擴(kuò)束系統(tǒng)在激光加工系統(tǒng)中的重要作用講解

1、第23卷第6期1999年 12 月激 光 技 術(shù) LASER TECHNO LOGY Vol . 23, No .6December , 1999擴(kuò)束系統(tǒng)在激光加工系統(tǒng)中的重要作用趙俠(華中理工大學(xué)激光加工國(guó)家工程研究中心,武漢,430074摘要:介紹了擴(kuò)束系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，從理論上計(jì)算了擴(kuò)束系統(tǒng)對(duì)激光光束質(zhì)量的影響， 并對(duì)其進(jìn)行了分析和討論。關(guān)鍵詞:擴(kuò)束系統(tǒng)激光加工發(fā)散角光斑導(dǎo)光系統(tǒng)The importa nee of the beam expa nder in laser process ing systemZhao X ia(N ational Engineering Research Cen

2、ter for L aser Processing , HUS T , Wuhan , 430074A bstract :T he con structi on of the beam ex pan der has bee n in troduced . T hein flue nee of the beamex pan der on the laser beam quality has bee n discussed and an alyzed theoretically .Key words :beam ex pan der laser process ing diverge nee be

3、am spot beam delivery system引 言近年來,隨著激光器件的性能與激光功率的不斷提高，激光加工在工業(yè)生產(chǎn)中所 占的比例越來越大。在激光加工應(yīng)用中，對(duì)激光的光束質(zhì)量有不同的要求。其中又 以激光切割和激光打標(biāo)對(duì)光束質(zhì)量的要求最為苛刻。例如，對(duì)激光光束的平行度，即發(fā)散角和聚焦光斑的要求就很高1 0為了獲得高質(zhì)量的光束，在激光切割和打標(biāo)系統(tǒng)中，我們采用了激光擴(kuò)束系統(tǒng)以 達(dá)到良好的聚焦效果。1擴(kuò)束系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)擴(kuò)束系統(tǒng)是由至少兩個(gè)光學(xué)元件組成的光學(xué)系統(tǒng)，主要用于擴(kuò)展平行光束的橫 截面積。其設(shè)計(jì)在原理上與倒裝望遠(yuǎn)鏡一致。擴(kuò)展倍數(shù)對(duì)應(yīng)于望遠(yuǎn)鏡的放大倍數(shù)。一般來說,擴(kuò)束的基本方式可分為兩種

4、，即伽俐略法和開普勒法1. 1伽俐略法光束通過一個(gè)凹透鏡（組產(chǎn)生發(fā)散,以這種放大的狀態(tài)再通過一個(gè)凸透鏡（組復(fù) 原成平行光，凹透鏡（組的焦點(diǎn)F 1必須與凸透鏡（組的焦點(diǎn)F 2重合。這兩個(gè)元件 （組之間的距離All rights7194-2014China Academic Journal ElectronicPublishing House.reserved.http:/www*由它們實(shí)際的焦距決定 ,如圖1a所示1.2開普勒法光束也是通過兩組光學(xué)元件，兩組光學(xué)元件都有正的折射能力，出現(xiàn)一個(gè)真實(shí)的焦點(diǎn)F（F 2 ,并出現(xiàn)一個(gè)倒影,這兩個(gè)元件（組之間的Fig . 1 a Gal ilean tel

5、escope b Kapller telescope 2, 3。第23卷 第6期趙 俠 擴(kuò)束系統(tǒng)在激光加工系統(tǒng)中的重要作用379距離由這兩個(gè)焦距決定，如圖1b所示。2擴(kuò)束系統(tǒng)對(duì)提高光束質(zhì)量的理論分析2. 1擴(kuò)束系統(tǒng)對(duì)激光束聚焦光斑直徑的影響4, 5以基模（TEM 00激光束為例，不考慮透鏡球差時(shí)聚焦光斑的計(jì)算（見圖2 ,諧振 腔內(nèi)束腰的半徑R 0 為:R 0=R /1+( n R / 入 r (1式中,R =R 1=R 2為兩腔鏡表面的光束半徑r =r 1=r 2為兩腔鏡的曲率半徑。光束在離開束腰后在距離z處的半徑為21/2R z =R 01+( 入z /其遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角為0 221/20 =入

6、/ n。R 0在距束腰I 0處放置一焦距為f的透鏡,在I f處得到一聚焦后的束腰半徑Df2222Fig . 2 The diverge nee and focusi ng of TEM 00I aser beam 2221/D f =(1/R 0 (1-I 0/f +1/(f 及 I 0=f+(l 0-f f /(I 0- f +(R 0/0 一般規(guī)律是 I f 大于 f ,在焦平面內(nèi)的焦斑直徑大于2R f,但由于0很小，故I f與f相差很小,建議在基模時(shí)甚至在多模 時(shí)簡(jiǎn)化為R f =f0或2R f =f入/ n R (3對(duì)發(fā)散角0很小的基模(TEM 00激光束，用入射于透鏡表面的光 束半徑R

