大功率激光光束质量分析

先进的制造技术和更快更准确的控制工序使大功率激光器成为新的金属焊接和切割应用的有力工具。由于激光焊接和切割技术具有高效率和低成本的特点，目前激光焊接和切割技术正逐渐取代老工艺焊接和切割技术。

然而，为了满足高精度高质量的应用，尤其是在自动化产业，使用激光器作为高质量、高效率加工工具逐年增加。同样，由于激光焊接和切割是非接触工艺，所以不存在金属形变的问题。

光束空间特性

在激光加工领域，光束横截面功率密度分布是一个很重要的参数，它决定整个加工系统的性能。激光沿着传播路径在不同的空间位置具有不同的光斑直径和功率密度，这一特性是由激光器的谐振腔、发散角、光学元件的相互作用以及驱动电源的特性决定的。虽然现有的理论能够准确的预测激光在实际工程中的传播特性，但是对于研究人员，系统工程师和激光厂商来说，能够精确测量激光器的空间传输特性是至关重要的。

图1  激光沿z轴在不同位置的光束轮廓测量

好的光束质量和高连续功率赋予了光纤激光器具有深穿透焊接以及优越的金属切割能力。为了满足低强度热焊接，可以将这些连续激光器调制成具有高峰值功率和低平均功率的脉冲激光器。光纤传输灵活方便，更容易集成到焊接头、振头、机器人和遥控焊接系统中。无论采用何种光束传输，光纤激光器具有无与伦比的性能并且能够实时测量在焦点处的光束轮廓。

激光材料加工对光束特性极其敏感，最终与光束质量密切相关。激光切割和烧蚀特性取决于光斑直径及其周围的衍射环或基座。在激光焊接中，焊缝的特性取决于材料的种类、光束的功率密度和稳定性、景深等等。此外，热透镜效应直接影响光束质量和稳定性。

为了进一步理解大功率光束剖面的复杂性，我们将描述两个主要应用的特性：焊接和切割。

激光焊接

有许多焊接方法，但我们更关注于这种焊缝之间使用填充材料的沉积焊接。沉积焊接也是一种有用的表面精加工工艺，同样也可以修复或者修改现有部件。在自动沉积焊接中，机器将填充材料输送到焊接区域，此区域经过焊接。然后冷却，金属层将固化并可机械加工。

图2显示了典型的沉积焊接头，由于保护玻璃与光斑位置之间的工作距离有限，所以直接在其机械外壳中测量激光束是非常困难的。此外，填充导轨也需要伸入到激光头和工件之间的自由空间，所以也进一步限制了工作距离。

                  图2 激光焊接原理图

激光焊接的原理：聚焦激光光束照射到填充丝线上，将丝线形状的材料加热到熔点，并将其和要焊接或者填充的表面融合。一旦它完成焊接或者填充工件时，通过将激光头沿着预定的焊接轮廓移动来继续这个过程。激光光束沿着零件轮廓移动，熔化填充材料并焊接，然后继续移动。

激光切割

切割是激光在材料加工中最大的应用之一。波长、功率、光束质量和光斑尺寸是决定切削动力学的一些参数。在应用方面，脉冲激光器用于薄型金属和有色金属的细刻磨。而连续激光器用于切割各种各样的厚材料。掺镱光纤激光器非常适合于激光切割。

激光切割原理：图3展示了聚焦的激光束照射到工件上，加热材料到熔化甚至汽化的切削过程。一旦完成工件一处位置的切削，激光束将沿着零件轮廓进行下一处切削过程。

图3 激光切割原理图

光纤激光器为大多数应用提供了一些特征：红外波段950-1070nm,功率千瓦，光束质量好，工作功率范围宽，功率稳定，光斑尺寸小。从其薄如纸的半导体芯片到30毫米厚的钢板都可以进行微米精度的切割接缝。总之，激光可以处理各种材料的加工任务。

初步结论

高功率连续或脉冲光纤传输的激光系统的性能必须得到评估。对于功率不小于4000w的激光器，测量激光参数是一项艰巨的任务。为了达到加工的最佳效果，测量激光参数应定期在不同的工作环境下进行，最好是在生产线上进行测量。测量的主要参数是总输出功率及其稳定性、光束大小及其强度分布、光束指向稳定性和总位置精度。这样测量会更困难，测量应迅速执行快速数据传输到激光控制计算机上进行在线校正。

在当今的制造过程中，上述任何参数的测量都没有一个统一的标准。大多数的测量设备都不适用于工业环境，特别是需要在线测量时。即使是最基本的激光参数-光功率-测量设备是标准的，但是它们的响应时间和安装方式对于快速或在线测量是不适用的。

大多数测量设备在工业环境中也不适合测量高功率激光器，这些设备不允许在满功率情况下测量，尤其是不能在焦点处。最近发展的非偏振光束取样装置解决了大多数这些障碍，能够实时测量光束参数。在图4中，提出了一种利用仪器表征高功率光束传输的实用测量方法。

图4 一种表征高功率光束传输特性的设备

测量原理

图5是激光光束传输和测量设备示意图，聚焦激光束入射到光束采样器的输入孔内，通过反射光束取样后，其功率大大降低。第二反射进一步降低光束功率并恢复原来的光束偏振状态。此外，双倍取样光束到达探测器-激光光束分析仪。在该应用中，使用由duma optronics生产的刀口法光束质量分析仪。对于连续高功率测量，鉴于其在功率和多个光束轮廓测量的准确性，这将是首选的测量装置。当需要额外的功率衰减时，由于特殊的衰减系统，光束不会失真。通常，大部分光束经取样装置后发出，采样率约为主光束功率的0.1%。

图5 激光光束传输和测量设备示意图

结果

图6是4000w激光的典型测量结果，经取样光束器输出的光功率为3963w，我们可以看到相互垂直方向的两个光斑大小分别为565.9μm和570.9μm（功率密度50%）以及光束轮廓的3d成像。

图6 4000w激光的典型测量结果图

从测量的结果可以看出这里有几个有趣的特点：

v  5hz数据更新速率（功率和光束轮廓实时测量）。

v  功率升高过程中，光束轮廓和位置是非常稳定的。

v  有效功率（加工主瓣）占总功率的50%。

结论

论证了一种实用型的高功率激光实时测量方法。测量是在激光的焦点上进行的，进一步发展创新的光束采样可以实时精确测量50甚至100千瓦的激光功率。

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