（物理电子学专业论文）大功率co2激光器智能化功率测控.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 本文介绍了种用于高功率c 0 2 激光器的新的功率智能测控系统。该系统由个 采用尾镜即全反球面介质镜漏光进行激光功率采样的功率采样单元和由西门子 s 7 2 0 0p l c 组成的功率电源测控单元两部分组成。 功率采样单元主要由一具有稳定低透过率的全反球面介质镜和一薄膜型热电偶 探测器组成。该单元将功率信号转化为探测器上电压信号实现功率采样。功率测控单 元主要通过编程实现对功率的检测并输出控制信号，通过与外部电路的接口，使功率 在要求的范围内保持稳定。p l c 通过对功率采样信号的处理，将其转化为实测的功率 值。并与要求的功率进行比较，再采用一定的算法，输出控制信号以调节腔镜的方位 或输入电流，使功率达到要求的范围。具体的调节过程由带电机的调镜板和反馈板执 行。同时，该测控单元还提供功率和电流负反馈信号，通过与外部电路接口达到调节 功率和电流稳定的目的。 该系统结构紧凑、工作稳定、抗干扰能力强，可以有效地提高对激光器各参数的 控制精度和稳定性，实现激光器具有智能化的目的。 关健词t 激光功率全反射镜漏光薄膜探测器p l c测控系统 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t an e wk i n do f i n t e l l i g e n tm e a s u r i n ga n dc o n t r o ls y s t e mf o rh i g hp o w e rc 0 2l a s e ri s i n t r o d u c e di nt h i sp a p e r t o w p a r t s ，o n eo f w h i c hi st h es a m p l eu n i tt h a ts a m p l i n gt h el a s e r o u t p u tp o w e rb yt h el e a k ym i r r o ro ft h er e s o n a t o r , a n da n o t h e rp a r t ，w h i c hi st h em a i n s y s t e m ，m a d eu pb yas e m a n t i cs 7 - 2 0 0p l c ，c o m p o s et h i ss y s t e m a h i g hr e f l e c t i v em i r r o ra n da ni n f r a r e dd e t e c t o rm a k eu pt h es a m p l eu n i t t h i su n i t p r o v i d e sv o l t a g es i g n a lw h i c hd e p e n d i n go n t h el a s e ro u t p u t p o w e r a n dt h em e a s u r i n ga n d c o n l r o ls y s t e mr e a l i z e si t sf u n c t i o n m o s t l yb yp r o g r a m m i n g i t m a k e st h el a s e r p o w e r s t a b l e i nt h er e q u i r e ds c o p eb yc o n n e c t i n gt ot h ee x t e r i o rc i r c u i t t h ep l cd e a l sw i t ht h es a m p l e s i g n a la n dt r a n s f o r m si ti n t of a c t u a lp o w e rs i g n a l t h e nt h ep l cc o m p a r e st h ep o w e rs i g n a l w i t ht h e r e q u i r e dp o w e r b yu s i n gs p e c i f i c a l l ya r i t h m e t i c ，t h ep l ce x p o r t sc o n t r o ls i g n a lt o a d j u s tt h ei n p u tc u r r e n ta n do r i e n t a t i o no f t h eo u t p u tm i r r o r t h e nt h eo u t p u tp o w e r w i l lb e c o n t r o l l e di nt h er e q u i r e ds c o p e af e e d b a c kc i r c u i ta n dam i r r o ra d j u s t i n gc i r c u i tw i t h e l e c