激光切割机光学相关知识.ppt

1、激光切割机光学相关知识,王永春于2012年2月22日整理,光的粒子特性,当光与物质相互作用时，如果产生原子对光的 发射和吸收的话，就可以体现出光的粒子性（光子）。 光的受激辐射放大，即激发态（高能级）粒子 受到外来光子的激励作用跃迁到基态（低能级）， 同时发射一个与外来光子完全相同的光子。,激光（laser）,激光的主要特性,普通光源：自发辐射，多波长，任意方 向，不相干,激光： 受激辐射，单色性好, 方向性好， 相干性好，亮度高.,光的电磁波特性,电磁波是一种横波，电场方向、磁场方向以及 传播方向三者相互垂直。 光是一种电磁波，也是一种横波，影响光场能 量分布的是电场强度矢量E，所以光的振动

2、方 向即为电场矢量E的方向。,光的偏振状态,线偏振：光振动限于某一确定的平面内，光矢量在垂直 于传播方向的平面内的投影为一直线。,圆偏振：偏振面相对于传播方向随时间以圆频率w 旋转， 且在垂直于传播方向的平面上的投影构成一个圆。,椭圆偏振：偏振面相对于传播方向随时间以圆频率w 旋转， 且在垂直于传播方向的平面上的投影构成一个椭圆。,激光是一种偏振光，这是由激光形成的原理决定的。 受激辐射的特点： 受激辐射所产生的光子与外来光子具有相同的： 相位信息 传播方向 偏振状态,由于激光在谐振腔内部金属表面的来回反射， 最终会形成一种有着固定偏振方向的线偏振光。,由于线偏振光在激光切割中存在一定的缺陷性

3、，所以 现在都选用圆偏振光来进行切割。,垂直于入射面的分量更容易反射， 平行于入射面的分量更容易投射。,如何从将线偏振光 转变成圆偏振光？,相位延时器,波晶片简称波片，也叫相位延时器，用来改 变或检验光的偏振情况。当线偏振光垂直入射到 晶片，其振动方向（与光的传播方向垂直）与晶 片光轴夹 角，于是入射的振动光分解成垂直于 光轴和平行于光轴的两个分量，它们对应晶片中 的 o光和e光，而波片能使互相垂直的两光振动间 产生附加光程差。,圆偏振镜四分之一波片,当线偏振方向与晶体光轴成45入射时，出射光变成圆偏振光。,高斯光束的主要特征参量,通常情形,激光谐振腔发出的基模辐射场,其横截面的振幅 分布遵守

4、高斯函数,故称高斯光束.,高斯光束传播过程的发散性质,高斯光束和普通光束有很大的区别，它的传播方向性很好， 但同时也会不断的发散。在传播过程中，它的波面曲率一 直在变化；严格的讲，除光束中心以外，高斯光束并不沿 直线传播。,远场发散角,为光波长，,为高斯光束的束腰半径。,高斯光束质量的 评价,光束质量是激光可聚焦程度的度量。 描述激光光束品质的因子 定义为：,聚焦和扩束准直都不会改变光束质量。,高斯光束的模式分布,高斯光束模式,TEMlm,m表示沿x方向有m条节线，l表示沿y方向有l条节线。,高斯光束的透镜变换,高斯光束经光学系统变换后仍保持高斯分布的特性。 通过变换矩阵可以解出经光学系统变换

5、后，高斯光束 的束腰半径和束腰位置。,典型激光器,激光器的组成,常用激光器由三部分组成：,工作物质 泵浦源 光学谐振腔,激光,激光器结构示意图,轴快流二氧化碳激光器,激光器工作物质,CO2激光器的工作物质由CO2，N2和He三种气体组成。,CO2：产生激光辐射的气体,N2：起能量传递作用，增加激光上能级粒子数的累积,He：1. 有利于激光下能级的抽空；2. 实现有效的传热,CO2激光器的优点,一、输出波段正好是大气窗口(即大气对 这个波长的透明度较高) 二、利用CO2分子的振动-转动能级间的 跃迁的，有比较丰富的谱线 三、比较大的功率和比较高的能量转换效率,光纤激光器,光纤激光器主要由泵源、耦

