激光加工大功率激光功率密度分布測量系統(tǒng)的設(shè)計

激光加工大功率激光功率密度分布測量系統(tǒng)的設(shè)計

1激光加工質(zhì)量的測量用于激光加工的大型激光光束是指功率從幾百瓦到1萬瓦不等，光斑的功率密度為107w/cm2的激光光束。由于激光功率、光束的模結(jié)構(gòu)與聚焦光斑形態(tài)等參數(shù)對加工質(zhì)量都起著決定性的作用,要求對激光加工過程中大功率激光束的傳輸與聚焦質(zhì)量進行監(jiān)測,以獲得大功率激光光束的尺寸、模結(jié)構(gòu)、束腰位置、焦點大小、聚焦光斑形態(tài)、強度截面分布等測量參數(shù),為激光加工質(zhì)量的提高提供最基本的數(shù)據(jù)。且為制造大功率的激光器及聚光鏡、反射鏡等光學元件提供基本的檢測數(shù)據(jù)。本文根據(jù)激光加工用大功率激光光束診斷系統(tǒng)的要求,設(shè)計了采用空心探針方法對激光光束、光斑進行檢測的系統(tǒng),實現(xiàn)了對大功率激光光束光斑的測量。2光束橫截面強度測試空心探針方法的工作原理如圖1所示,以固定在平動臺上的高速旋轉(zhuǎn)空心探針高速掃過光束橫截面,部分光束通過探針傳到探測器,對光束、光斑進行掃描,測得掃描線的強度分布,同時,使平動臺垂直于光束方向平動,測得多條掃描線的強度分布,如圖2所示。經(jīng)計算處理,得到整個光斑的功率密度分布。3模型建立和理論分析3.1采樣探針的組成測量儀的關(guān)鍵部件之一是空心探針,其作用是對被測光進行采樣,并將光傳輸至與轉(zhuǎn)軸中心相對靜止的探測器上。從圖1可看出,整個采樣探針由小孔、反射鏡、內(nèi)腔通道和反射鏡組成。兩反射鏡是理想的部件,探針對被測光進行采樣、傳輸?shù)哪Ｐ?歸結(jié)為探針小孔和探針內(nèi)腔通道光傳輸?shù)哪Ｐ汀?.1.1有限厚治療wag-射線衍射的原理探針的小孔,由于其孔的深度與孔直徑相比是不能忽略的,故應將小孔表征為一個波導體,即采樣光以受激波導體模式在小孔中傳播,而后過渡到相應的自由空間波。根據(jù)波導傳輸理論,可清楚地表述出射光,但根據(jù)有限厚小孔衍射的電磁場理論,垂直入射情況下的精確計算表明,在一定條件下,光經(jīng)有限厚小孔的衍射在遠場中的衍射圖形可近似地用夫瑯和費衍射來描述。這樣,探針小孔傳輸激光的模型,可采用夫瑯和費衍射來描述。3.1.2入射平面上的分辨率c內(nèi)腔通道的作用是傳輸經(jīng)小孔出射的激光。為便于實施,將內(nèi)腔通道的橫截面設(shè)計為一方形,其截面尺寸為毫米量級,并假定探針內(nèi)腔的表面是平整光潔的。通道傳輸小孔出射的激光,在通道入口受發(fā)散模式的激勵,在通道內(nèi)部將形成高階模。由于通道截面尺寸比波長大很多,處于高階模的極限情況,其射線場可作光線傳輸近似。因此,通道內(nèi)激光傳輸?shù)哪Ｐ兔枋鰹?從小孔出射光束進入通道經(jīng)多次反射而被傳送至出口。為便于表征,假定入射光的偏振方向平行或垂直于入射平面。通道的傳輸率可用公式(1)來確定Τc=(1-Ax)nx(1-Ay)ny(1)Tc=(1?Ax)nx(1?Ay)ny(1)其中nx,ny為各自壁上的反射次數(shù);Ax,Ay為相互垂直的兩個通道內(nèi)壁的吸收率。反射次數(shù)與入射角θ和?及通道的寬度w,高度h和長度l有關(guān),確切關(guān)系由下式?jīng)Q定nx=1htanθsin??ny=1wtanθcos?(2)nx=1htanθsin??ny=1wtanθcos?