[發明專利]一種激光離焦加工時的光斑功率密度場測量建模方法

在審

• 申請號: 201911190948.7
• 申請日: 2019-11-28
• 公開（公告）號: CN110909478A
• 公開（公告）日: 2020-03-24
• 發明（設計）人: 徐瑯;彭赫力;劉海建;陳旭;韓興;羅志強;陳一
• 申請（專利權）人: 上海航天精密機械研究所
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G02B27/00;G01J1/42;G06F111/10
• 代理公司: 上海航天局專利中心 31107
• 代理人: 許麗

本發明公開了一種激光離焦加工時的光斑功率密度場測量建模方法，其包括如下步驟：(1)利用激光光斑分析測量平臺對某個具體激光光斑的功率和光強密度(也稱“光亮度”)分布進行測量；(2)通過對測量得到的光亮度數據進行擬合，建立所測光斑的光亮度場數學模型；(3)利用激光光亮度與功率密度之比為常數的性質，基于光斑的光強和功率實測結果，求解出常數值，并建立所測光斑的功率密度場數學模型；(4)根據激光束的傳輸特性和能量守恒定律，利用所測光斑的功率密度場模型變換得到與該光斑功率相同半徑不同的任意光斑的功率密度場模型；(5)利用激光功率變化時的基本性質，建立任意功率任意半徑光斑的功率密度場模型。

技術領域

本發明涉及激光加工領域，具體為一種激光離焦加工時的光斑功率密度場測量建模方法。

背景技術

激光加工是利用激光束與物質相互作用的特性，對材料進行切割、焊接、表面處理、彎曲及標刻等的先進技術，具有加工速度快、加工精度高、可加工材料范圍廣、柔性和自動化程度高等顯著優點。目前，該技術已廣泛應用于汽車、航空、航天、冶金、電子、電器等國民經濟重要領域，對提升產品質量和生產率、減少材料浪費、降低環境污染等方面起著突出的作用。

使用激光對材料進行掃描加工時，常常需要離焦形成較大光斑后再進行掃描。部分激光加工技術(如激光熱處理和激光彎曲)通常都是使用大光斑進行加工，以此提高加工的效率，提升加工質量的均勻性。激光離焦加工時在材料表面形成光斑的功率密度場直接影響材料內部的溫度場，進而影響到加工質量的好壞，因此，準確了解光斑功率密度場情況非常重要。理想情況下，一般認為基模高斯激光束所形成光斑的功率密度場都是呈理想高斯分布，對于多模激光束，可采用光束傳輸因子M²來將其等效為基模高斯光束。然而，就目前工業用大功率激光器而言，由于受制造技術的限制，激光束的模式一般并不是基模，而是多種低階模式混合而成的混合模，在其傳輸與聚焦的過程中，常常受光束附加相移的影響，導致光束功率密度分布發生變化。即使是高品質的激光器，在使用一定年限后，隨著內部器件的老化，所發射激光束的功率密度分布也會發生較大變化。基于以上情況，從激光頭發射光束的功率密度場變得難以預測，導致材料加工時的溫度場很難精確計算和控制，加工質量難以得到保證。

從目前公開的文獻來看，如2002年在《北京工業大學學報》上發表的題為“大功率工業激光的功率密度分布及其應用”的文章以及專利號為“ZL201510130226.8”名稱為“寬光譜高能激光能量分布的測量方法”的發明專利，它們都是單純通過測量來獲得某個離焦量下所形成光斑的功率密度場，一旦離焦量發生改變，光斑大小變化時，功率密度場就得重新測量，過程非常耗時。

發明內容

本發明的目的是提供一種激光離焦加工時的光斑功率密度場測量建模方法。基于某個離焦量下所形成光斑的功率和光強密度測量數據，利用激光束的基本性質和能量守恒定律，高效、精確地建立任意功率任意大小光斑的功率密度場數學模型，為激光離焦加工時的材料溫度場精確計算及預測提供支撐，最終達到提高材料加工質量之目的。

本發明的技術方案為：一種激光離焦加工時的光斑功率密度場測量建模方法，其特征在于：包括以下步驟：

步驟1：利用激光光斑分析測量平臺對某個具體激光光斑的功率和光強密度(也稱“光亮度”)分布進行測量。

步驟2：通過對測量得到的光亮度數據進行擬合，建立所測光斑的光亮度場數學模型。

步驟3：利用激光光亮度與功率密度之比為常數的性質，基于光斑的光強和功率實測結果，求解出常數值，進而建立所測光斑的功率密度場數學模型。

步驟4：根據激光束的傳輸特性及能量守恒定律，利用所測光斑的功率密度場數學模型變換得到與該光斑功率相同半徑不同的任意光斑的功率密度場模型。

步驟5：在步驟4所建立的模型基礎上，利用激光功率變化時的基本性質，建立任意功率任意半徑光斑的功率密度場模型。