t r o m o t o rd ot h em a t e r i a la d j u s t i n gp r o c e s s m o r eo v e rt h i s s y s t e ma l s op r o v i d e s f e e d b a c k p o w e rs i g n a lt ok e e p t h el a s e rp o w e ra n dt h ec u r r e n ts t a b l eb y c o n n e c t i n g w i t ht h e e x t e r i o rc i r c u i t t h es y s t e mi s c o m p a c t ，s t a b l ea n dh a sg o o da n t i - j a m m i n ga b i l i t y i t e n h a n c e st h e s t a b i l i z a t i o na n dn i c e t yo f m a n yp a r a m e t e r si nt h el a s e rg r e a t l y t h el a s e rw i l lb ei n t e l l i g e n t b yu s i n g t h i ss y s t e m k e y w o r d s ：l a s e rp o w e r t r a n s m i s s i o nl i g h to f t h e h i g h r e f l e c t i v em i r r o r t h i nf u m t h e r m o c o u p l e p l c m e a s u r i n ga n d c o n t r o ls y s t e m 华中科技大学硕士学位论文 1 1 国内外概况 i 1 i 立项背景 1 绪论 激光作为一种高强度、高单色性、高相干性、又有很好的方向性的光源，自问世 以来就受到了世人的瞩目，新型激光器不断被研制出来，激光功率不断提高，激光应 用日益广泛，现在激光已应用到各行各业中。c 0 2 激光器由于其高效率和高功率倍受 关注，经过三十多年的发展，已经发展得比较完善。c 0 2 激光器具有输出功率高、工 作稳定、操作简便、适用于工业环境等优点，是目前应用最为广泛的高功率激光器“3 。 大功率c 0 2 激光器是一种较为复杂的工业设备，不仅具有高电压、大电流的电源 以及多密封面的真空腔体，而且必须保持工作气体成分、气压的动态稳定，同时在运 行过程中产生大量的热量需要冷却，对温度变化非常敏感。这就要求激光器在运行中 对电压、电流、气压、温度、气比、光腔、功率等多种参量进行实时监测和反馈调整。 大功率c o ：激光器以后的发展，需要智能化的控制系统来完成复杂的信号采集、处理、 存储并及时、有效的作出各种判断并输出控制结果。 激光器是一种新型的加工设备，与传统的工业设备迥然不同，大多数用户对激光 设备的操作使用和日常维护极为陌生，在推广过程中往往需要经过较长时间的技术培 训方能初步掌握。智能化的控制系统将能够提供极为友好的用户界面，自动采集、显 示、记录各种数据，并且准确、充分，不但可以指示工作状态，及时发现和防止故障， 而且还可以提供操作指示和维修依据。 国外工业激光加工始于7 0 年代，c 0 2 激光器在8 0 年代被广泛应用，几乎同时， 激光器在自动检测与控制方面显著提高。现在远的不说就激光公司现有的o p l 3 5 0 0 r o f i nd c 0 2 5 以及c p 公司的s r - i o 来说，无一例外都使用了多个p l c 智能控制元件 来完成各种检测与控制，所以智能化的控制系统是激光器控制器发展的必然选择。 华中科技大学硕士学位论文 激光器作为工业用设备，必须与其他设备联合成为激光加工系统才能具有应用价 值，这就要有良好的接口性能和通信能力，以及很强的可扩展性能。这无疑又是智能 化控制系统的强项。 因此，我们集中设计了一套激光器的智能控制系统。对激光器的功率、电源、温 度、真空系统等实现实时控制。 在激光器的所有参数中，激光功率是最基本的参数，它决定了激光器可应用的领 域和范围。三十多年来激光功率的提高一直是人们追求的目标。在激光加工领域，对 不同的n - v 材料，要求的激光功率不同，特别是在表面处理中，激光功率直接影响处 理质量。因此，在进行激光加工过程中，对激光功率的实时检测和控制就变得非常重 要。传统的激光功率检测方法是将激光照射到激光功率计或激光能量计上进行检测。 随着激光功率的不断提高，对激光功率计的损伤阈值要求也越来越高，对于千瓦级激 光器必须用有很强损伤闽值的体能量计来检测，这种测量技术要求探头能耐激光的很 强的热冲击，能耐高温。因此，对激光计探头的要求很高，通常这种承受激光辐射材 料为石墨，这样的探头晌应很慢，而且，通常需要水冷，测量功率时必须停止加工， 影响了) j n t 的连续性，不能实时检测功率。另一种检测技术是通过对输出激光进行采 样，通常是用旋转光刀采样，通过测量采样激光的功率来测量激光功率0 1 。