[發(fā)明專利]一種聚焦光纖激光束的空間形態(tài)連續(xù)調(diào)節(jié)方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110803906.7
• 申請日: 2021-07-16
• 公開（公告）號: CN113640985A
• 公開（公告）日: 2021-11-12
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 吳家柱;鄭小強;曹陽;張大斌
• 申請（專利權(quán)）人: 貴州大學(xué)
• 主分類號: G02B27/00
• 分類號: G02B27/00;G02B27/09
• 代理公司: 北京華創(chuàng)智道知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11888
• 代理人: 彭隨麗

1.一種聚焦光纖激光束的空間形態(tài)連續(xù)調(diào)節(jié)方法，其特征在于：所述方法包括以下步驟：

實時獲取數(shù)個光束截面的功率密度；

根據(jù)獲取的數(shù)個光束截面的功率密度，得到截面功率密度測量數(shù)據(jù)；

根據(jù)得到的截面功率密度測量數(shù)據(jù)，選取截面功率密度數(shù)學(xué)模型，并進行權(quán)重非線性化擬合，得到相應(yīng)的空間光束形態(tài)因子k和光束半徑r_b；

依據(jù)識別的空間形態(tài)因子k、光束半徑r_b在離焦量方向上的演化規(guī)律，構(gòu)建k和r_b的數(shù)學(xué)模型，基于該數(shù)學(xué)模型得到以下光束特征參數(shù)：光束焦斑半徑r₀、瑞利長度z_R；

通過得到的空間形態(tài)因子k與離焦量的z_d的數(shù)學(xué)關(guān)系式，計算得到與實際加工所需的光束空間形態(tài)相對應(yīng)的離焦量值，然后在縱向上連續(xù)調(diào)節(jié)可調(diào)熔覆頭的上下距離，達到連續(xù)改變加工表面的離焦量的目的，從而實現(xiàn)激光束空間形態(tài)的連續(xù)調(diào)節(jié)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚焦光纖激光束的空間形態(tài)連續(xù)調(diào)節(jié)方法，其特征在于：所述實時獲取數(shù)個光束截面的功率密度包括：

以激光束焦平面位置為測量中心，使用光束診斷系統(tǒng)沿光束傳播方向等間距采集數(shù)個光束截面的功率密度。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的聚焦光纖激光束的空間形態(tài)連續(xù)調(diào)節(jié)方法，其特征在于：所述截面功率密度測量包括：

數(shù)據(jù)根據(jù)每個所述的光束截面上的功率密度的真實空間形態(tài)，選擇合適的激光束功率密度模型，激光束截面功率密度為近超高斯形貌。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的聚焦光纖激光束的空間形態(tài)連續(xù)調(diào)節(jié)方法，其特征在于：所述進行權(quán)重非線性化擬合包括：

采用權(quán)重非線性優(yōu)化算法和激光束截面功率密度模型依次擬合每一光束截面的試驗測量數(shù)據(jù)，得到相應(yīng)的空間光束形態(tài)因子k和光束半徑r_b。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的聚焦光纖激光束的空間形態(tài)連續(xù)調(diào)節(jié)方法，其特征在于：采用超高斯模型表征所述的功率密度分布具有類平頂形貌特征的激光束，其數(shù)學(xué)模型如下：

其中，x、y分別表示激光束截面內(nèi)點的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，P₀為激光功率，r_b是超高斯光束半徑，采用1/e²功率密度下降法進行度量，k為空間形態(tài)因子，Γ表示伽馬函數(shù)；e是指自然常數(shù)。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的聚焦光纖激光束的空間形態(tài)連續(xù)調(diào)節(jié)方法，其特征在于：所述超高斯光束半徑r_b的數(shù)學(xué)關(guān)系式為：

式中，等號右邊第二項為高斯項修正，r₀、z_R分別為理想的焦斑半徑和瑞利長度，z_d表示激光束離焦量，a₁為帶長度量綱的模型參數(shù)、a₂為常系數(shù)。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的聚焦光纖激光束的空間形態(tài)連續(xù)調(diào)節(jié)方法，其特征在于：所述空間形態(tài)因子k的數(shù)學(xué)關(guān)系式為：

其中，a₅為帶長度量綱的模型參數(shù)、a₃、a₄為常系數(shù)。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的聚焦光纖激光束的空間形態(tài)連續(xù)調(diào)節(jié)方法，其特征在于：采用非線性最小二乘法擬合識別出模型參數(shù)和常系數(shù)。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的聚焦光纖激光束的空間形態(tài)連續(xù)調(diào)節(jié)方法，其特征在于：采用權(quán)重非線性最小二乘法擬合試驗測量值，以使辨識后的截面功率密度模型在高功率密度區(qū)的預(yù)測值與試驗測量值良好吻合，其中，權(quán)重因子w_ij可表示為，

式中，I_b為權(quán)重閾值，其值設(shè)為表示第n個光束測量截面上的最大功率密度。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的聚焦光纖激光束的空間形態(tài)連續(xù)調(diào)節(jié)方法，其特征在于：所述光束截面功率密度的權(quán)函數(shù)I_w(x_i,y_i)可表示為，

I_w(x_i,y_i)＝w_ijI(x_i,y_i)，

通過擬合，可識別得到所有光束測量截面上的非獨立參數(shù)r_b和k。