(2)假定Ax,Ay分別為上下內(nèi)壁和左右內(nèi)壁的吸收率,在上下內(nèi)壁上當入射光的偏振方向平行于入射平面時,對左右內(nèi)壁而言偏振方向則是垂直于入射平面的,此時有1-Ax=(cosθ-u)2+v2(cosθ+u)2+v21-Ay=[(n2-k2)cosθ-u]2+(2nkcosθ-v)2[(n2-k2)cosθ+u]2+(2nkcosθ+v)2(3)和2u2=(n2-k2)-sin2θ+{[(n2-k2)-sin2θ]2+4n2k2}1/22v2=-(n2-k2)+sin2θ+{[(n2-k2)-sin2θ]2+4n2k2}1/2(4)其中n為探針金屬材料的折射率,k為衰減指數(shù)和折射率的乘積。3.2檢測的分辨率3.2.1通道發(fā)射功率為了計算探針的傳輸率,假定一束激光在入射平面中以α角射到小孔。利用夫瑯和費衍射公式及(1)～(4)式,計算從通道發(fā)射出的功率。則探針的傳輸率T為(未考慮探測角受限的原因)Τ=Ρo/Ρi=2π∫0π/2∫0f(α,θ,?)Τc(θ,?)dθd?(5)3.2.2探針的測量系統(tǒng)由公式(5),傳輸率與激光束的偏振方向和入射方向有關(guān)。由公式(1)～(4),在偏振光入射的情況下,兩個垂直內(nèi)壁面上的吸收率(Ax,Ay)是不同的,減小小孔直徑,通過小孔的衍射而在所有壁上幾乎都達到相同次數(shù)的反射,可消除偏振造成的影響。另一方面,探針采用一定的設(shè)計制作方法可使傳輸率與入射方向無關(guān)。對同一探針,探針的傳輸率Po/Pi為定值。對不同探針,傳輸率是不同的,但由于是相對測量,這不影響對光學參數(shù)的測量結(jié)果。圖3和圖4分別給出了測量系統(tǒng)的傳輸特性,對未聚焦光束和聚焦光斑探針內(nèi)腔通道的橫截面尺寸取一定值,探針的小孔孔徑和內(nèi)腔通道的長度取不同的值。從圖中可看出,理論計算與實際測量基本吻合。3.3測量系統(tǒng)的參數(shù)3.3.1檢測光場的平均光強—微孔孔徑由測量原理,每一測量點實際上是將經(jīng)微孔的光的平均光強近似為測量點的光強。對不同尺寸的激光束,需要確定微孔孔徑。設(shè)被測光束為高斯光束,其光束橫截面能量分布為拉蓋爾-高斯分布(對圓形鏡腔),拉蓋爾-高斯場結(jié)構(gòu)為Upl(R,θ,z)=Gplexp[-ikz-ikR22R(z)]×exp[-i(2p+l+1)?(z)](6)Gpl=√2p!π(p+l)!1ωs(z)[√2Rωs(z)]l×Llp[2R2ω2s(z)]exp[-R2ω2s(z)+ilθ](7)混合模激光束的橫截面光場強度分布為Ι(R)=Σpl(ρplGpl)2+Σp≠m,l≠nρplρmnGplGmn×cos{[2(p-m)+(l-n)][arctan(zΖR)+?0]}(8)在光束截面上,以被測光束中心為坐標原點,則距光束中心R的點用半徑為r的微孔探測的平均光強為Ι(R,r0)=Aπ?r20∫r00∫2π0Ι(R,r)rdrd?(9)為計算由于將微孔平均光強近似為測量點光強所引起的誤差,定義ε=Ι0(R)-Ι(R,r0)Ι0(R)(10)式中,I0(R)為按(8)式定義的高斯分布截面不同半徑的光強。由于(9)式只能數(shù)值求解,取光斑半徑為歸一化半徑,r0取一半徑,由(9),(10)式可計算出ε的最大值maxε(r0),改變r0的值,則可得到探針孔徑相對于被測光束半徑的關(guān)系,如圖5所示。從圖5可以看出,對不同的模式,用經(jīng)微孔的平均光強代替測量點的光強,誤差是不同的?？紤]誤差較大的TEM02模,當r0/R≤0.01時,即取被測光束半徑為10mm,則測量探針微孔的半徑應小于100μm,相對誤差小于0.015。3.3.2被測光束的擬合曲線測量的結(jié)果要求擬合出被測光束的強度分布,測量的點數(shù)越多,擬合出的曲線越接近真實情況,但測量點數(shù)過多,增加測量的難度。事實上,測量的點數(shù)不必太多,因測量點數(shù)達到一定值后,再增加對精度的提高已無太大作用,因此需要確定滿足測量精度要求的測量的點數(shù)。