由于制作 工艺的问题容易造成采样不稳定，受环境影响大，因而引起检测系统不稳定，而且不 可避免的使激光输出光路变得复杂。 为了实现对激光功率的实时检测而又不影响激光输出，我们提出了一种新的采 样方法，就是通过能透过一定光( 如0 5 ) 的全反射镜进行激光采样，即通过全反 射镜微小的漏光取样激光功率。对这一微小漏光我们通过一聚焦镜聚焦，并用一热电 偶红外探测器进行激光功率检测。利用热电偶的温差电效应将激光功率转化为薄膜探 测器输出端的电势差。 对激光功率的检测最终的目的还是要实现对激光功率的控制，从而使激光器能在 一个稳定的功率下良好的运行。为了更好的控制激光功率，我们顺应时代要求，决定 采用p l c 可编程逻辑控制器设计一套智能控制系统。1 。同时，我们也决定用p l c 来设 计这一整套智能控制系统，实现对功率、电源、温度、工作气压、真空系统等的实时 2 华中科技大学硕士学位论文 控制，而这个系统也可通过一上位机形成一套完整而可靠的激光器智能控制系统。这 套智能控制系统的各部分可独立设计，组合起来便形成一个稳定可靠的系统。而且， 该系统的适应性相当强，它虽然是为激光器而设计的，但通过对软件的十分方便的修 改，它便可应用于其他的系统实现一定的智能控制。同时，它的可拆卸性强，各部分 可独立使用，也可组合使用形成一套完整的智能控制系统。 1 1 2 国内外概况 高功率c 0 2 激光器应用领域广泛。尤其是在激光材料加工中，这是一个最大的产 业。世界上主要工业国家都在竞相发展这门技术。在日本，销售的激光系统四分之三 是c 0 。激光加工系统。美国提出的高科技发展战略中，就包含了激光加工技术的推广。 对于激光加工的核心一一高功率c o 。激光器，d i r e c t e de n e r g y 公司认为在激光 器现有各项技术指标的前提下，应该进一步降低c o ：激光器的运行成本，缩小体积， 改进工作的可靠性和调试的方便性。u 1 t r a a s e r t e c h 公司也提出了改进上的决策， 即使c 0 ：激光器的体积更小，价格更低。为了保住现有的市场份额以及开拓新市场， p r c 公司也有自己独到的做法，公司总裁说，他的公司在当前本身并不做新器件的研 究，只生产传统的c o 。激光器。而他所做的，只是每年推出一些新设计的，新工艺加 工的c o ：激光器的零部件，以改善器件的总体性能，降低成本。 国外公司也的确是按这种想法实施的，反映在c o 。激光器的控制系统上就是采用 智能化的控制系统。美国p r c 公司生产的c o , 激光器，就配有微机控制系统，不但能 实现c 0 。激光器的自动控制，而且还能与世界上各种计算机数控装置接口“1 。以色列 m l i 公司的u c l 7 0 0 型、m l l 0 8 型、m l 2 0 0 0 型等工业c o 。激光器。采用先进的智能化控 制系统，能与数控：自n - r 机床实现r s 2 3 2 总线通讯。激光器既能手动操作，也能自动运 行，还能由数控加工机床直接控制，并将激光器的状态显示在显示屏上。m l 2 0 0 0 型的 控制系统还能在恶劣的工业条件下可靠工作嘲。瑞士b y s t a r 公司的激光加工机在切割 作业过程中，由数控机床通过激光器上的智能化控制系统自动控制模式的相互转换。 而且控制系统还能确保激光器的快速启动，立即作业等嘲。日本舭d a 事务所的c 1 5 0 0 b 型c o ：激光器，控制系统能通过微处理机实现监控激光功率、放电管内气体压力、放 一 3 华中科技大学硕士学位论文 电管电流和电压、激光器运行状态以及运行时间等“1 。德国r o f i ns i n a r 公司的 r s l 7 0 0 s m 、d c o l 5 、d c 0 2 0 型c 0 2 激光器和t r u m p fl a s e r s 公司的t l f 2 6 0 0 、t l f 3 0 0 0 型c 0 ：激光器的控制系统也能通过微处理器与数据通讯，使数控机床能在材料加工的 过程中，按加工要求实时控制激光器的输出功率。而且控制系统还具有自检功能和数 据断电保护功能删c 口】。 由此可见，在材料加工对c 0 。激光器性能要求的日益提高，以及当前市场竞争日 益激烈的条件下，国内外公司更注重c o 。激光器的小型化，智能化和可靠性的提高以 及完善与加工机床的紧密配合。反映在激光器控制系统的智能化上尤为突出。 国内的激光产业相对来说，发展较慢，同时我们的激光器必须面临与国外产品的 竞争。而与国外产品相比，国内高功率c 0 ：激光器及其加工系统普遍存在问题。首先 是性能较差，功能不多，千瓦级以上的激光器缺少先进的监测和控制系统。其次是稳 定性还不够高，无故障运行周期短。 总的来说，国内高功率c 0 。激光器必须使其智能化控制系统得到完善，使激光加 工机的体积更紧凑，功能更完善，稳定性和可靠性更高，调试使用更方便，才能适应 国内、国外的发展方向，有利于我们激光产业的进一步发展。 1 2 本课题研究的内容和意义 1 2 i 系统方案 结合现有激光器的特点和国外激光器的控制技术，我们提出的系统总方案如图i l 所示： 图卜1 激光器智能化控制系统 4 华中科技大学硕士学位论文 可见，我们所设计的激光器智能化控制系统主要包括四部分的控制及一个用户工 作界面。