[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

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

本發(fā)明涉及一種聚焦光纖激光束的空間形態(tài)連續(xù)調(diào)節(jié)方法，所述方法包括以下步驟：實(shí)時(shí)獲取數(shù)個(gè)光束截面的功率密度；根據(jù)獲取的數(shù)個(gè)光束截面的功率密度，得到截面功率密度測(cè)量數(shù)據(jù)；根據(jù)得到的截面功率密度測(cè)量數(shù)據(jù)，選取截面功率密度數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)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(shí)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；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，調(diào)節(jié)離焦量以連續(xù)調(diào)節(jié)激光束空間形態(tài)。本發(fā)明能夠精準(zhǔn)重構(gòu)真實(shí)聚焦激光束的功率密度形貌，得到空間形態(tài)參數(shù)(半徑、離焦量、形態(tài)因子)間的數(shù)學(xué)關(guān)系式，根據(jù)數(shù)學(xué)關(guān)系式，可連續(xù)調(diào)節(jié)激光束空間形態(tài)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及激光增材制造、激光熔覆、激光焊接等激光材料加工領(lǐng)域技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種聚焦光纖激光束的空間形態(tài)連續(xù)調(diào)節(jié)方法。

背景技術(shù)

激光束因其功率密度高、參數(shù)控制靈活，工藝柔性好等特點(diǎn)而廣泛用于各類激光材料加工領(lǐng)域，如激光增材制造、激光焊接、激光熔覆、激光表面改性等先進(jìn)制造領(lǐng)域。在涉及材料-結(jié)構(gòu)-工藝的多因素耦合的制造加工過程中，光束形態(tài)對(duì)熔池?zé)彷斶\(yùn)具有主導(dǎo)作用，而且熔池固/液界面熱輸運(yùn)特征(溫度梯度、熱流方向、冷卻速率)顯著影響零件內(nèi)部微觀組織特性和宏觀表面形貌。隨著激光空間整形技術(shù)的發(fā)展，學(xué)者們以空間域光束形態(tài)為調(diào)控方式，探尋激光束空間特性對(duì)熔池?zé)彷斶\(yùn)和凝固組織之間的關(guān)系成為目前激光材料加工的主要研究方向。

因其激發(fā)原理使得光纖激光束具有獨(dú)特的空間特性，表征為能量隨空間域規(guī)律演變。空域特性體現(xiàn)為控制熱流密度的空間分布，從而對(duì)熔池?zé)彷斶\(yùn)進(jìn)行調(diào)控，主要影響熔池形貌和溫度場(chǎng)。熔池冷卻速率和熱流的梯度方向又決定了凝固速率、方向、凝固組織的結(jié)構(gòu)、晶粒尺寸等，進(jìn)而使零件呈現(xiàn)出不同的力學(xué)和表面特性。因此，學(xué)者們廣泛開展了針對(duì)激光束不同空間形貌與加工樣件的組織性能的相關(guān)模擬和試驗(yàn)，以期調(diào)控激光束空間形態(tài)來控制零件組織性能。在激光增材制造領(lǐng)域，光束的空間形態(tài)顯著影響光-粉-熔池之間的多場(chǎng)耦合，影響熔池的形貌和溫度分布，不同光束形態(tài)得到的金屬組織性能差異顯著；對(duì)于激光焊接，光束空間形態(tài)顯著影響焊接熔池溫度分布，進(jìn)而影響接頭力學(xué)性能和形變；激光熔覆加工中，需要保證熔覆層和基體的穩(wěn)定結(jié)合以及涂層的表面力學(xué)特性，光束空間形態(tài)對(duì)其具有重要影響。

然而，激光束在實(shí)際傳輸過程中因受光學(xué)器件間的耦合狀態(tài)、熱透鏡效應(yīng)及其它因素的影響，光束經(jīng)過多次調(diào)制后并不呈現(xiàn)出預(yù)期的特定光束形態(tài)，如在近場(chǎng)(焦平面附近的一個(gè)瑞利長(zhǎng)度內(nèi))呈現(xiàn)為近平頂形貌而非理論高斯形貌，遠(yuǎn)場(chǎng)呈現(xiàn)為近高斯形態(tài)分布。因此，基于已有光束診斷識(shí)別系統(tǒng)，建立光束空間形態(tài)與各形態(tài)參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，進(jìn)而精準(zhǔn)調(diào)控激光束空間形態(tài)成為目前激光加工領(lǐng)域亟待解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種聚焦光纖激光束的空間形態(tài)連續(xù)調(diào)節(jié)方法，能夠精準(zhǔn)重構(gòu)真實(shí)聚焦激光束的功率密度形貌，得到空間形態(tài)參數(shù)(半徑、離焦量、形態(tài)因子)間的數(shù)學(xué)關(guān)系式，可以解決背景技術(shù)中的問題。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的聚焦光纖激光束的空間形態(tài)連續(xù)調(diào)節(jié)方法的技術(shù)方案具體如下：

本發(fā)明實(shí)施例公開了一種聚焦光纖激光束的空間形態(tài)連續(xù)調(diào)節(jié)方法，所述方法包括以下步驟：

實(shí)時(shí)獲取數(shù)個(gè)光束截面的功率密度；

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

根據(jù)得到的截面功率密度測(cè)量數(shù)據(jù)，選取截面功率密度數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)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(shí)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(zhǎng)度z_R；