激光加工大功率激光功率密度分布測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

激光加工大功率激光功率密度分布測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1激光加工質(zhì)量的測(cè)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(duì)加工質(zhì)量都起著決定性的作用,要求對(duì)激光加工過程中大功率激光束的傳輸與聚焦質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè),以獲得大功率激光光束的尺寸、模結(jié)構(gòu)、束腰位置、焦點(diǎn)大小、聚焦光斑形態(tài)、強(qiáng)度截面分布等測(cè)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(xué)元件提供基本的檢測(cè)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(jì)了采用空心探針方法對(duì)激光光束、光斑進(jìn)行檢測(cè)的系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對(duì)大功率激光光束光斑的測(cè)量。2光束橫截面強(qiáng)度測(cè)試空心探針方法的工作原理如圖1所示,以固定在平動(dòng)臺(tái)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(cè)器,對(duì)光束、光斑進(jìn)行掃描,測(cè)得掃描線的強(qiáng)度分布,同時(shí),使平動(dòng)臺(tái)垂直于光束方向平動(dòng),測(cè)得多條掃描線的強(qiáng)度分布,如圖2所示。經(jīng)計(jì)算處理,得到整個(gè)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(cè)量儀的關(guān)鍵部件之一是空心探針,其作用是對(duì)被測(cè)光進(jìn)行采樣,并將光傳輸至與轉(zhuǎn)軸中心相對(duì)靜止的探測(cè)器上。從圖1可看出,整個(gè)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(duì)被測(cè)光進(jìn)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(yīng)將小孔表征為一個(gè)波導(dǎo)體,即采樣光以受激波導(dǎo)體模式在小孔中傳播,而后過渡到相應(yīng)的自由空間波。根據(jù)波導(dǎo)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(chǎng)理論,垂直入射情況下的精確計(jì)算表明,在一定條件下,光經(jīng)有限厚小孔的衍射在遠(yuǎn)場(chǎng)中的衍射圖形可近似地用夫瑯和費(fèi)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(fèi)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(shí)施,將內(nèi)腔通道的橫截面設(shè)計(jì)為一方形,其截面尺寸為毫米量級(jí),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(lì),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(chǎng)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(jìn)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(gè)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(dāng)入射光的偏振方向平行于入射平面時(shí),對(duì)左右內(nèi)壁而言偏振方向則是垂直于入射平面的,此時(shí)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(cè)的分辨率3.2.1通道發(fā)射功率為了計(jì)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(fèi)衍射公式及(1)～(4)式,計(jì)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(cè)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(cè)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(gè)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(dá)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(jì)制作方法可使傳輸率與入射方向無關(guān)。對(duì)同一探針,探針的傳輸率Po/Pi為定值。對(duì)不同探針,傳輸率是不同的,但由于是相對(duì)測(cè)量,這不影響對(duì)光學(xué)參數(shù)的測(cè)量結(jié)果。圖3和圖4分別給出了測(cè)量系統(tǒng)的傳輸特性,對(duì)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(jì)算與實(shí)際測(cè)量基本吻合。3.3測(cè)量系統(tǒng)的參數(shù)3.3.1檢測(cè)光場(chǎng)的平均光強(qiáng)—微孔孔徑由測(cè)量原理,每一測(cè)量點(diǎn)實(shí)際上是將經(jīng)微孔的光的平均光強(qiáng)近似為測(cè)量點(diǎn)的光強(qiáng)。對(duì)不同尺寸的激光束,需要確定微孔孔徑。設(shè)被測(cè)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(duì)圓形鏡腔),拉蓋爾-高斯場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)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(cè)光束中心為坐標(biāo)原點(diǎn),則距光束中心R的點(diǎn)用半徑為r的微孔探測(cè)的平均光強(qiáng)為Ι(R,r0)=Aπ?r20∫r00∫2π0Ι(R,r)rdrd?