其中温度测控与真空测控系统由一个p l c 来实现，功率测控与电源测控系统 由一个p l c 来实现，通过与p c 的通讯由p c 机对整个系统迸行协调控制并可与用户通 讯，自动实现用户界面中对激光器的各种操作要求。用户只需熟悉友好的用户界面中 对控制面板的及其简单易行的操作，就可十分方便的实现对整个激光器的控制。同时， 对各种危害激光器安全的状态，控制系统也会输出相应的报警信号，并提供操作指示， 为及时诊断和排除故障提供了可靠的保障。 1 2 2 激光功率测控系统 激光功率测控系统的目的就是对激光功率实现实时监控，并确保激光器功率的稳 定，使激光功率检测误差精度保持在士2 以内。 该系统由两部分组成。一部分是激光功率采样检测，这一部分主要由球面全反镜、 聚焦镜、薄膜探测器等组成。另一部分是激光功率的测量、显示及反馈控制，它由一 个p l c 可编程序控制器对探测器测得的信号进行处理，将功率值换算并显示出来，同 时它还要提供可靠而有效的反馈信号控制调节激光器有关电参数，达到控制激光器输 出激光功率稳定的目的。 1 ，2 2 1 高反射率晶体反射镜 光学元件是激光系统中最重要的元件，它决定着激光器的性能，对激光功率、模 式、聚焦后的光斑尺寸和光强分布有着决定性的影响。对谐振腔的任何改变都会影响 到激光光束的特性，从而影响到激光加工的质量。而我们采用尾镜取样功率检测，就 尤其需要考虑这方面的影响。因此我们对球面全反镜的材料选择和膜系设计都进行了 深入的研究。反射镜材料包括基片材料和镀膜材料，对于漏光全反镜要求基片材料有 低的体吸收率，较高的热传导，以便于冷却和减小热畸变，同时也要求它对1 0 6 1 1 m 激光具有稳定的较低的透过率。而对于薄膜材料的选取除需要考虑薄膜本身的特性， 还要求在应用波段有很小的光吸收和低的体散射，适宜的折射率等。 1 2 2 2 高灵敏度薄膜热电堆 激光功率计按其工作方式有两种：光子型探测器和辐射型探测器。对光子型探测 5 华中科技大学硕士学位论文 器，当入射光子能量不足够大时不能引起光电效应。但光子的辐射引起材料的温度发 生变化，由此可引起电信号的变化。由于我们的系统中利用的是比较微弱的反射镜漏 光，所以我们采用辐射型探测器。其结构采用薄膜结构。 热电堆的响应特性与材料和结构密切相关，因此设计时必须进行材料的选择，同 时必须考虑结点的形状、布置和对数设计、吸收涂层等。 1 2 2 3 激光功率控制系统 s 7 2 0 0p l c 是一种工业控制系统，在结构、性能、功能及编程手段等方面有它独 到的优点“”“。我们所设计的激光功率控制系统主要部分就由一个p l c 可编程序控制 器组成。我们主要通过对可编程序控制器的软件编程来实现对薄膜探测器及其接口传 来的信号的处理，并将测得的功率信号数字化，显示出来，使整个系统形成一个负反 馈回路，通过该功率反馈信号控制调节激光器有关电参数，达到维持激光器功率稳定 并实现实时监控的目的。同时对各种异常情况，该系统也可提供各种报警或中断处理。 在实际的调节过程中，我们所提供的只是调节信号，具体的调节过程由激光器中 的执行机构来实现，这样可大大提高p l c 的c p u 工作效率，减少系统因处理任务而等 待的时间，也加强了系统对各种情况的并行处理速度。大大提高了整个系统的工作效 率。 该功率检测控制系统结构紧凑、工作稳定、受环境影响小，可使得激光器的安全 性、稳定性、可靠性、可维护性及使用寿命都大大提高。 6 华中科技大学硕士学位论文 2 1 薄膜探测器 2 激光功率检测系统 激光功率计按其工作方式有两种：光子型探测器和辐射型探测器“o “”。对光子型 探测器，当入射光子能量不足够大时不能引起光电效应。但光子的辐射引起材料的温 度发生变化，由此可引起电信号的变化。由于我们的系统中利用的是比较微弱的反射 镜漏光，所以我们采用辐射型探测器。同时考虑光路的复杂性，我们最后仍选用传统 的热电偶探测器。而热电探测器有两种结构形式：体材料结构和薄膜结构“”“”。体材 料结构的探测器一般响应速度慢，而且制作困难，工作接点的焊接较困难。薄膜热电 探测器用真空蒸发或射频溅射的方法将热电材料沉积在基片上形成热电堆，它的使用 效果较好。 2 1 1 原理 热电效应是把热能转化为电能，它是与温度梯度有关的现象“叭”1 。其中最重要的 是温差电效应“”。 2 1 1 1s e e b e c k 效应 当两种不同的金属或半导体材料a 、b 连接成一个闭合回路，并使一个接点的温 度t l 高于另一个接点的温度t o 。如图2 1 所示，那么，在闭合回路中便有电流流过， 这就是s e e b e c k 效应。闭合电路中的熟电动势称为s e e b e c k 电动势e b b 圈2 - 1s e e b e c k 效应 7 华中科技大学硕士学位论文 昱2j s d t ( 2 1 ) 丁。 s 。= 导务等称为s e e b e c k 系数或热电动势率，它是温度t 的函数。 2 1 1 2p e i t i e r 效应 当两种不同的金属或半导体材料a 和b 连接后通以电流，在接点处便有吸热或放 热现象，这就是p e l t i e r 效应。