[發(fā)明專利]一種優(yōu)化光束質(zhì)量提升激光加工效率的方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310469695.3
• 申請日: 2013-10-11
• 公開（公告）號: CN103513426A
• 公開（公告）日: 2014-01-15
• 發(fā)明（設計）人: 任旭東;侯麗華;戴文杰;黃晶晶;周王凡;徐士東
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: G02B27/09
• 分類號: G02B27/09
• 代理公司: 南京知識律師事務所 32207
• 代理人: 汪旭東

技術領域

本發(fā)明涉及光學系統(tǒng)和激光加工系統(tǒng)的技術應用領域，特指一種優(yōu)化激光光束質(zhì)量的新方法，適用于高功率激光加工系統(tǒng)中。

背景技術

通常激光器發(fā)出的激光束的空間強度分布呈高斯分布，即高斯光束。在激光加工領域中，高斯光束的強度過于集中在中心部分，能量非均勻分布特性將會導致局部溫度升高而破壞材料特性。因此，激光光束的能量分布不均勻特性限制了其在加工領域的應用，很多場合可以將高斯光束轉(zhuǎn)化為能量均勻分布的平頂光束，以消除不良影響。

隨著生產(chǎn)的發(fā)展，對大功率激光加工技術不斷地提出了新的要求，在某些特定條件下需要不同形狀的激光光斑。在激光加工技術中，過去光束經(jīng)過聚焦以后再進行掃描，這樣每掃描一次的光束寬度有限，工作效率不高；而且由于兩次掃描線有搭接，產(chǎn)生了“搭接效應”，搭接部分的硬度低于不搭接的部分；此外由于光束的中央部分的能量高于四周，影響了加工質(zhì)量。為了克服以上缺點，比較有效的方法是把激光器輸出的圓形光斑變換為均勻光強分布的線光斑(矩形光斑)，這樣就可以大大提高工作效率，并取得較好的結(jié)果。

專利號為CN?202434878?U的中國專利公開了一種大功率高光束質(zhì)量的激光器，它包括泵浦光源、光學諧振腔、聲光調(diào)Q開關、熱沉、風扇和釔鋁石榴石晶體介質(zhì)（Nd：YAG）。該激光器改變了Nd：YAG介質(zhì)的外形，抑制在振蕩過程中產(chǎn)生的高階膜，提高光束質(zhì)量，增加激光準直程度。同時增加聲光調(diào)Q開關，使得功率提升。專利號為CN?101034878?A的中國專利公開了一種用于提高輸出光束質(zhì)量的脈沖激光器，該激光器包括泵浦源、激光增益介質(zhì)、可飽和吸收器件、腔鏡。通過改變可飽和吸收器件沿徑向的損耗，可有效地抑制高階橫模，提高光束質(zhì)量。具有簡單有效、工作穩(wěn)定可靠的優(yōu)點。但是這兩個專利都沒有從根本上解決激光光束質(zhì)量差、激光能量分布不均的技術問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為了解決普通激光光束能量分布不均勻，激光光束質(zhì)量差造成在激光加工中因材料的局部溫度升高過快而破壞材料自身特性的技術難題，提供一種優(yōu)化激光光束質(zhì)量的新方法。

本發(fā)明所采用的技術方案是：一種優(yōu)化激光光束質(zhì)量的新方法，包含如下步驟：

A?采用伽利略型非球面鏡組的整形系統(tǒng)將呈高斯分布的圓形激光光斑優(yōu)化整形為呈超高斯平頂分布的圓形激光光斑；所述伽利略型非球面鏡組的整形系統(tǒng)是在伽利略型非球面鏡組的前端增設一組可變倍擴束鏡組；用來實現(xiàn)將高斯激光光束的束腰半徑滿足所述伽利略型非球面鏡組所要求的輸入高斯光束的束腰半徑；在伽利略型非球面鏡組的后端依次增設一組定倍擴束鏡組A和一組定倍擴束鏡組B；所述定倍擴束鏡組A倒置在所述伽利略型非球面鏡組的后端，用來實現(xiàn)對所述伽利略型非球面鏡組輸出的超高斯平頂光束進行擴束，所述定倍擴束鏡組B正置在所述定倍擴束鏡組A后端，用來實現(xiàn)對所述定倍擴束鏡組A輸出的超高斯平頂光束進行縮束；

B?將步驟A中呈超高斯平頂分布的圓形激光光斑通過光斑變換器件，所述呈超高斯平頂分布的圓形激光光斑在所述光斑變換器件的作用下轉(zhuǎn)換為呈超高斯平頂分布的線光斑；所述光斑變換器件包括能夠?qū)⒓す獾钠駪B(tài)轉(zhuǎn)過90度的半波片、第一柱透鏡和第二柱透鏡，所述第一柱透鏡和第二柱透鏡并列平行放置在所述半波片后端。

上述方案中，所述可變倍擴束鏡組依次由第一平凸鏡1、平凹鏡2和第二平凸鏡3組成；其具體變倍過程為：固定所述平凹鏡2不動，調(diào)整所述第一平凸鏡1與所述第二平凸鏡3，使通過所述可變倍擴束鏡組的高斯激光光束的束腰半徑與所述伽利略型非球面鏡組所要求的輸入高斯光束的束腰半徑相等。

上述方案中，所述第一平凸鏡1與所述平凹鏡2之間的距離d₁₂，所述平凹鏡2與所述第二平凸鏡3之間的距離d₂₃的調(diào)整由如下公式?jīng)Q定：

??①??

②

上式中，、為正值時表示所述第一平凸鏡1與所述第二平凸鏡3向右移動，、為負值時表示所述第一平凸鏡1與所述第二平凸鏡3向左移動；、為所述第一平凸鏡1的焦距，取正值；為所述平凹鏡21的焦距，取負值；為所述第二平凸鏡3的焦距，取正值。