高功率激光加工中光束聚焦的分析和模拟..docx

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1、0 ，4m高功率激光加工中光束聚焦的分析和除拟TW f Jo lw Uv ww能 wbM* BBBM Z fftwwmi ， aei，*1 aei，*1工”工ux，vx , : iuetnaB4ftaocv44iat.* 0tfaM-a， xux，vx , : iuetnaB4ftaocv44iat.* 0tfaM-a， x工启，1工，长11， 人g *aCY 1，9I（了 工。第，j Me，*/ IM 3 衾Q,# K ，力/ . , 人工 3rrr 、, VlfllT V ”-一?1，”图1单透镜聚焦结构Fig. 1 The structure of the lens focusing汽化

2、的物质,以实现切割。这种结构也可以用作焊接和热处理，此时辅助气体以 较低速从喷嘴喷出。使用透镜聚焦也有一定的限制:能够透过波长为106tm的C02激光的晶体材料 很少,这些有限的可以透过Coz激光的材料因受到机械强度、镀膜性能、吸收率、 潮解或价格等各方面的限制，真正能够用于IkW以上连续C02激光器的也只用两三 种材料，例如ZnSe和GaAso这两种材料与能透过1.06umYAG激光的玻璃透镜相 比价格较贵。另外使用球面透镜聚焦,透镜的球面像差对聚焦性能有一些影响。平 凸透镜和凹凸透镜产生的球差使光束外围部分在不同于光束内部部分的位置上成焦, 聚焦后光斑能量分布主要取决于球差，球差越大，能量

3、分布弥散圆越大。图2和图3 分别为模拟的一种ZnSe凹凸透镜聚焦时焦平面上的点列阵图和波前图，从图中可以damage produced 1 aser J . J . A p p1 . P h ys . , 1 9 6 5, 36:3688. mi r R.P. Howson, L. J .Williss . , 1 9 6 5, 36:3688. mi r R.P. Howson, L. J .Williseingermaniumat10.6 弘 m2 3:5 献1 陶汪，陈彦宾, 应用激光，2 0 0 5, 26 D.C.Emmony,.Laser r o r d a m a g；J . A

4、 p p1 .Phys.P .M. Fauchet, A :e s o n silicon 参考文李俐群,5 (4)等. 3 0 4不锈钢激光点焊工艺研究J .：2 3 2-2 3 3 . 2师文庆.振镜扫描式激光点焊技术中扫描路径的优化J .应用激光，2 0 0 8,2 8(4): 332333. andgalliumarsenide under pic osecond pul se illumination J . A p p1 .Ph y s . L e t t . , 1 9 8 2, 4 0:8 2 4. 8 J . F . Y o u n g, J . S . Preston, H

5、 . M . v a n induced p e r i o d i c G e o S 1 , A 1 , a n d D r i e1 , eta1. Laser on surfac e structure. II .Experiments brass J . P h y s . R e v . , 1 9 8 3, 27:155.228万 方数据高功率激光加工中光束聚焦的分析和模拟作者：作者单位：刊名：英文刊 名：年，卷(期：胡昌奎，杨应平，Hu Changkui, Yang Yingping武汉理工大学 理学院，湖北，武汉,430070应用激光APPLIED LASER 2009,29

6、(3参考文献(10条1 .筐 梅;奚居雄高功率CO2激光束的聚焦1995(01 2.石鸿斌;程兆谷彳余国良激光束经离 轴抛物面镜聚焦后光斑特性的研究期刊论文上中国激光2000(10 3.友清激光加工应 用的聚焦透镜1999(03 4.张以漠应用光学1982 5.王家金激光加工技术1992 6.闫毓 禾;钟敏霖高功率激光加工及应用1994 7.丘军林高功率激光器的光束质量及其对 激光加工的影响1994(02 8.胡昌奎;陈培锋;黄涛高功率激光加工中光束的转换、聚 焦和整合期刊论文-激光与光电子学进展2004(02 9.杨扬CO2激光束几种聚焦方案 的比较期刊论文-激光杂志1999(02 10.罗