吸收或放出的热量只与两种导体材料a 和b 的性质及 接点的温度有关，而与导体其他部分的情况无关。 当有电流流过a 、b 两种材料的接点时，在d t 时间内散发或吸收的热量d 0 p ，则 p e l t i e r 系数兀为： i - 矿毒孥( 2 - - 2 ) 它是接点的温度t 的函数。 2 1 1 3t h o m o s o n 效应 当单根金属材料a 或b 本身因两端稳定不同而存在温度梯度时， 在d t 时间内单位体积所散发或吸收的热量d q r 为： 岈士酬尉口 仃称为t h o m o s o n 系数，f 嘏称为t h o m o s o n 电动势。 虎 如图2 - - 1 ，回路总的温差电动势为： 若有电流流过， ( 2 3 ) 趾m r 兀埘+ 。氓弦 c z 叫 而 ”盯一r 争 一s ， 当两种材料一定，材料接受的辐射一定时，e a b 趋于恒定，因此上式第二项趋于 零，故有 一一 8 华中科技大学硕士学位论文 e 。= 兀。口，) 一兀。口。) = s 。口，一t 。) = s 。a t ( 2 6 ) 当热电偶串联成热电堆时，热电势依次叠加，则有 v 。：羔e 。口。，t 。) ：芝n 。口。) 一丌。( l ) ) ：m s 。r ( 2 - - 7 ) t = l i f f i l 即输出电压为温差的线性函数。 考虑如图2 2 所示的热回路和图2 3 所示的热电偶回路，设热电偶冷端 测器 图2 - 2 热电探测器的热回路 温度恒定，热端入射的辐射功率为p = p 。e x p 【，耐) ，吸收系数为a ，则探测器吸收的 功率为a p o ( e x p ( ，甜) ) ，h 为热容，为温差，i 为温差电流，则热回路方程为： 考虑到初始条件：a t i 。= 0 则有：r ：! 辈尘型 k + z + ，耐 r o + ，。 交流响应度为： 耻例2 紫而新 为热电偶的响应时间常数。 ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 一1 0 ) ( 2 一1 1 ) ( 2 1 2 ) 9 口舭 盯 咯 也筹 扣咏 华中科技大学硕士学位论文 当r o _ 时，热电偶处于开路状态，k 2 k ，交流响应度为： 如2 豇磊s a a 0 万 2 _ 1 3 ) 时间常数为： t=h|k(2-14) 当r 。寸，斗0 时，则直流响应度为： r 。= 譬r ( 2 - - 1 5 ， 对于由n 个热电偶堆组成的热电堆，其中每个热电偶的电阻为r ，负载阻抗为z ， 则整个热电堆的响应度和时间常数为。”： 拈丽鬈扔 沪1 6 ) ( z + ，) k i l + 国2 f 2y r：h|k(2-17) 其中k ：k + 掣 ( 2 _ 1 8 ) 兰+ ， 热电偶探测器的噪声等效功率为： n e p = 0 6 a c r k t s 6 ) ，2 ( 2 - - 1 9 ) 其中，a 为探测器的光敏面积，占为发射率，盯为斯特潘一波尔兹曼常数，t 为 温度。 2 1 2 薄膜探测器设计 2 1 2 1 材料选择 薄膜热电堆的响应特性与材料和结构密切相关。“，因此设计时必须进行材料的选 择，构成热电偶的材料有很多种，有金属材料，也有半导体合金材料。金属材料可以 用真空蒸发的方法实现，合金材料可以用射频溅射的方法获得多晶膜。 材料选择的一个综合性指标是优值z 嘲啪1 ： 一 l o 华中科技大学硕士学位论文 z = n2 bp( 2 2 0 ) 其中，n 表示材料的热电势率，0 表示材料的热导率，p 表示材料的电阻率，材 料的优值z 越大，构成热电堆的性能越佳。 因此，要提高探测器的响应度和响应速度，应使热偶材料和基底具有较小的热容， 较大的热导率和电阻率。综合考虑之后，我们选择了铝作为基底材料。 同时，对铝箔进行阳极化处理和抛光处理，将大大提高其承受大功率入射激光辐 射的能力，对提高探测器的响应度很有好处，也使得热偶材间具有良好的电气绝缘。 2 1 2 2 热电偶形状和结构参数影晌 热电偶形状有圆形辐射状，条形队列状等，考虑到激光辐射的特性，我们选用圆 形辐射状；同时使接收面较小。工作结集中，热参考结大而分散，参考结热量能尽快 发散。 热电偶堆热结数n h 存在一个优化值。一方面，n h 增加时，输出信号v s 增加，时 间常数减少，另一方面，n h 增加，探测器的内阻r 增加，因而探测器的噪声输出v n 增加，同时，每个热电偶响应度下降。 薄膜的厚度对响应度和噪声及响应时间常数的影响也是相反的，一方面，厚度t 较小时，响应度较大，另一方面，t 较小则探测器内阻较大，因而噪声输出较大，同 时时间常数也较大。 综合考虑以上因素，我们设计的薄膜热电探测器基本结构如图2 4 所示： m 2 0 厂 a b 图2 4 薄膜热点探测器结构 2 1 2 3 接收面处理 当探测器接收面的吸收系数提高时，可大大提高探测器的响应度。为了提高接收 面的吸收，通常在接收面表面涂上一层黑的对激光有较大吸收的材料，常用的涂黑材 料有蒸镀的金黑、碳黑、铝黑、锌黑和用化学方法沉积的铂黑等。 华中科技大学硕士学位论文 其中用金黑作为吸收薄膜，吸收系数高，性能最好。