发布时间 : 星期一 文章正式B5 高精密激光切割技术的应用研究陈文敬 - 图文更新完毕开始阅读54e1d49b168884868662d6de
提高功率密度。通常基模高斯光束的发散角定义为强度下降到中心强度的1 /e2点对应的全角宽度，即
??lim2w?z?2? （2.5） ?z??z?w0由此可见，基模高斯光束在其传播轴线附近可以视为一种非均匀球面波，其等相面是曲率中心不断变化的球面，振幅和强度在横截面内保持高斯分布。高斯光束及其参数如图2.2所示。
图2.2高斯光束及其参数
对于高斯光束，用几何光学的理论可以证明，其经透镜变换后仍为高斯光束[16]。图2.3为透镜对高斯光束的变换示意图。图中P和P?，分别为高斯光束入射在透镜前和经透镜变换后的波面，其曲率半径分别为
?，束腰至透R和R?，光斑半径分别为w和w?，束腰半径分别为w0和w0镜的距离分别为z和z?。
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图2.3透镜对激光束的聚焦[17]
对于透镜，前、后主面的通光口径是相等的，这样一来在两个主面上的激光束截面半径是相等的，即w?w?。若透镜焦距为f?，当旁轴球面波通过透镜时，波前曲率半径满足
111?? （2.6） ??RRf由以上各式联立可得高斯光束变换后的束腰位置和束腰半径为 z??f????z?f??f?2?w??z?f??2??????????202 （2.7）
11 ?2?2w0w02??z?1???1???f??f?2????2??w0????????2?? （2.8） ??22??w0????????时，式（2.7）??在上式中，如果z??，且满足??z?f??13
可近似为
z??f??由此可得
111 （2.9） ??z?zf?f?f?z ?z?f?z?f?这和近轴光学中的物像关系公式（高斯公式）完全一致。 在激光加工的光学系统中，常使用透镜来对光束进行聚焦。例如，应用激光切割、打孔、焊接等都需要把高斯光束聚焦成微小的光点。
由式（2.8）可以看出，当入射激光束束腰位于系统物方焦距之前，
?′随z的增大而单调地减小，直即z?f?时，出射激光束的束腰半径w0???，并由（2.7）式可得z??f?。 至z??时有w0一般情况下，只要满足z??f?，由式（2.8）就可得到
?? w0?f? （2.10） ?w?z?像方束腰的位置为
z??f? （2.11） 式（2.10）中像方的束腰半径与波长成正比，与激光束照在透镜前主面的光束截面半径w?z?成反比，这个量相当于普通物镜的通光口径，与透镜焦距成正比。因此，要使像方的束腰半径为最小，就要加大透镜被照明的口径，减小焦距长度，选择较短的光波长。以CO2激光器为例，来说明像方束腰半径的计算。要求像方的束腰半径为0.1mm激光光束在聚焦透镜上的截面半径为1.5mm，根据式（2.10）可得所求的透镜焦距
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f???w?w0?44.46?45mm ?2.3光学聚焦理论分析
从激光器输出的光束，尽管具有高方向性、高功率密度，但是在许多加工应用中尚不能达到所需的功率密度。因此，必须通过光学聚焦系统将激光束聚焦在很小的区域内，才能获得较高的功率密度，满足激光加工的要求。
聚焦是激光加工中最常见的一种光学处理，聚焦系统可能只有一个镜片，也可能由多个镜片组成。如图2.4所示为几种聚焦系统[18]。
图2.4几种聚焦系统简图
图2.4（a）所示为抛物镜聚焦系统，它仅含有一块抛物面聚焦反射
镜，聚焦效果较好，经常用于大功率激光焊接。图2.4（b）为平面镜一透镜聚焦系统，激光经过一块平面反射镜反射后由透镜聚焦，其聚焦效果优于抛物镜聚焦，是高精密度激光焊接和激光切割常用的光路。图2.4（c）、（d）、（e）是三种球面反射镜聚焦系统的三种主要形式。该聚焦系统适合焊接环形焊缝。
在激光切割加工系统中，当功率在2KW以下时，多采用平面镜一透镜聚焦系统，而且出于加工方便考虑，基本采用球面透镜。特别是对于CO2激光，可用的透射材料有限，难以加工用于消像差的不同材料的
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