7、曦;陈培锋;王英一种大功率激光加工用新 型宽带光斑成形抛物面镜期刊论文卜中国激光2008(11本文链接：. 1 .aspx看出透镜聚焦具有很好的对称性，整个光斑的均方根半径为16.842弘m,几何半径为 29.548/zm。图4为光束交切曲线，可见，透镜聚焦存在较大的像差。虽然采用非球面透镜和衍射透镜可以减少或消除球差，但使用晶体透镜还有一 些其他问题，其中最明显的问题是寿命较短。晶体透镜都需要镀增透膜，一般来说膜 层对激光的吸收远大于透镜本身对激光的吸收。膜层会吸潮、被污染及被激光损 伤。随着使用时间的延长，膜层对激光的吸收也越来越严重，最后无法使用。使透镜 失效的最重要的原因一般不是因为透

8、镜吸收热量过多导致炸裂，而是由于明显的热 透镜效应使激光无法有效聚焦。热透镜效应简单说是激光通过温度分布不均匀的晶 体时,由于晶体的面型改变和晶体折射率随温度变化两方面原因引起的光路畸变现 象。透镜吸收的热量一般是通过透镜边缘的冷却面用冷却水散掉，这样就会在透镜 表面沿半径方向形成温度梯度，透镜中心温度最高，其外缘温度最低。对于会聚透镜 而言一般一224-1.00_r- mooj稽j珅0嘲.黝删,一。k叼鼎硼册图2单透镜聚焦点列阵图Fig.2The spot diagram of the lens focusing图3单透镜聚焦的波前图Fig.3The wavefront of the len

9、s focusingtY_oorl D aDoo难 coE灯j卜:/i PY 市/:一j1 Bteasv 卧 Z州 Po mA.0T:;产撬。To m“ r L m a “GGGGG “o t bl yj- o亡是。署出。：o唧图4单透镜聚焦的光束交切曲线Fig.4The Ray Fan of the lens focusing是中心部分凸出的旋转对称形状，中心部分厚度大于边缘部分。透镜材料的导 热率又比较低，所以当激光束从透镜面垂直方向照射其中心部分时，就会使透镜中心 部分首先吸收大量的热,温度急剧升高，当部分热量困难地传导至透镜边缘时又被冷 却剂迅速带走。结果越接近镜子中心，温度值越高，而

10、越接近镜子边缘温度梯度越 大。所以可以假设温度对于平行平面镜的影响，是在原有镜面的面型上叠加一片薄 的随温度变化的旋转抛物面透镜。对于中心厚边缘薄的透镜来说情况则更差，透镜 比平面镜有更大的温度梯focusing len度，从而使透镜的聚焦性能急剧变坏5。这样相对于toiaef *a.mmbi *1.、* Q险一。-11,内，.2 1e/时.怜1一.、toiaef *a.mmbi *1.、* Q险一。-11,内，.2 1e/时.怜1一.、I ，!( ?倒。J。 以今 GR，口.B4aafv4 k4 ，!. ft。* atFH. NAW0f (1A1，一. H fn r. ceaYA4aeMic

11、4nfl afi0、w 0” 4 c“yACWSCCNKOII ftM A PfttBK*, 一”.，/ in*ta4 tn r.n cH. W 一+， 盒.咫？“ A 3 0e.*ttV.XV4l dtMQR ，加e1 A 一/ 一一 上 ASUMI ft，, ，4， 9 fflABT MI v -、 I. fW tw： tevf * J W4 G.：.，. * tflA理. * 9 ?，MFm.AM VV*r.U|M. etrrtf.MAWI &， 华0Za4iaviaeiVB9 -Alt口气焦工6/0 一一Qtj Qb t一 Jo图13小角度入射球面镜反射聚焦结构Fig. l3The s

12、tructure of spherical focusing3离轴抛物面镜反射聚焦无论采用什么方式，球面镜聚焦由于球差会影响聚焦效果,即使是轴向入射的光 束,也会存在球差的影响，这一点可以从图12看出。如果采用非球面镜聚焦，则可是 使球差得到消除。非球面镜聚焦消除球差的原理如图14,轴上物点A入射到曲面上 的反射点P(z,y,经反射后成理想像于B,曲面要求消除球差,根据费马原理，满足等光 程的要求有口 +6 Z+,/(z一z2+y2+ /(厂-z2+y2 - z+厂整理得y2 一筹一器z2上 JI,L,Y J Y投，飞,/BOXx/？ t一 77 7图14无球差曲面原理图Fig. MThe p