金黑在近红外的吸收系数高 达9 9 ，在0 2 5 一1 4 um 范围内基本上对波长没有选择性，相对于黑色涂料，金黑的 热容量几乎小两个数量级，蒸镀金黑后对器件的响应度可提高几倍甚至几十倍，而且 引起的相对相位延迟小，它能使得探测器的性能得到大的改善。 金黑是采用真空蒸镀的方法镀制的，金黑的黑度随金黑膜密度的增加而增加，有 时在蒸发源里放少量的碲，得到的金黑会更满意。 2 1 2 4 响应特性 ( 1 ) 响应度 热电偶堆的响应度随着热电偶结数增加而下降，随着热偶臂长度增加而增加，且 随着热敏面密度的增加而减小。 测量时，热电偶并不直接吸收激光辐射能量，激光能量由没有蒸镀热电偶的一面 吸收。因此，热电偶堆所感应的是由于基片吸收激光而引起的温差，当热电偶臂较长 时，热电偶冷端与热端的温差越大，因而响应度越大。 ( 2 ) 响应时间 结构参数的改变对响应时间的影响不大，造成原因是对结构参数的改变特别是电 偶密度的改变不大，不足以对响应时间产生较大的影响。热电偶堆采用真空蒸镀技术 镀制而成，而镀制掩膜板是通过电化学腐蚀而制成的，因而掩膜板条缝间距不能太小， 从而影响电偶密度，而且条缝密度不高，真空镀制也不能满足其精度要求。 ( 3 ) 噪声 对于我们的薄膜热电偶探测器，电极与电偶的连接是很重要的，接触不好时接触 电阻产生的热噪声会比内阻产生的热噪声更大，有时甚至大到淹没了热电偶的输出信 号，因此电极的连接是很重要的。 2 2 介质全反镜 我们知道，无论是早期新型激光器的研究，激光功率的提高，还是对光束质量提 高的研究，都要面临同一个问题，即激光系统光学元器件的质量问题m ”。关学元件 是激光系统中最重要的元件，它决定着激光器的性能，对激光功率、模式、聚集后的 华中科技大学硕士学位论文 光斑尺寸和光强分布有着决定性的影响。对谐振腔的任何改变都会影响到激光光束的 特性，从而影响到激光加工的质量。而我们采用激光腔内功率检测，就尤其需要考虑 这方面的影响。因此我们对介质全反镜的材料选择和膜系设计都进行了慎重的考虑。 2 2 i 材料选取 2 2 1 1 基底材料的选取 高反射镜基底材料在其工作范围内应有低的吸收系数，接近零或非常低的热膨胀 系数，低的折射率温度系数，硬度高，质量轻，热传导率高，从而使温度梯度和由此 引起的热畸变最小，能达到高的抛光度，与薄膜材料的结合力强等特点。 对于金属薄膜反射镜，因金属膜有较高的吸收和很小的透过率，因此要求基底材 料具有高的热传导率和低的热膨胀系数汹1 。以热传导率，吸收以及热膨胀系数构造评 价函数，比较1 0 6um 处常用的材料锗、铜、钼及硅等材料，硅具有较好的性质。 对于介质膜全反镜，特别是对于内腔激光取样的介质全反镜，要求基底对1 0 6 un l 激光具有较高的透过率，同时也要综合考虑材料的吸收系数、热传导率、折射率 温度系数、热膨胀系数以及介质薄膜的吸附能力等o ”。常用的1 0 6 u m 激光的基底材 料有砷化镓、锗、金刚石。氯化钾。硒化锌等。其特性参数如下表2 1 所示，其中 f o m 表示其品质因数，x 为用来描述其光学畸变的热畸变系数。 表2 1 集中材料的品质因数 材料 o “oo e盒刚石c la 匹oc d t e 品质因汝 f o m1 7 1 0 07 8 0 0i t x l 巾3 8 6 01 7 3 0 05 3 8 0 0 x0 3 70 1 5 53 41 8 62 62 0 5 可以看出，在这几种材料中，人造金刚石具有最高的品质因数，是比较理想的高 反射镜基片材料，但人造金刚石的价格昂贵，在实际应用中会导致激光器成本大大增 加，c d t e ，z n s e ，k c l 等材料作为基片材料也具有较好的性能，其次是g a a s ，s i 等， 同样的c d t e ，z n s e 成本较高，而k c i 镀膜难度较大，且具有溶解性。因此我们选用 华中科技大学硕士学位论文 g a a s 和s i 作为高反射镜的基片材料。对未镀膜的裸基片，用同样的激光照射g a a s 基片和s i 基片，s i 基片温升非常快，在不到1 分钟内升温到近4 0 0 度，激光照射部 分被烧红，整个基片的透过率接近为零，而g a a s 基片在同样功率激光照射和同样的 自然冷却下可以达到热平衡。而且g a a s 热膨胀系数较小，作为2 k w 激光器介质全反 镜基片，对激光振荡模式的影响较小。在我们所使用的2 k w 激光器中，使用镀金铜镜 和g a a s 介质全反镜，输出的都是5 阶模，用g a a s 介质全反镜代替镀金铜镜，可得到 同样的效果。所以，我们最终选用g a a s 作为介质全反镜基片材料。 2 2 1 2 薄膜材料的选取 介质薄膜材料种类很多，应用很广，因此在实际应用中，根据各种薄膜的特性， 选择合适的镀膜材料是很重要的工作。 选择薄膜材料必须考虑材料的光学特性，机械特性，化学稳定性等。