算公式为： 口= 掣斗而 _ 南 ：) 这坠。= 3 对协 当z = o ，口= 0 ： 当z 2 f ，口= 五( 2 矽) ； 当z 一一，口= 力“月矿) ；为远场发散角。 1 1 2 3 聚焦特性 大多数激光加工都需要将激光束聚焦。对于某些激光加工，聚焦越精细， 加工质量越高。激光聚焦与激光波长有关，波长越短，聚焦越精细。 聚焦方式可分为反射式和透射式两类。对于透射方式的聚焦，在实际应用 中应考虑透镜的尺寸。理论上高斯光束的横向断面的光强分布呈现高斯函数形 状，按高斯分布从中心向外强度降低，这种降低没有明显的边界，而是无限的 靠近零点。实际应用中，用透镜对高斯光束聚焦，透镜直径大予等于高斯光束 在透镜表面上的光斑半径的3 倍，可以近似认为高斯光束无损地通过透镜。高 斯光束的光斑半径定义为光强降落到中心值的1 e 2 处的尺寸为光斑半径o j ( z ) ，通 过这样定义的光斑半径内包含光束总能量的8 6 5 。下表是光斑半径内包含的 3 第一章绪论 光束的能量占光束总能量的百分比： 表1 - 2 不同光斑半径范围内的光束能量占总能量的百分比 焦斑直径d 是激光加工中需要关心的问题之一。聚焦透镜的焦距f 与透镜 孔径西之间的比值删i 为透镜的焦数，高斯光束聚焦后的焦斑正比于激光波长 与焦数的乘积。如果焦数为1 ，聚焦后的像方腰斑即焦斑尺寸t o o 可以和波长相 比拟，焦斑尺寸达到最小极限。聚焦光束的焦数等于透镜焦距f 与入射光束在 透镜上的直径d 的比值f d 。如果不考虑透镜孔径的影响，焦斑直径d 正比于 由波长2 以及聚焦光束的焦数的乘积，即出1 2 7 j 刷d 。因此，透镜的焦距f 越小， 高斯光束的直径d 越大，能获得越小的焦斑半径。 表1 - 3 几种脉冲的部分用途及部分参数 焦深杰也是激光加工需要关心的问题。焦深代表光束沿光轴方向的聚焦范 围。在激光加工中，焦深为光束直径扩展到腰斑半径的1 5 倍处距腰斑位置的轴 向距离：d 声a ：1 1 2 n x o o ”2 。因此，激光的波长a 越短，聚焦后的焦斑半径( d o 越 大，能获得越长的焦深。 1 1 3 时间特性一 激光加工中，用激光的时间特性区分激光脉冲，大致可以用连续激光和脉 冲激光来区分。表1 3 列出了c o z 激光器的几种脉冲的部分用途及部分参数。 4 四川大学博士学位论文 连续输出激光在连续部位工件的加工上有优势，但是，在某些难以加工的 材料上，高重复频率的脉冲激光由于具有更高的峰值功率，更能突破材料的阈 值。 1 1 4 偏振性 一般来说，激光对材料的加工受偏振特性的影响。材料对激光的吸收率或 反射率随入射角的增大受偏振特性的影响增加。加工用激光希望消除偏振影响 的办法是采用圆偏振片，在激光切割时，可以得到更光洁的切口。如果需要借 助偏振特性来提高材料对激光的吸收，可以借助线偏振片并以一定的入射角照 射材料。 一 1 1 5 输出功率 输出功率高是激光成为特种加工的必要条件。激光经聚焦后，可以达到很 高的功率密度1 0 5 一1 0 1 3 w e r a 2 。其它加热方式的功率密度均更低，如感应加热 的功率密度可达1 0 s w c m 2 ，电子束加热的功率密度可达1 0 5 w c m 2 ，电火花加热 可达可达1 0 3 w c m 2 。 综上所述，针对不同的应用，很好的控制激光这五个方面的特性，那么激 光将在加工领域发挥更大的优势。 1 2 激光加工系绀1 - 1 6 激光加工的主要技术优势：应用范围广，几乎适用于所有的加工工艺( 切 割，焊接，表面处理，打孔等) ；加工面广，几乎可以加工所有的材料( 金属， 非金属；极硬，极脆，极薄，熔点极高的材料) ；加工区小，热变形极小，加工 质量好；加工效率高，省材料，污染少，噪声低，劳动强度低；不受加工形状 的限制，高度灵活性；加工参数的精密控制和加工过程的高度自动化；非接触 加工，无工具磨损。 