用3.3.1中確定的探針微孔的半徑,由(9)式所得的平均光強為測量點的光強I(R,r0),設(shè)每條掃描線的測量點數(shù)為n,將被測光束截面劃分為n個小方塊,則每一小方塊的平均光強滿足下式Ι(x,y,j,n,r0)=An?r20∫w2n-w2n∫j2n+1nj2n-1nΙ(R)dxdy(11)為計算由n個測量點平均光強的擬合曲線表示掃描線的強度分布所引起的誤差,定義δ(n)=max[Ι0(R)-Ι(x,y,j,n,r0)Ι0(R)](12)式中,I0(R)為按(8)式定義的激光分布截面不同半徑的光強。取光斑半徑為歸一化半徑,r0=100μm,當n取一定值,由(12)式可計算出δ的最大值maxδ(n);改變n值,則可得到n個測量點平均光強表示掃描線的強度分布最大誤差關(guān)系,如圖6所示。最大誤差maxδ是考慮了微孔的平均光強近似為測量點的光強引起的誤差,是系統(tǒng)模型的整體誤差。從圖6可見,當n>30時,每條掃描線的測量點數(shù)為30時,用微孔的平均光強表示掃描線各點的強度分布,誤差小于0.001。為了簡化以上的模型和計算,假設(shè)被測光束為三種高階高斯分布。事實上,加工用大功率激光器,無論CO2還是YAG激光,許多都是混合模式,相應的測量點數(shù)和微孔的孔徑應做相應的調(diào)整。考慮到測量系統(tǒng)的測量精度,同時考慮到系統(tǒng)的可實施性,系統(tǒng)的測量點數(shù)確定為:n×n=81×41(每條掃描線的測量點數(shù)為81,41條掃描線)。4診斷和診斷設(shè)備的結(jié)構(gòu)診斷儀包含有高速光電轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)變換、采集、機電控制、系統(tǒng)過程控制、數(shù)據(jù)處理、圖形生成軟件、精密機械等部分。4.1電機、電機、數(shù)據(jù)通訊測量儀由微控制CPU控制步進電機和轉(zhuǎn)動進電機、可編程放大、數(shù)據(jù)采集、存儲、傳輸及與PC機的數(shù)據(jù)通訊。微控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。4.2軟件和pc機軟件測量儀的整個測量過程由微機控制,系統(tǒng)過程控制軟件分為單片機軟件和PC機軟件兩部分。單片機系統(tǒng)中的軟件是控制步進電機,轉(zhuǎn)動電機,A/D轉(zhuǎn)換器,D/A轉(zhuǎn)換器和存儲器等的工作,同時也提供實時通信功能。PC機上的控制軟件是控制診斷儀的工作。4.3光斑光學參數(shù)測試和顯示測量儀的測量數(shù)據(jù)由微機進行處理和圖形生成,數(shù)據(jù)處理與圖形生成的軟件選取功能強大、易于使用的Windows95/98操作系統(tǒng)平臺,采用VisualBasic和VisualC++編寫。測量儀可按多種方式對所測激光光束、聚焦光斑的形狀及功率密度的分布進行數(shù)值分析和顯示,被測激光束的光學參數(shù)包括:光束位置坐標、光斑面積、光束半徑、峰值功率密度以及光斑內(nèi)的平均功率密度。圖形顯示有平面顯示和立體顯示。對6000WCO2激光光束測量的各種結(jié)果如圖8所示。5激光光束和聚焦光斑測量實驗為驗證測量儀的可靠性,將我們研制的測量儀(LQD-1)與德國PROMETIC公司的測量儀(UFF100)進行比較實驗研究。在相同條件下對幾種激光光束和聚焦光斑用這兩種測量儀依次進行測量,測量結(jié)果如圖9所示。從圖9的比較中可以看出,無論是對CO2激光光束、聚焦光斑功率密度分布測量,還是對YAG激光聚焦光斑功率密度分布測量,LQD-1與UFF100的測量結(jié)果是一致的。6激光光束的直徑LQD-1測量儀能對CO2激光和YAG激光光束和聚焦光斑的功率密度分布進行直接測量,測