13、rinciple without sphericalaberration with miniangle beam可见消除球差的等光程面是二次曲面。当物在无限远时油面为抛物面Y24 缸,厂为有效焦距（EFL10|。图15、16和17分别为轴向入射抛物面聚焦时的点列阵 图、波前图和光束交切曲线。w.m%L-EI旧。喇州SP 口 1 口】RORRn熏慧gl UE裂噌等!lj2 黜 s:.醯。；。” ；。12;筝嚣 j 器嚣 i:、。i 警 Hx图15抛物面反射聚焦点列阵图Fig.l5The spot diagram of paraboloid二 i7 lP-DTFLhCT DN建藤578靴”51跑自

14、蹋酢H聪.It*是盘署盟。8O 02,图16抛物面反射聚焦波前图Fig.l6The wavefront of paraboloid focusingOBJ; 口 aDO 口 DECEr EX-惦圮t坚叶YFnqnT9SO PT/器;黜“o J 1(.月贝凡。，O O Ot品景器船。8O留图17抛物面反射聚焦光束交切曲线Fig.l7The Ray Fan of paraboloid focusing从图中可以看出抛物面聚焦时,焦平面 的聚:光斑均方根和几何半径都为0,子午面和弧失面的差值也均为0,达到理想状态, 这与理论分析一致,消除了球差。所以抛物面反射聚焦常用于对光束聚焦要求较高 的加工场合

15、。4结论透镜聚焦结构由于具有很好的密闭性，适用于切割加工。但由于存在热透镜效 应,所以在局功率 227激光加工中不使用透射聚焦方式，而是使用冷却效果较好的反射聚焦方式。 球面镜反射聚焦中，较大的球差会影响聚焦效果，因此在对聚焦光斑要求较高的 场合，常常使用离轴抛物面反射聚焦方式。在实际应用中，应根据具体要求选取 合适的聚焦方式。带光斑成形抛物面镜J .中国激光，2 0 0 8, 3 5 (1 1 ) : 3 5 8卜6 5 8 1 . 5 杨扬.C O :激光束几种聚焦方案的比较 J ,激光杂志，1 9 9 9 ; 2 0 ( 2 ) : 2 9-3 2 . 6胡昌奎，陈培 锋，黄涛.高功率激

16、光加工中光束的转换、聚焦和整合J .激光与光电子学 进展，2 0 0 4, 4 1 (2 ) : 5 3-5 6 .参考文献1 筐梅，奚居雄.高 功率CO :激光束的聚焦口 .光电子技术与信息，1 9 9 5, 8 ( 1 ) : 2 0 -2 2 . 2 友清.激光加工应用的聚焦透镜J .激光与光电子学进展， 1 9 9 9, ( 3) : 3 1 -3 4 . 7 丘军林.高功率激光器的光束质量及其 对激光加工的影响J.激光技术，1994; 18 (2):86 91. 8闫毓禾，钟敏霖.高功率激光加工及应用M .天津：天津科学技术出版 社，1 9 9 4, 7 0 9王家金.激光加工技术M

17、 .北京：中国计量出版 社，1 9 9 2,7 7. 3石鸿斌，程兆谷，徐国良，等.激光束经离轴抛物 面镜聚焦后光斑特性的研究U .中国激光，2 0 0 0, 2 7 ( 1 0) : 8 8 0-8 8 6 . 1 0张以漠编.应用光学M .北京：机械工业出版社，1 9 8 2, 6 0 1 -6 0 2 . 4 罗曦，陈培锋，王英，等.一种大功率激光加 工用新型宽(上接2 0 2页)3结论激光束不垂直照射工件时(口？9 0。), 焊点形貌3关振中.激光加工工艺手册M .北京：中国计量出版社，1 9 9 8, 2 4 3-2 4 4 .呈现椭圆形。当入射角。逐渐减小时，焊点表面熔宽 (BW)逐渐减小，而熔长(B L)则迅速增加。随脉冲能量的增加，焊点表面 直径逐渐增加。在显微镜下观察，焊点中心塌陷越来越明显。脉冲宽度的增加， 使焊点表面直径增加，但脉冲能量的变化对焊点表面直径的影响明显大于脉冲宽 度。4王伟平，吕百达，刘仓理.激光辐照下光学元件表面波纹现象研究 J .激光与光电子学进展，2 0 0 2, 3 9 (7) : 2 8-2 9 . 5 M . Bi rnbaum. Semi conductor b y ruby surface