激光加工具有如此众多的优点，首先是因为具有优良的激光器，其次是具 有适合不同波长激光的光学系统，而真正可以将激光这种“刀具”很好的用于 生产，则需要按照不同的应用生产出不同的激光加工机。 5 第一章绪论 1 2 1 加工用激光器 对加工用激光器的要求：实用性、可靠性高，工作稳定性好( 主要技术参 数：功率、指向、模式、发散角、电光效率的稳定性) ，光束质量高，输出功率 满足要求等。现在应用广泛的激光加工机主要有高功率c c h 激光器，高功率 n d ：y a g 激光器( - - 极管激光泵浦固体激光器d p s s l ) ，高功率准分子激光器， 高功率半导体激光器，高功率光纤激光器等。 c 0 2 激光器是应用最广泛的工业激光器，目前国际水平的输出功率，5 0 k w ( 横流) ，2 7 k w ( 快轴流) 。目前国内水平的输出功率：1 0k w ( 横流) ，2 k w ( 快轴流) 。n d ：y a g 也是重要的工业激光器，目前国际水平的输出功率：6 k w 。 目前国内水平的输出功率：6 0 0 w 。高功率半导体激光器，目前国际水平的输出 功率：4 k w 。 来自上世纪9 0 年代国际上各种激光加工系统交易所占的份额的数据显示。 c 0 2 激光器站5 7 ，n d ：y a g 激光器3 2 。其中c 0 2 激光加工系统主要应用于 机械制造领域，而n d ：y a g 激光器主要应用于电子工业等微细加工。 表卜42 0 0 1 年世界工业激光销售台数 类型台数台 c 0 2 激光器 固体激光器 其它激光器 总数 1 0 4 5 0 8 0 3 0 4 0 0 表1 - 4 表现了来自激光焦点世界统计的2 0 0 1 年的世界工业激光销售台数。 可见，2 l 世纪c 0 2 激光器在工业用激光中仍占优势。 加工用c 0 2 激光主要采用1 0 6 1 u n 波长。c 0 2 激光不能透过光学玻璃，不 能通过光纤传输，如果需要透射方式聚焦，只有采用有限的红外材料。而n d ：y a g 激光发出的激光波长为1 0 6 l a n ，可以透过光学玻璃，也可以用光纤传输。 6 四川大学博士学位论文 1 2 2 激光加工的光学系统 为了满足不同的加工需求，对不同波长的激光器采用不同的光学材料和元 件。对于激光切割、焊接、打孔、切削等需要高的功率密度的激光加工领域， 需要对激光聚焦。对于激光热处理、涂敷、合金化等需要一定形状并且强度分 布均匀的激光光束，需要对激光进行均匀化处理。 1 2 2 1 光学材料 因为n d ：y a g 激光波长正好处于光学玻璃的透射窗口0 4 1 4 v a n ，因此，普 通的光学玻璃通过镀膜，就可以满足该种激光器的所需要的光学元件，如谐振 腔镜、聚焦镜等。 由于光学玻璃对c 0 2 激光不透明，再加上c 0 2 激光普遍功率较高，因此， 需要特殊透射、反射光学材料。下面介绍适宜c 0 2 激光的光学材料。 1 2 2 1 1 反射材料 适宜c o , 激光的反射材料包括铜、钼、硅、锗。 纯铜很软，金刚石车削的纯铜镜。具有最高的破坏阈值，可用作1 0 k w 以 上的谐振腔镜。 钼镜较硬，用抛光法制造，精度较低，但由于它耐磨，不粘金属溅射物， 所以可以用作靠近激励区的谐振腔镜以及靠近加工部位的反射镜。 硅镜的破坏阈值较低并且对c 0 2 激光有高的吸收系数，因此，只能用于连 续功率低于l k w c m 2 情况。 锗由于可以透过c 0 2 激光，因此，可以镀9 9 的反射率膜层用作谐振腔全 反射镜，进行激光功率监测。 1 2 2 1 2 透射材料 适宜c 0 2 激光的透射材料包括锗、硒化锌和砷化镓等。 锗的抗热破坏能力最差，破坏温度为7 0 c 。容易导致热击穿，因此适宜1 0 0 w 以下功率的c 0 2 激光。不过锗的热畸变品质因素较高，因此可以用作前述的可 以透光的全反镜以便激光功率监测。 