激光打标机中的激光光束参数是什么?

激光光束参数测量是激光加工生产中的基础工作,对产品质量有重要影响。

1. 激光光束参数

激光光束参数可以分为时域特性参数、空域特性参数和频域特性参数三大类。

1) 激光光束时域特性参数

激光光束时域特性参数包括峰值功率、重复功率、瞬时功率、功率稳定性等。对激光加 工设备而言,激光的峰值功率是最为重要的时域特性参数,常常要自己测量。

2) 激光光束空域特性参数

激光光束空域特性参数包括激光光斑直径、焦距、发散角、橢圆度、光斑模式、近场和远 场分布等。对激光加工设备而言,光斑直径、焦距和光斑模式是最为重要的空域特性参数, 常常要自己测量。

3) 激光光束频域特性参数

激光光束频域特性参数包括波长、谱线宽度和轮廓、频率稳定性和相干性等。对激光加 工设备而言,频域特性参数由生产激光器的设备厂家提供,一般自己不做测量。

2. 激光光束空域特性参数概述

1)高斯光束

理论和实际检测都证明,稳定腔激光器形成的激光光束是振幅和相位都在变化的高斯 光束,激光加工中大多数情况下希望得到稳定的基模(TEM。。)高斯光束,如图2-1所示。

2)基模高斯光束传播规律

基模高斯光束光斑半径r会随传播距离z的变化按照双曲线规律变化,可以用发散角沒 来描述高斯光束的光斑直径沿传播*方向的变化趋势,如图2-2所示。

 

图2-1基模高斯光束振幅示意图
图2-1基模高斯光束振幅示意图
图2-2高斯光束传播示意图
图2-2高斯光束传播示意图

当z = 〇时,发散角0=0,光斑半径最小,此时称为高斯光束的“束腰”半径,“束腰”半径 小于基模光斑半径。

当z为光束准直距离时,发散角0数值最大。

当z为无穷远时,发散角0将趋于一个定值,称为远场发散角。

可以在许多激光器的使用手册上查到某类激光器的基模光斑半径、准直距离、远场发散 角沒等数据。

3)基模高斯光束聚焦强度

理论上可以证明,若激光光路中聚焦镜的直径D为高斯光束在该处的光斑半径wU)的 3倍,激光光束99%的能量都将通过此聚焦镜聚焦在激光焦点上,获得很高的功率密度,所以 激光加工设备的聚焦镜直径不大,焦点处的激光光束功率密度却很高。

脉冲激光光束功率密度可达1〇8〜1〇13 W • cnT2,连续激光光束功率密度也可达105〜 1013 W • cnT2,满足了材料加工对激光功率的要求。

4)基模高斯光束焦点与焦深

激光光束经过透镜聚焦后,其光斑最小位置称为激光焦点,如图2-3中的所示。焦点 光斑直径^的数值可以由以下公式粗略计算:

d=2fX/D

式中:/为聚焦透镜的焦距;•〇为人射光束的直径;入 为人射光束的波长。

图2-3激光焦点图示
图2-3激光焦点图示

由此可以看出,焦点的光斑直径^与聚焦透镜 焦距/和激光波长A成正比,与人射光束的直径D 成反比,减小焦距/有利于缩小光斑直径但是 /减小,聚焦透镜与工件的间距也缩小,加工时的废 气废渣会飞溉、黏附在聚焦镜表面,影响加工效果 及聚焦透镜的寿命,这也是大部分激光加工设备要使用扩束镜的原因。

如果导光聚焦系统能设计为f/d〜1,则焦点光斑直径可达到

d = 2

这说明基模高斯光束经过理想光学系统聚焦后,焦点光斑直径可以达到波长的两倍。

5)基模高斯光束聚焦深度

焦点的聚焦深度,是该点的功率密度降低为焦点功率密度一半时该点离焦点的距离,如 图2-3中的△/所示。聚焦深度△/可以由以下公式粗略计算:

A/=4A/2/(^D2)

由此可以看出,聚焦深度△/与激光波长A和透镜焦距/的平方成正比,与入射到聚焦 透镜表面上的光斑直径的平方成反比。

综合来看,要获得聚焦深度较深的激光焦点,就要选择较长焦距的聚焦镜,但此时聚焦 后的焦点光斑直径也相应变粗,光斑大小与聚焦深度是一对矛盾,在激光加工时要根据具体 要求合理选择。

 

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