一般应使薄 膜材料具有如下特性：适宜的透明范围，在应用波段有很小的光吸收和低的体散射： 适宜的折射率，良好的光学稳定性和均匀性，成膜后膜的折射率的重复性好；良好的 化学稳定性和真空热稳定性；力学性能好，内应力低，机械强度高，在多层介质薄膜 中要考虑材料的应力搭配；具有较高的硬度，薄膜的耐磨性较好；薄膜有较好的热稳 定性；不潮解，不吸湿；薄膜与基片、薄膜与薄膜之间有良好的附着性：在真空中放 气少，不存在挥发性物质；杂质含量低，不允许有吸附杂质；有适宜的蒸发源蒸发； 制备方便，价格低廉等。常用的薄膜材料特性如下表2 2 所示。 表2 2常用薄膜材料特性 熔点透射光范折射密度溶解度热膨胀系数硬度 材料( )围( p m ) 蛊 ( g c m 3 )( g ，l o o g ( 1 0 6 ) ( 1 e g r i m 2 )备注 水) c a f 2 1 2 8 00 1 5 - 1 21 2 33 2o 0 1 61 8 _ 3 88 2 1 , 2 b a f 2 1 2 8 0o 1 5 1 21 44 9o 1 71 8 48 2 n a 3 a 1 f 6 l o o o0 2 5 - 1 4l - 3 52 9 l ，3 , 4 n a f9 9 70 1 3 1 21 32 5 5 8 4 2 23 36 01 n a c l8 0 1o 2 - 1 61 4 9 2 1 6 53 9 1 23 8 9 51 8 2 k c l7 7 6o 2 - 2 01 4 51 9 8 45 6 73 67 2 1 4 华中科技大学硕士学位论文 y f 31 1 0 0 o 2 - 1 51 4 95 1 p r f 3 1 6 0 0o 2 2 1 51 5 l t h f 4 1 1 0 00 2 1 61 5 26 - 3 1 , 5 ，9 l a f 3 1 4 5 0 0 2 2 1 41 5 86 0 p b f 28 5 5o 2 5 - 1 7 1 7 58 20 0 6 42 o6 z n s1 1 0 00 4 - 1 42 34 1 0 0 0 0 0 66 71 7 81 z n s e1 5 2 50 5 5 1 52 4 05 2 7不溶解 7 61 3 0l g e1 6 0 02 - 2 34 45 3 2 7不溶解 5 7 5 7 8 07 c d t e1 0 4 20 9 - 1 53 0 56 2不溶解 4 5 6 l p r e8 5 03 5 - 2 0 s 68 1 6不溶解9 0 23l ，8 备注：1 、膜软2 、集聚密度低3 、易再结晶4 、内应力低5 、中等程度内应力6 、 内应力大7 、非常硬8 、有毒性9 、有放射性 ( 1 ) 高折射率材料的选取 在表2 2 所示的几种高折射率材料中，在1 0 6 um 处，z n s e 具有最小的吸收， 而且z n s e 具有较好的弹性，较大的折射率温度梯度，另外z n s e 薄膜较软，与基底结 合好，因此z n s e 被广泛用作c o , 激光器的窗口、输出耦合镜的基底材料和高折射率材 料。其透过率曲线如图2 5 所示： 4 0 0 0 508i 02 04 0608 01 0 浚长( u m ) 图2 - 5z n s e 的透过率曲线图 ( 2 ) 低折射率材料的选取 相对于高折射率材料而言，低折射率材料种类更多，可供选择的范围更广，但同 时在1 0 6um 处，没有一种材料能像z n s e 那样具有较好的特性，对低折射率材料应 综合考虑各方面的因素而予以取舍。 1 5 资v 料捌嘲 华中科技大学硕士学位论文 对于介质全反镜，若高、低折射率材料的折射率相差较大，则所需的膜层数较少， 因此在低折射率材料的选择中应选择折射率较小的材料。表中，c a f ：具有很低的折射 率，但是c a f ：膜比较疏松，聚集密度较小，因此对光的吸收较大。冰晶石是一种折射 率较低的材料，而且冰晶石的内应力小，但是它容易吸潮，又易于被损坏，而且冰晶 石在蒸发时将发生分解，在不同的蒸发速率下，膜的成分有较大变化，因此膜的重复 性较差。 t h f ；是一种性能比较好的材料，在1 0 6 um 处有较小的吸收，膜软，具有较好的 弹性和适度的应力，并且与z n s e 结合较好，膜牢固度好，但是t h f 。有一些不理想的 特性，尤其是它的放射性、它对湿度的敏感性以及为了获得牢固的膜需要高的基片温 度。因此在国内，在镀制和应用过程中缺乏保护措施的情况下很少得到应用。 对于表所示的氟化物低折射率材料，我们选取了几种，发现y r 和p b f 2 具有较宽 的光谱响应度范围，它们的熔点较低，采用热电极蒸镀，薄膜镀制比较容易，但是它 们的内应力比较大，用作激光全反镜介质膜料，必须改善其内应力。 b a f 。z n s e 是国内常用的膜结构，图2 6 为透过率曲线。 、 f f l i 1 35791 11 3 1 5 渡长( “m ) 图2 - 6b a f 2 的透过率曲线 b a f ：的折射率较低，成膜后内应力较小，膜结构较软，与z n s e 结合很牢固，因 此b a f 。z n s e 薄膜结构稳定，具有较好的重复性和均匀性，我们用这两种膜料和g a a s 作为基片镀制了激光窗口和激光输出镜，具有很好的重复性和均匀性。 1 6 盯 的 o 鬻u 埒捌唰 华中科技大学硕士学位论文 2 2 2 全反镜的透射性能 由于介质全反镜在功率测试系统中用作激光功率取样镜，同时由于激光器腔内功 率很大，因此反射镜的透过率是一个很重要的参数。