[發(fā)明專利]采用具有至少5mm 的邊緣厚度的ZnS 透鏡的激光聚焦頭和激光切割裝置以及使用這樣的聚焦頭的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201080038783.2
• 申請(qǐng)日: 2010-08-17
• 公開（公告）號(hào): CN102481665A
• 公開（公告）日: 2012-05-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: F·布里安德;G·巴勒里尼;I·德貝克爾;T·茹阿諾;H·馬扎奧伊;E·弗娜
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 喬治洛德方法研究和開發(fā)液化空氣有限公司;法國(guó)液體空氣焊接公司
• 主分類號(hào): B23K26/06
• 分類號(hào): B23K26/06;B23K26/38;B23K26/04;G02B1/02;G02B13/14
• 代理公司: 北京市中咨律師事務(wù)所 11247
• 代理人: 楊曉光;于靜

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及固態(tài)激光器中使用的特定光學(xué)配置，更具體地說(shuō)，涉及用于控制焦點(diǎn)漂移以及聚焦頭的光學(xué)部件的激光損壞問(wèn)題的光纖激光切割頭并且涉及裝配了這樣的聚焦頭的激光裝置，更具體地說(shuō)是鐿摻雜的光纖激光器裝置。

背景技術(shù)

不同于如Nd:YAG激光器的固態(tài)激光器，新一代固態(tài)激光器，如光纖或盤形激光器，受益于具有極佳品質(zhì)因數(shù)或BPP(光參數(shù)乘積)的幾kW級(jí)功率的發(fā)展和組合。

除了這些激光器憑借的適合用于切割金屬材料的特性外，在此情況下，其具有比CO₂激光器(10.6μm)的波長(zhǎng)更短的波長(zhǎng)(1.07μm)，能夠更好的被金屬吸收并且被光纖傳輸，具有更小的總尺寸和更高的可靠性，其高亮度明顯的提高了切割金屬或非金屬材料的性能。

典型地，光纖激光器切割裝置包括激光源和用于傳輸激光光束到達(dá)切割頭的光學(xué)器件，切割頭又稱作聚焦頭，其將光束聚焦到要切割部件的厚度中。

激光源是鐿(Yb)摻雜光纖激光器，裝配了至少一個(gè)光束輸送光纖，并且切割頭包括光學(xué)準(zhǔn)直、重新導(dǎo)引和聚焦裝置以用于將聚焦的激光束傳導(dǎo)到要切割的部分。

激光切割頭的如聚焦透鏡的光學(xué)器件必須耐受高表面功率密度，功率密度依賴激光源的特性和光學(xué)部件上的光束的直徑而典型地在1和10kW/cm²之間，并且在損壞它們的污染的環(huán)境中操作時(shí)可以維持該耐受。

在連續(xù)發(fā)射激光模式中，光學(xué)部件的損壞一般地表現(xiàn)為光學(xué)部件性能的逐漸劣化，最初沒(méi)有可見(jiàn)的損壞，劣化本質(zhì)上來(lái)源于熱現(xiàn)象。

具體地，光學(xué)部件的表面涂層和基板的殘余吸收導(dǎo)致光學(xué)部件的非均勻加熱并且產(chǎn)生熱應(yīng)力，特別在諸如透鏡的傳輸部件的情況下。這些機(jī)制影響激光光束的參數(shù)和質(zhì)量并且在長(zhǎng)期輻射之后，可能引起光學(xué)部件劣化：出現(xiàn)燒痕，涂層分層等。

切割頭光學(xué)部件的加熱還會(huì)引起光束焦點(diǎn)因熱致透鏡效應(yīng)(thermal?lensing?effect)而導(dǎo)致DF漂移，又稱為焦點(diǎn)漂移，如圖1所示。當(dāng)透鏡1被暴光時(shí)，其中心處被沿光軸(AO)傳輸?shù)母吖β蕼?zhǔn)直光束2加熱，然而其邊緣是較冷的。在透鏡1中產(chǎn)生徑向熱梯度。透鏡1接收的功率密度越高此梯度的量級(jí)越大。此熱梯度在材料中產(chǎn)生折射系數(shù)的梯度。結(jié)合透鏡1的材料的熱膨脹效應(yīng)，此現(xiàn)象改變了透鏡的有效曲率半徑并且改變了其聚焦特性。位于與透鏡相距F處的光束的初始焦平面(PFI)沿光束的傳播方向移動(dòng)，變?yōu)楦拷劢雇哥R1的距離F’，直到其到達(dá)移位的焦平面(PFD)。然后初始聚焦的光束(FFI)傳入到具有低切割特征的移位的焦平面(PFD)。

環(huán)境對(duì)光學(xué)部件的表面污染，即，灰塵，金屬濺污或潮期以及其老化是增加透鏡的吸收和加熱逐漸惡化的因素，導(dǎo)致焦距漂移程度隨時(shí)間增加。

現(xiàn)在，從切割速度，切割質(zhì)量-即筆直性，光滑度和無(wú)毛刺切割面-以及對(duì)工藝操作參數(shù)的容差等方面評(píng)估工業(yè)激光切割工藝的性能特性。

光纖激光器切割工藝對(duì)光束的焦點(diǎn)相對(duì)于被處理部分的表面的位置變化很敏感，更具體地說(shuō)，在切割很厚的板材，即具有4mm或更大的厚度的板時(shí)。焦點(diǎn)位置容許的容差通常為±0.5mm。如果激光光束的焦點(diǎn)位置的變化超出了容許容差，則其不能保持最佳切割性能。

因此，一種解決方法是尋找新的切割參數(shù)以補(bǔ)償焦點(diǎn)漂移，或者更換光學(xué)部件的聚焦頭。作為結(jié)果，工業(yè)自動(dòng)化工藝的生產(chǎn)率下降。

當(dāng)焦點(diǎn)位置在切割操作期間改變時(shí)，會(huì)導(dǎo)致從一個(gè)部分到另一個(gè)部分或者甚至是相同部分的一個(gè)面到另一個(gè)面的切割性能不同，因而會(huì)出現(xiàn)一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題。

上述現(xiàn)象顯示，切割工藝的性能的持久性強(qiáng)烈依賴于用于傳播激光光束的光學(xué)器件的阻抗。因?yàn)榻裹c(diǎn)位置是光纖激光器切割工藝的重要參數(shù)，光束的焦點(diǎn)位置必須盡可能穩(wěn)定并且其任何漂移都應(yīng)該保持在容許容差之內(nèi)。在高功率下光學(xué)元件經(jīng)受的熱變形必須最小化以防止它們被破壞。在選擇構(gòu)成激光切割頭的聚焦系統(tǒng)的光學(xué)部件時(shí)，必須考慮到所有這些要求。

出現(xiàn)的問(wèn)題是切割使用的高亮度激光光束的傳輸很困難。獲得的激光的功率水平不斷提高，但是光學(xué)器件的阻礙限制了可以用于切割的功率水平。這是因?yàn)楦吡凉馐奶卣魇瞧渑c極佳品質(zhì)因子的結(jié)合的高功率水平，即，低BPP值，例如約0.33mm.mrad。這導(dǎo)致聚焦頭的光學(xué)部件表面上的極高的功率密度以及熱梯度和變形的增加。同樣還發(fā)現(xiàn)，光學(xué)材料抵抗激光損壞的能力在高亮度激光下比在常規(guī)CO₂激光下差，因?yàn)榍耙患す獾牟ㄩL(zhǎng)更短，對(duì)存在于基板和光學(xué)元件的表面涂層中的缺陷更敏感，會(huì)引起局部過(guò)度升溫。