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激光光束质量对光束传输聚焦和加工质量的影响

陈虹  
【摘要】: 现代激光制造技术的研究、开发、应用及产业化对国民经济的发展具有巨大的推动作用。高能量和高品质是对制造用激光源提出的基本要求,我国在激光技术的研究方面起步较早,但长期以来多重视激光源的高能量,忽略了其高品质,即光束质量。本文以光束质量为主线,研究了光束质量对激光制造技术贯穿始终的重要作用,提出了以描述激光束聚焦特性为核心的光束质量评价参数;理论分析,并实验验证了光束质量对光束传输和聚焦性能的影响;最后,以激光焊接为实例,研究了光束质量对激光加工过程的影响。 论文在总结目前存在的评价激光光束质量参数的基础上,根据对影响激光制造的主要光束特性参数的分析,以光束空间特性为核心,提出用光束聚焦特征参数值作为评价激光光束质量的参数。因为激光作为能源能够在工业领域广泛应用的根本优势就在于它可以通过聚焦获得极高的能量密度,而值恰恰表征了实际光束的可聚焦能力。论文研究论证了用值评价激光光束质量的实际意义在于两个方面,一方面它仅仅包含了光束束宽和发散角,不涉及波长的因素,使不同波长激光束的可加工能力具有可比性;另一方面,值是根据对光束传输路径上不同位置处束宽实际测量结果的计算值,比其在与基模高斯光束进行比值计算得到的M 2因子更简洁、更有说服力。 根据矩阵光学变换的ABCD定律,推导出激光束经过单聚焦镜变换后的成像公式和物像比例公式,并在此基础上讨论光束质量和聚焦系统特性对光束聚焦性能的影响。聚焦光束束腰位置和半径、聚焦角、焦深、焦点偏移量以及焦点漂移量是描述光束聚焦特性的主要参数,它们由四个参量共同决定,分别为聚焦前光束的束腰半径、瑞利长度和聚焦镜的焦距以及聚焦镜到光束束腰位置的距离。这四个参数分别反映了光束本身的特性和聚焦系统特性,光束特性用值描述,聚焦系统特性用焦数描述。光束质量对光束传输和聚焦的影响在于,高光束质量激光束可以同时保证小光束束宽和长瑞利长度,不仅使激光束可以传输更远的距离,还可以得到小聚焦光斑。光束质量越好,表明激光束的传输和聚焦性能越好。实验所采用的四种激光器不同聚焦特性的测量值与理论计算值具有很好的一致性。


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