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  • 激光打標機中的激光光束參數是什么?

    激光光束參數測量是激光加工生產中的基礎工作,對產品質量有重要影響。

    1. 激光光束參數

    激光光束參數可以分為時域特性參數、空域特性參數和頻域特性參數三大類。

    1) 激光光束時域特性參數

    激光光束時域特性參數包括峰值功率、重復功率、瞬時功率、功率穩定性等。對激光加 工設備而言,激光的峰值功率是為重要的時域特性參數,常常要自己測量。

    2) 激光光束空域特性參數

    激光光束空域特性參數包括激光光斑直徑、焦距、發散角、橢圓度、光斑模式、近場和遠 場分布等。對激光加工設備而言,光斑直徑、焦距和光斑模式是為重要的空域特性參數, 常常要自己測量。

    3) 激光光束頻域特性參數

    激光光束頻域特性參數包括波長、譜線寬度和輪廓、頻率穩定性和相干性等。對激光加 工設備而言,頻域特性參數由生產激光器的設備廠家提供,一般自己不做測量。

    2. 激光光束空域特性參數概述

    1)高斯光束

    理論和實際檢測都證明,穩定腔激光器形成的激光光束是振幅和相位都在變化的高斯 光束,激光加工中大多數情況下希望得到穩定的基模(TEM。。)高斯光束,如圖2-1所示。

    2)基模高斯光束傳播規律

    基模高斯光束光斑半徑r會隨傳播距離z的變化按照雙曲線規律變化,可以用發散角沒 來描述高斯光束的光斑直徑沿傳播*方向的變化趨勢,如圖2-2所示。

     

    圖2-1基模高斯光束振幅示意圖
    圖2-1基模高斯光束振幅示意圖
    圖2-2高斯光束傳播示意圖
    圖2-2高斯光束傳播示意圖

    當z = 〇時,發散角0=0,光斑半徑小,此時稱為高斯光束的“束腰”半徑,“束腰”半徑 小于基模光斑半徑。

    當z為光束準直距離時,發散角0數值大。

    當z為無窮遠時,發散角0將趨于一個定值,稱為遠場發散角。

    可以在許多激光器的使用手冊上查到某類激光器的基模光斑半徑、準直距離、遠場發散 角沒等數據。

    3)基模高斯光束聚焦強度

    理論上可以證明,若激光光路中聚焦鏡的直徑D為高斯光束在該處的光斑半徑wU)的 3倍,激光光束99%的能量都將通過此聚焦鏡聚焦在激光焦點上,獲得很高的功率密度,所以 激光加工設備的聚焦鏡直徑不大,焦點處的激光光束功率密度卻很高。

    脈沖激光光束功率密度可達1〇8?1〇13 W ? cnT2,連續激光光束功率密度也可達105? 1013 W ? cnT2,滿足了材料加工對激光功率的要求。

    4)基模高斯光束焦點與焦深

    激光光束經過透鏡聚焦后,其光斑小位置稱為激光焦點,如圖2-3中的所示。焦點 光斑直徑^的數值可以由以下公式粗略計算:

    d=2fX/D

    式中:/為聚焦透鏡的焦距;?〇為人射光束的直徑;入 為人射光束的波長。

    圖2-3激光焦點圖示
    圖2-3激光焦點圖示

    由此可以看出,焦點的光斑直徑^與聚焦透鏡 焦距/和激光波長A成正比,與人射光束的直徑D 成反比,減小焦距/有利于縮小光斑直徑但是 /減小,聚焦透鏡與工件的間距也縮小,加工時的廢 氣廢渣會飛溉、黏附在聚焦鏡表面,影響加工效果 及聚焦透鏡的壽命,這也是大部分激光加工設備要使用擴束鏡的原因。

    如果導光聚焦系統能設計為f/d?1,則焦點光斑直徑可達到

    d = 2

    這說明基模高斯光束經過理想光學系統聚焦后,焦點光斑直徑可以達到波長的兩倍。

    5)基模高斯光束聚焦深度

    焦點的聚焦深度,是該點的功率密度降低為焦點功率密度一半時該點離焦點的距離,如 圖2-3中的△/所示。聚焦深度△/可以由以下公式粗略計算:

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

    由此可以看出,聚焦深度△/與激光波長A和透鏡焦距/的平方成正比,與入射到聚焦 透鏡表面上的光斑直徑的平方成反比。

    綜合來看,要獲得聚焦深度較深的激光焦點,就要選擇較長焦距的聚焦鏡,但此時聚焦 后的焦點光斑直徑也相應變粗,光斑大小與聚焦深度是一對矛盾,在激光加工時要根據具體 要求合理選擇。

     

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