(9)為計(jì)算由于將微孔平均光強(qiáng)近似為測(cè)量點(diǎn)光強(qiáng)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(qiáng)。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(jì)算出ε的最大值maxε(r0),改變r(jià)0的值,則可得到探針孔徑相對(duì)于被測(cè)光束半徑的關(guān)系,如圖5所示。從圖5可以看出,對(duì)不同的模式,用經(jīng)微孔的平均光強(qiáng)代替測(cè)量點(diǎn)的光強(qiáng),誤差是不同的。考慮誤差較大的TEM02模,當(dāng)r0/R≤0.01時(shí),即取被測(cè)光束半徑為10mm,則測(cè)量探針微孔的半徑應(yīng)小于100μm,相對(duì)誤差小于0.015。3.3.2被測(cè)光束的擬合曲線測(cè)量的結(jié)果要求擬合出被測(cè)光束的強(qiáng)度分布,測(cè)量的點(diǎn)數(shù)越多,擬合出的曲線越接近真實(shí)情況,但測(cè)量點(diǎn)數(shù)過多,增加測(cè)量的難度。事實(shí)上,測(cè)量的點(diǎn)數(shù)不必太多,因測(cè)量點(diǎn)數(shù)達(dá)到一定值后,再增加對(duì)精度的提高已無太大作用,因此需要確定滿足測(cè)量精度要求的測(cè)量的點(diǎn)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(qiáng)為測(cè)量點(diǎn)的光強(qiáng)I(R,r0),設(shè)每條掃描線的測(cè)量點(diǎn)數(shù)為n,將被測(cè)光束截面劃分為n個(gè)小方塊,則每一小方塊的平均光強(qiáng)滿足下式Ι(x,y,j,n,r0)=An?r20∫w2n-w2n∫j2n+1nj2n-1nΙ(R)dxdy(11)為計(jì)算由n個(gè)測(cè)量點(diǎn)平均光強(qiáng)的擬合曲線表示掃描線的強(qiáng)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(qiáng)。取光斑半徑為歸一化半徑,r0=100μm,當(dāng)n取一定值,由(12)式可計(jì)算出δ的最大值maxδ(n);改變n值,則可得到n個(gè)測(cè)量點(diǎn)平均光強(qiáng)表示掃描線的強(qiáng)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(qiáng)近似為測(cè)量點(diǎn)的光強(qiáng)引起的誤差,是系統(tǒng)模型的整體誤差。從圖6可見,當(dāng)n>30時(shí),每條掃描線的測(cè)量點(diǎn)數(shù)為30時(shí),用微孔的平均光強(qiáng)表示掃描線各點(diǎn)的強(qiáng)度分布,誤差小于0.001。為了簡(jiǎn)化以上的模型和計(jì)算,假設(shè)被測(cè)光束為三種高階高斯分布。事實(shí)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(yīng)的測(cè)量點(diǎn)數(shù)和微孔的孔徑應(yīng)做相應(yīng)的調(diào)整?？紤]到測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度,同時(shí)考慮到系統(tǒng)的可實(shí)施性,系統(tǒng)的測(cè)量點(diǎn)數(shù)確定為:n×n=81×41(每條掃描線的測(cè)量點(diǎn)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(jī)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(jī)械等部分。4.1電機(jī)、電機(jī)、數(shù)據(jù)通訊測(cè)量儀由微控制CPU控制步進(jìn)電機(jī)和轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)電機(jī)、可編程放大、數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、傳輸及與PC機(jī)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(jī)軟件測(cè)量儀的整個(gè)測(cè)量過程由微機(jī)控制,系統(tǒng)過程控制軟件分為單片機(jī)軟件和PC機(jī)軟件兩部分。單片機(jī)系統(tǒng)中的軟件是控制步進(jìn)電機(jī),轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī),A/D轉(zhuǎn)換器,D/A轉(zhuǎn)換器和存儲(chǔ)器等的工作,同時(shí)也提供實(shí)時(shí)通信功能。PC機(jī)上的控制軟件是控制診斷儀的工作。4.3光斑光學(xué)參數(shù)測(cè)試和顯示測(cè)量儀的測(cè)量數(shù)據(jù)由微機(jī)進(jìn)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(qiáng)大、易于使用的Windows95/98操作系統(tǒng)平臺(tái),采用VisualBasic和VisualC++編寫。測(cè)量儀可按多種方式對(duì)所測(cè)激光光束、聚焦光斑的形狀及功率密度的分布進(jìn)行數(shù)值分析和顯示,被測(cè)激光束的光學(xué)參數(shù)包括:光束位置坐標(biāo)、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(duì)6000WCO2激光光束測(cè)量的各種結(jié)果如圖8所示。5激光光束和聚焦光斑測(cè)量實(shí)驗(yàn)為驗(yàn)證測(cè)量儀的可靠性,將我們研制的測(cè)量儀(LQD-1)與德國PROMETIC公司的測(cè)量儀(UFF100)進(jìn)行比較實(shí)驗(yàn)研究。在相同條件下對(duì)幾種激光光束和聚焦光斑用這兩種測(cè)量儀依次進(jìn)行測(cè)量,測(cè)量結(jié)果如圖9所示。從圖9的比較中可以看出,無論是對(duì)CO2激光光束、聚焦光斑功率密度分布測(cè)量,還是對(duì)YAG激光聚焦光斑功率密度分布測(cè)量,LQD-1與UFF100的測(cè)量結(jié)果是一致的。6激光光束的直徑LQD-1測(cè)量儀能對(duì)CO2激光和YAG激光光束和聚焦光斑的功率密度分布進(jìn)行直接測(cè)量,測(cè)