6、合器、掺稀土元素光纤、谐振腔等部件构成。泵源由一个或多个大功率激光二极管构成, 其发出的泵浦光经特殊的泵浦结构耦合到作为增益介质的掺稀土元素光纤内, 泵浦波长上的光子被掺杂光纤介质吸收, 形成粒子数反转, 受激发射的光波经谐振腔镜的反馈和振荡形成激光输出。,光纤激光器的优点,转换效率高（高达20%） 寿命长，可在恶劣环境下工作 无需庞大的水冷和风冷系统，以及电源系统 外形紧凑，体积小，且方便光纤导出。,性能对比,首先，作为主流的传统的激光切割、焊接设备都采用 CO2激光器，可以稳定切割20mm以内的碳钢，10mm以内 的不锈钢，8mm以下的铝合金。光纤激光器在切割4mm以 内的薄板时优势明显，

7、受固体激光波长的影响它在切割厚 板时质量较差。 其次，正是由于CO2和光纤激光两者的波长相差一个数 量级，前者是不能用光纤传输的，后者可以用光纤传输，大 大增加了加工的柔性化程度。 再次，光纤激光的光电转化率高达25%以上，而CO2 激光的光电转化率只有10%左右，在电费消耗、配套冷却 系统等方面光纤激光的优势相当明显。,切割机外光路系统,在外光路设计时，首先要了解激光器的特性，激光器的发 散角、出口光斑的直径大小，激光器光腰所在的位置，光腰处 的光斑尺寸大小，选出最佳光程有效范围，设计时尽可能将光 腰位置设置在设备行程的中间，保持切割近端和远端不会有太 大的差别。 如果机床台面太大，光程超过

8、6米则要求附加特殊光路设计 来使得光束聚焦情况在整个工作台面保持一致。,激光扩束镜,作用：一、扩展激光束的直径； 二、减小发散角，实现准直传输。 （对高斯光束来说，光束直径和发散角的乘积为定值）,激光切割机上一般不要装扩束镜，只有在光路比较长的 情况下才用。如果光路从激光器到切割头上的距离超过 该激光器的质量光程，这时候就要加扩束镜。,光路补偿系统,移动透镜,在切割头增加一独立的移动透镜的F轴。当机床工作 台移动或光轴移动时，光束从近端到远端F轴同时移动， 使聚焦后光斑直径在整个加工区域内保持一致。,控制聚焦镜,从上图可以看出，改变入射到聚焦镜上光斑的发散角可以改变焦点 的位置，所以我们可以在

9、光路中加入曲率可调的反射镜片，通过气 压的控制改变它的曲率半径，从而改变光束的发散角。,聚焦镜的选择,根据公式可以看到，透镜焦距增加，焦点的光斑半径将增大， 功率越低，但同时很得到更大的焦深（在切割中称为有效切 割范围）。,焦深：焦点两侧直径变化5%的两光斑间距。,从图中可以看出，5in透镜的有效范围大于3in的范围， 焦深越长，则切割中的操作允许度越大。 所以，需要切割的板材越厚，需要的焦深越长，需要 激光的能量越大。,激光切割工艺,切割过程是激光光束、辅助气体和工件之间的相互作用。,1.单模：是切割最理想的模式，主要出现于功率小于 1000w的激光器。 2.低阶模：与基膜比较接近，主要出现

10、于1-2kw的中 功率激光器。 3.多模：是高阶模的混合，出现在功率大于3kw的激 光器。,激光模式,激光功率,激光切割所需要的激光功率主要取决于切割类 型和被切割材料的性质。气化切割需要的激光功率 最大，熔化氧气切割最小。激光功率对切割厚度、 切割速度和切口宽度等有很大的影响。一般激光功 率增大，所切材料的厚度增加，切割速度增加，切 口宽度也有所加大。,焦点位置（离焦量）,以被加工物质表面为基准而设定的焦点位置，直接影 响切口宽度及坡度、切断面粗糙度、沾渣附着情况。这是 因为根据焦点位置，被加工物质表面的光束直径以及焦点 深度有所变化，从而使加工沟的形状引起变化，影响通过 加工沟的加工气体及熔融金属的流动。,焦点深度,切割较厚钢板时，应采用焦点深度大的光束，以获得垂直 度较好的切割面。但是焦点深度大，光斑半径也增大，功 率随之减小，使切割速度降低。若要保持一定的切割速度， 则需要增大激光的功率。切割薄板时，宜采用较小的焦点 深度，光斑半径小，功率密度高，切割速度快。,切割速度,切割速度直接影响切口宽度和切割表面粗糙度。不 同的材料的板厚，不同的切割气体压力，切割速度有一 个最佳值，最佳值约为最大切割速度的80%。,辅助