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光束变换技术提高激光加工效率

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来源: 作者: 2018-10-30 11:37:22

光束变换技术提高激光加工效率

导读:

激光光束形状和能量分布直接限定了激光加工的应用。为满足不同的激光加工要求,必须对激光光束进行光束变换。应用旋转棱镜和组合光学系统能够实现实心和环状光束之间的相互变换。

0 引言  激光加工是将激光束照射到加工物体的表面,用以除去或熔化材料一起改变物体表面性能。激光对物体的加工不同于其他方法的最显著的地方,就是它可以把光的能量通过聚焦集中在很小的面积上,使被照射物体瞬间接受极高的激光功率密度辐射,从而达到加工的目的。不同的加工方式要求不同,对激光束的聚焦采取的方式也不一样。为了改善现有激光加工设备单一的加工功能,有效利用激光器,提高生产效率,对激光光束变换技术的研究尤其重要。  目前对光束变换已有多种实现方法,旋转棱镜由于其结构简单,并可在一定范围内产生近似的无衍射光束而备受关注。利用旋转棱镜光学系统可以实现多种形式的光束传输变换,例如,将实心横截面光束变换为环状光束、平面或径向细环聚焦光束,或者作相反的变换,或者将高斯光束变换成无衍射光束等。其优越的光束和能量变换特性使它在激光打孔、圆柱形工件热处理、焊接、切片、高精度准直技术等激光加工应用领域都具有非常诱人的价值。  基于旋转棱镜几何光学特性,采用正负旋转棱镜及聚焦透镜组成的光学系统对激光光束进行变换研究。通过调整正负旋转棱镜间距实现对入射光束形状及能量分布的控制,从而有效利用入射激光光束进行打孔、切割、焊接等多项加工。  1.旋转棱镜的原理  旋转棱镜最早由Mcleod提出,具有与普通球面透镜不同的聚焦特性。图1示出正负旋转棱镜的几何结构。    当一束准直后半径为r的激光束垂直入射到正锥棱镜后,所有光线以等偏角与z轴相交,形成连续的焦线。当旋转棱镜的锥角较小时,发散角近似为(n-1)。在聚焦区域内,出射光线在空间上相互重叠,形成无衍射区域。当锥角较小,不计棱镜厚度时,最大无衍射范围可由下式给出:  在无衍射区域内,光束为实心光束,其半径为:  当时,出射光线不再重叠,形成环状光束,环内径随着z的增大而变大,满足:  环的宽度保持不变,在小锥角的情况下,与入射孔径相等。  当一束准直后孔径为r的激光束垂直入射到锥棱镜后,所有光线以等发射角偏离Z轴,光束变换为环状光束,在小锥角的情况下,环内径为:  环的宽度与传输距离z无关,为一常数。

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