硒化锌的抗热破坏能力较好，破坏温度为2 5 0 c ；硒化锌基体材料对c 0 2 激 7 第一章绪论 光吸收极少，但导热系数较小，因此，当硒化锌表面镀增透膜或不镀膜时，如 果表面吸收系数小，硒化锌的热畸变品质因素较高。硒化锌还具有耐湿性，适 宜潮湿的环境。硒化锌对可见红、黄光透明，因此，采用硒化锌的激光加工系 统，可以采用可见激光如h e - n e 激光作为调整指示光。 砷化镓抗热破坏能力最好，破坏温度为3 0 0 ；砷化镓基体材料对c 0 2 激 光吸收极大，但导热系数较高，当砷化镓表面镀5 0 及其以上的反射膜时，砷 化镓的热畸变品质因素较高，因此，砷化镓常用作千瓦级激光谐振腔的输出镜。 可用作c 0 2 激光的透射材料还有k c l 或n a c l ，虽然它热物理性能差，极 易受潮，热膨胀系数大，机械强度低，但热透镜效应小，对可见光透明，因此 常被用于科研。 图1 3 给出了硒化锌和砷化镓透镜实物图。可以看出硒化锌对部分可见光透 明。 ( a ) 硒化锌( b ) 砷化镓 图1 _ 3 ( a ) 硒化锌透镜；( b ) 砷化镓透镜 1 2 2 2 聚焦光学系统 聚焦光学系统可分为透射式和反射式两种u - 3 。 1 2 2 2 1 透射聚焦系统 8 四川大学博士学位论文 图i - 4 聚焦镜的热透镜效应 功率低于2 k w 的激光，常采用透镜聚焦。为了减少光能损耗，常采用单透 镜聚焦。又由于用作c 0 2 激光的透射材料有限，因此常采用单透镜聚焦。 采用短焦距透镜可得到很小的聚焦光斑和高的焦斑功率密度。但是由于透 镜焦距短，因此，透镜距离加工工件较近，容易受到污染。并且，由于热透镜 效应，使焦斑位置进一步靠近透镜。因此，对于大于2 k w 的激光，常采用反射 式聚焦。 图1 - 4 表现了聚焦镜的热透镜效应，当透镜材料受热膨胀，透镜的焦距变 短，即发生热透镜现象。 1 2 2 2 2 反射聚焦系统 反射聚焦系统的反射镜可以在背面通水冷却，因而镜面稳定，热畸变小， 破坏阈值高，适宜数千瓦级以上的大功率激光系统。通常采用的反射聚焦系统 有同轴球面镜聚焦系统、离轴球面聚焦系统、抛物镜聚焦系统和双球面反射聚 焦系统。 9 第一章绪论 环形激光：三! 孔平面镜激光 镜 ( a ) ( b ) 图t - 5 反射聚焦系统 舭黜镜 同轴球面镜聚焦系统：如图1 - 5 ( a ) 所示，聚焦性能良好，比单透镜的球差小。 但是，工作距离短。并且由于会聚光束要通过平面镜中间的孔，因此，光路需 仔细调整才能避免光路被遮挡。 离轴球面聚焦系统：如图1 5 0 ) 所示，适宜各种模式的激光。不存在同轴球 面聚焦系统中出现的光路有可能被遮挡的问题。不过平面镜的反射光总会与球 面镜有一夹角，从而增加了聚焦光斑的像差。实际应用中入射到球面镜的夹角舻 最好小于7 0 。而夹角p 的大小强烈的依赖焦数以及工作距离。焦数大，工作距 离小，平面镜与球面镜的距离大，夹角妒就小。不过，焦数不能过大，否则， 由衍射所决定的焦斑直径将过大。工作距离也不能过小，否则没有足够的工作 空间。如果光束的直径为5 0 m m ，焦数要大于7 5 才能保证夹角妒的值较小。 校正的离轴球面聚焦系统：如图l - 5 ( c ) 所示，用带校正像差功能的柱面镜代 替图1 - 5 ( b ) 中的平面镜。实际采用较大的入射角，从而有较大的工作距离。由此 产生的像差由柱面镜校正。虽然聚焦质量没有上述两种方法好，由于有较大的 工作距离，因此适合生产现场。 抛物镜聚焦系统：抛物镜聚焦系统聚焦质量较高，但调整精度也较高。适 合大功率激光焊接系统。如果调整误差过大，抛物镜聚焦系统将产生严重的像 散。 1 0 四川大学博士学位论文 双球面反射镜聚焦系统：对于非稳腔输出的环形激光，采用一个凸面镜和 一个凹面镜的组合聚焦系统，可以获得很小的焦斑直径。对于非环形激光，可 以采用离轴系统，相当于双球面共轴反射聚集系统的一部分。 对于非稳腔输出的环形激光，还可以采用卡塞格林望远镜聚焦，平行光入 射n d , 的双曲凸面镜，然后被大的抛物凹面镜聚焦。 