7、代替束腰半徑R0更易于估算焦斑直徑。當(dāng)透鏡半徑a 2. 8時(shí)，受到衍射極限限制的焦斑直徑為 R dif =1.22入fJ2 a需要指出的是，這一僅受衍射極限限制的焦斑直徑只有在理想情況下才能實(shí)現(xiàn)，實(shí)際上，由于激光束不均勻，透鏡有球差、聚焦元件不理想等原因，波長(zhǎng)為10.6卩m 的基模CO 2激光焦斑直徑不小于50卩m而波長(zhǎng)為1.06卩的 YAG激光焦斑直徑 不小于5卩m 1由（3式可知,在衍射極限范圍內(nèi)，入射于聚焦透鏡表面的光束半徑R愈大,聚焦光斑半徑R f愈小。2. 2擴(kuò)束系統(tǒng)對(duì)激光束發(fā)散角的影響如圖3,由（2式和（3式可得：9 =入/ n R經(jīng)過擴(kuò)束系統(tǒng)前后，光束發(fā)散角的關(guān)系為9 R 2/R

8、 1= 9 2=9 1/（1/K式中,9 1,為進(jìn)入擴(kuò)束系統(tǒng)前、后的光束發(fā)散角,R 1, R 2散角與擴(kuò)展倍數(shù)成反比。 Fig . 3 The cha nging of beam diver -ge nee in beamexpander為進(jìn)入擴(kuò)束系統(tǒng)前、后的光束半徑,K為擴(kuò)束系統(tǒng)的放大倍數(shù),即經(jīng)過擴(kuò)束系統(tǒng)后,光束的發(fā)3分析與討論(1在高功率的激光加工系統(tǒng)中，經(jīng)過擴(kuò)束系統(tǒng)對(duì)光束橫截面的擴(kuò)展，可以減少 在傳輸中光束的功率密度，即對(duì)其后的光學(xué)元件產(chǎn)生較小的熱應(yīng)力，減少熱破壞的可(2由開普勒法設(shè)計(jì)的擴(kuò)束系統(tǒng)，在兩個(gè)光學(xué)元件(組之間的焦點(diǎn)處，光束被強(qiáng)烈 地聚焦,380激 光 技 術(shù)1999年12月能量

9、密度而產(chǎn)生大量的熱量，使空氣 發(fā)生擊穿，造成光束畸變，一般不宜采用。(3由伽俐略法設(shè)計(jì)的擴(kuò)束系統(tǒng)，光束要經(jīng)過至少兩塊(組鏡片,這會(huì)吸收一部分 激光的能量，要注意對(duì)鏡組采取良好的冷卻，實(shí)現(xiàn)起來會(huì)有一定的困難。(4為了減少擴(kuò)束系統(tǒng)中透鏡對(duì)光能的吸收，提高導(dǎo)光系統(tǒng)的傳輸效率，在設(shè)計(jì) 擴(kuò)束系統(tǒng)時(shí),可以采用鍍金的金屬反射鏡。例如在美國(guó) SYNRAD公司生產(chǎn)的CO 2 激光打標(biāo)系統(tǒng)的打標(biāo)頭中，就是采用一塊鍍金凸面金屬反射鏡和一塊鍍金凹面金屬 反射鏡,組成3X4刈勺激光All rights719Q4-2014China Academic Journal Electronic Publishing House

10、.reserved.http:/www.擴(kuò)束系統(tǒng) 。如圖4所示這種結(jié)構(gòu)的擴(kuò)束系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間小，通過鍍高反射率的膜系,對(duì)光束能量的吸收非常少，因此傳輸效率很高，同時(shí),在大功率的場(chǎng)合中使用時(shí)，也便于對(duì)擴(kuò)束系統(tǒng)進(jìn)行冷卻。值得注意的是，經(jīng)過這種結(jié)構(gòu)的擴(kuò)束系統(tǒng)，出來的光束與入射光不同軸。經(jīng)過以上的分析可知，在激光加工系統(tǒng)的導(dǎo)光系統(tǒng)中，如果加入Fig . 4Reflect ing beamexpander了擴(kuò)束系統(tǒng)，可以擴(kuò)展激光束的橫截面積，盡可能地讓光束充滿聚焦透鏡的入口 以減少衍射，減小激光束的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角，獲得較小的聚焦光斑，提高能量密度，并能獲 得溫度補(bǔ)償，改善導(dǎo)光系統(tǒng)的性能，從整體上獲得

11、高質(zhì)量的光束，從而大大提高激光 加工的質(zhì)量。在我們研制開發(fā)的CO 2和YAG激光打標(biāo)/刻字系統(tǒng)和激光切割加工系統(tǒng)中， 采用了伽俐略法設(shè)計(jì)的擴(kuò)束系統(tǒng)，刻痕較沒有加擴(kuò)束系統(tǒng)時(shí)更細(xì)更深，并且在整個(gè)刻 寫范圍內(nèi)的刻寫質(zhì)量均勻一致，取得了很好的效果。參考文獻(xiàn)1王家金.激光加工技術(shù).北京:中國(guó)計(jì)量出版社，1992:4404452玻恩M ,沃耳夫E .光學(xué)原理.北京:科學(xué)出版社，1978:3133183姚啟鈞.光學(xué)教程.北京:人民教育出版社，1981:2172234閆毓禾，鐘敏霖.高功率激光加工及其應(yīng)用.北京:科學(xué)出版社，1994:66695阿雷克F T ,舒爾茨-杜波依斯E O .激光技術(shù)的應(yīng)用.北京:科學(xué)出版社，1983:178183作者簡(jiǎn)介:趙 俠,男,1965年5月出生。工學(xué)碩士 ,講師。從事激光加工及其應(yīng) 用的研究。收稿日期：1998-07-20收到修改稿日期：1998-08-30產(chǎn)品簡(jiǎn)訊CCD相機(jī)美國(guó)俄勒岡州的Pixel Vision公司推出