谐振腔的损耗应尽量的小，同时 考虑到激光功率探头所能承受的激光功率不可能很大，反射镜的透过率应比较小。图 2 7 为采用红外分光光度计测量的反射镜样品在1 0 6um 附近的透射光谱曲线。 w h h i o 埘：5 7 椰- w 日1 0 i g m - i b 瓣孵唧辛a “ - r h飘睁； h b 时蚓- 柙q 睦 m r ： l ： l ：。 | t ，反射镜在该波长附近的透过率稳定在0 5 左右。 功率要求检测系统具有良好的线性，首先要求激光取样具有较好的线性，即 要求全反镜在工作状态具有稳定的透过率。图28为实测的反射镜透过功率随 入射功率变化的曲线，表明反射镜的透射光强具有良好的线性。 一 华中科技大学硕士学位论文 2 3 功率检测系统 2 3 1 功率检测原理 图2 - 8 全反镜透射光强的线性 高功率c o , 激光器是一种大功率激光器，它的运行功率可达万瓦以上，目前我们 所做的高功率横流c o 。激光器输出最大功率一般为2 千瓦或5 千瓦。这种大功率激光 器最主要的用途便是用于激光m t 。激光加工过程中，对于不同的加工材料和加工过 程，所需的激光功率往往相差较大。而对于表面处理等加工过程，激光功率直接影响 加工质量。因此，激光功率的提高和稳定便成为了长期以来人们追求的目标。激光加 工过程中，对激光功率的实时检测和控制也就变得非常重要。传统的采用激光功率计 或激光能量计进行检测的方法，对激光功率计的损伤阈值要求随着激光功率的不断提 高也越来越高，对探头的要求较高，通常只能选择石墨作为承受激光辐射的材料，所 以这种探头不仅响应很慢，而且通常需要水冷，测量时必须停止加工，严重影响了加 工的连续性，不能实时检测功率，给激光加工带来了较大影响。另一种检测技术是通 过对输出激光进行采样，通常是用旋转光刀采样，通过测量采样激光的功率来测量激 光功率矧。由于制作工艺的问题容易造成采样不稳定，因而引起检测系统不稳定，而 1 8 华中科技大学硕士学位论文 且不可避免的使激光输出光路变得复杂。 为了实现对激光功率的实时检测而又不影响激光输出，我们提出了一种新的采样 方法，就是通过能透过一定光( 如0 5 ) 的全放射镜进行内腔激光采样，即通过全 放射镜漏光取样腔内激光。对这一微小漏光我们通过一聚焦镜聚焦，并用一热电偶红 外探测器进行激光功率检测。利用热电偶的温差电效应将激光功率转化为薄膜探测器 输出端的电势差。 2 3 2 功率检测系统 2 3 2 1 检测原理 根据功率检测的原理及检测功率的一些必备条件，我们设计了整个功率检测系 统。其原理图如图2 9 所示。该系统详细研究了激光通过反射镜微小的漏光后的传 播途径，并最终通过智能化控制部件完成一定的转化过程，最终以直观的数字形式输 出显示。 输出镜全反镜聚焦镜探测器 l l i 爿口 由日脚 p l c 控制器 围 图2 9 功率检测系统原理图 其中全反射镜的透过率为0 5 ，聚焦镜的透过率为7 0 ，输出镜的透过率为 2 2 ，探测器输出的信号范围为o - - 5 0 m v 。所以对于输出功率为2 千瓦的激光器，全 反镜的输出激光功率约为o 一4 5 w ，而探头所承受的激光功率最大约为3 2 w 。 在该系统中，全反镜微小的漏光通过聚焦镜集中照射到探测器的一面，使得薄膜 探测器另一面的热电偶热端温度升高，由于冷端在冷却系统的作用下温度恒定，在温 差电效应的作用下热电偶两端将产生与温差呈线性关系的温差电势。我们测量热电偶 堆两端即探测器输出端输出的电压，就可找出其与激光器输出功率之间的关系。而将 1 9 华中科技大学硕士学位论文 探测器的输出端接到p l c 系统的模拟模块，就可由p l c 的软件用户界面方便的读出 测量信号并将这一信号转化为我们所需要的功率值。如果将p l c 得到的功率值送到 显示单元显示，用户就可得到准确的功率测量值。 2 3 2 2 功率检测装置 正确的理论要得出正确的结果必须有正确的装置来实现，为此我们依据图2 - - 9 所示的系统原理对激光功率系统的具体装置进行了详细的设计。我们最终设计出的功 率检测装置结构图如下图2 1 0 所示。 图2 1 0 激光功率检测装置结构图 被测激光通过的第一个媒介为高反射率的反射镜，激光通过这一透射率约为0 5 的反射镜后，必须由一聚焦镜聚焦，这样才能保证透射激光集中照射到薄膜探测器的 中间有效区域，激光通过检测过程中传输的第二媒介聚焦镜将损失3 0 的功率，只有 7 0 的激光照射到薄膜探测器上，使得探测器热端温度升高，与温度恒定的冷端产生 与照射激光功率成正比的温差电动势。在这一过程中，冷端温度的恒定是由冷却系统 来保障的，冷却水不断的对薄膜探测器的冷端即探测器的边缘部分进行冷却，这样冷 端的温度在冷却水的作用下基本上保证与水温相同，即维持温度恒定。同时冷却系统 也必须不断对反射镜和聚焦镜进行冷却，以保证这些光学元件能正常工作而不致因为 长期较高功率激光照射导致温度升高而被损坏。 同时，薄膜探测器产生的信号取自于热电偶堆上的两点，因而并不能方便的与外 部电路接口，所以必须设计一个简单可靠的接口部件取样探测器两个有效点的电压。 华中科技大学硕士