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高功率光纖激光切割頭光束的功率衰減與焦點光斑質(zhì)量分析

發(fā)布時間：2024-08-06

激光加工應(yīng)用廣泛，尤其是高功率的光纖激光器，在金屬材料的切割和焊接方面功效顯著。切割頭的焦點光斑質(zhì)量是影響切割效率的重要因素，如何直觀地檢驗高功率光纖激光切割頭焦點光斑的質(zhì)量，能夠保證設(shè)備的良好運轉(zhuǎn)。通常，有經(jīng)驗的技術(shù)人員會通過在金屬板表面劃線或者使用相紙離焦打點的方式來間接判斷光束焦點的性能；但這種方式因人而異，不僅不能定量分析，還浪費不少耗材。

利用CCD相機可以捕獲激光光斑的強分布。相機式光束分析儀采用二維陣列光電傳感器，直接將輻照在傳感器上的光斑分布轉(zhuǎn)換成圖像，并通過電腦軟件進行數(shù)據(jù)分析。相機式光斑分析儀是目前使用最多的光斑分析儀，可以測試連續(xù)激光、脈沖激光、單個脈沖激光，可實時監(jiān)控激光光斑的變化。但相機本身并不能承受高強度的激光照射，需要將高功率的激光光束先衰減到微瓦量級才能照射到相機靶面上，并且不能讓探測器工作在飽和狀態(tài)。

激光功率衰減通常使用以下三種方法，分別為中性密度衰減片衰減法、偏振衰減法、鍍膜光學鏡片衰減法。對于高功率的光纖激光來說，吸收型的衰減方法顯然行不通的，且一般都是非線偏振光束，所以偏振衰減法也不太適用。通過鍍膜光學鏡片進行光束能量衰減，實際就是激光能量分束，提取其中激光能量較低的反射或者透射光束進行測量。

對于常用的熔石英玻璃材料，我們可以通過菲涅爾公式計算出任何入射角度條件下的表面平均反射率，從而很方便地分析需要多少次反射才能將激光功率衰減到探測器可以承受的能量范圍。例如，在45度入射情況下，熔石英玻璃的單表面平均反射率大約為4.33%。對于1000W功率的入射激光，經(jīng)過兩次反射衰減功率可以降到2W以下，三次以上反射衰減功率才能降到毫瓦級別。另外一方面，為了避免前后表面的反射點相互干擾難以區(qū)分，通常使用楔形鏡作為衰減反射鏡。

基于上述理論，可以設(shè)計開發(fā)一款可用于可視化測量高功率光纖激光切割頭的焦點光斑質(zhì)量的光束分析儀，可直接測量/承受2000W的激光功率?？梢愿鶕?jù)要測量的光束錐角范圍（即聚焦光束的數(shù)值孔徑NA值），定制不同的入射距離。光束分析模塊內(nèi)部，除了楔形鏡反射衰減模組外，還有一個4F光學變換共軛成像系統(tǒng)，將焦點光斑的像變換在光束分析儀的相機靶面位置。在測量切割頭激光焦點光斑質(zhì)量的同時，還可以實時測量激光功率，因此可以一次性地對切割頭的激光性能進行比較全面的評價，節(jié)省時間提高效率。

除了測量光纖激光切割頭的光束分析模塊，我們還可以設(shè)計開發(fā)專門用于直接測量F-theta掃描場鏡焦點光斑質(zhì)量的光束分析模塊。光束分析模塊內(nèi)部，只有楔形鏡反射衰減模組，所以是直接測量的實際焦點光斑的質(zhì)量，即激光光束是聚焦在光束分析模塊的內(nèi)部的。因此，這種測量方式的模塊具有更小巧一些的體積。此外，這種測量方式的模塊，也可以同時測量激光焦點的光斑質(zhì)量和入射激光光束的功率，一體化完成激光光束性能的全面評價，節(jié)省時間提高效率。

更多其他測量方式，也可以和我們一起討論評估可行性。

產(chǎn)品特性概括：

（1）可直接承受/測量激光功率2000W；

（2）測量焦點光斑尺寸>30um；

（3）需水冷，流量>15L/min；

（4）可兼容同步功率測量，測量功率為比例衰減后的功率；

（5）長工作距離焦點測量（場鏡）或短工作距離焦點測量（切割頭）；