1 2 2 3 匀光系统 激光作为一种高能量、相干、单色的光源，有很多应用。激光作为一种热 源，在表面处理等应用中，为了获得均匀的处理表面，需要有均匀强度分布的 矩形光斑，在光束的边缘，光束的功率密度能突然降为零。这样的激光，在处 理材料时，在材料表面有均匀的等温面，有明显的光斑轮廓，能减小材料表面 的不均匀度，减小光斑边缘处的回火。 已有的匀光系统包括【1 】：离焦光斑、振动镜、旋转多棱镜、波导积分器、 积分镜、可变形镜、双束处理系统、分割可调组合镜、透射式棱锥积分镜、旋 转三棱镜等。 离焦光斑：即将工件置于沿光轴偏离聚焦光学系统的焦斑平面一段距离。 光斑的面积通过改变离焦量获得。缺点是不能改变强度分布。用离焦光斑做表 面处理，高阶模激光优于低阶模激光，但光斑直径大，不用于切割和焊接。 振动镜：在聚焦光路中设置振动镜，将聚焦或离焦光斑以一定频率在被加 工表面扫描。设置一面振动镜，可以在一个方向上形成扫描光带。设置两面振 动镜，可以在互相垂直的方向以不同频率作正弦波扫描，光斑上每点的轨迹在 矩形范围内为李萨如图形，形成近似的矩形光斑。振动镜扫描形成的光斑的功 率密度分布由振动镜的振动规律以及原始光斑的功率密度分布决定。振动镜的 振动采用电磁振子带动反射镜来实现。采用正弦波形供电的电磁振子，在两个 极端运动的速度低于在中部运动的速度，因此，高斯分布的功率密度被改变为 具有马鞍形功率密度分布。修正电磁振子的供电波形为三角波，由于振动镜的 惯性，因此，振动镜的运动跟不上供电波形，高次谐波被滤掉，电磁振子还是 做正弦振动。采用光阑或挡板在理论或实验中能改善扫描光斑内的功率密度分 布。总之，采用振动镜，具有较大柔性，可以根据需要调整振幅从而改变扫描 光斑的尺寸。 1 1 第一章绪论 旋转多棱镜：采用高速旋转多棱镜反射激光时，反射光以重复频率在一定 范围内扫动。反射光的扫描角为棱面角的两倍，为限制扫描角和扫描宽度，要 求多棱镜有很多个棱面，并且棱面与转轴倾斜一定的角度。旋转多棱镜具有一 定的柔性，其扫描光斑直径和扫描带宽度可调，扫描频率较高，扫描光带内功 率密度分布的均匀性和边缘的清晰度都比较好。缺点是结构略为复杂，使用欠 方便。 波导积分器：由一个具有高反射率的内表面且截面为方形的镜筒和端部的 透镜组成。透镜将入射激光聚焦射入镜筒中，通过管壁的反射，在镜筒的出口 端光强接近均匀分布。因此，待加工表面应尽量靠近镜筒出口处。实际使用常 将镜筒出口平面成像到工件表面。通过波导积分器可以得到边缘清晰，强度分 布均匀的光斑。但光能损失严重。用于波导积分器的c 0 2 激光通常是随机偏振 的。 积分镜：用有一定导热性的环氧树脂将等尺寸的方形小镜排列整齐的粘固 在球面镜上。每块小镜片将旁轴透射其上的平行激光的一部分反射为一束方形 光束并在基体球面的焦点处重叠为一方形光斑，光斑尺寸等于小镜片尺寸。多 个反射光束的叠加均衡了被每个小镜片的反射的方形光束的功率密度分布的不 均匀性。通过积分镜可以得到边缘清晰的光斑，光斑内功率密度均匀分布。积 分镜没有运动部件，简单可靠。效率比波导积分器高。缺点是光斑尺寸不易调 节，柔性较差。 可变形镜：镜片厚度在0 8 1 5 m m ，背部为真空室，由5 个平行丝杠支撑， 调节各丝杠上下运动，同时调真空度，使镜面变形，获得线形光斑。 双束处理系统：主光束为处理加热，辅助光束( 功率较小) 作为后热或预热， 以减少处理区的温度梯度，防止开裂。使用功率相同的双激光束，可展宽硬化 带。 1 2 2 4 导光系统 导光系统将激光引导到由聚焦系统或匀光系统组成的加工头。如果加工头 是不动的，相应的导光系统也不动；如果加工系统是运动的，相应的导光系统 也是运动的。 对于大功率c 0 2 激光加工系统，采用可见光反射与红外光相结合的组合方 1 2 四川大学博士学位论文 式。为了任意改变光束的方向，采用转动反射镜方位角的方法，即光学关节。 多个光学关节构成光学关节臂。光学关节臂是被动系统，其输入端固定，输出 端采用外部牵引。 为