激光束能量分布分析与监测
2012-12-20
钢铁、合金钢和其它材料的切割、焊接和打标，过去一直采用接触式加工技术。高功率（平均功率1kW以上）CO2激光器结构设计的最新进展，节约了这些激光器的购买和使用成本。因此，高功率CO2 激光器在许多原来专门留给其它技术完成的生产过程中获得了认可。激光焊接与切割提供非接触式加工所具有的优势使之成为可能，例如，激光焊接可以采用遥控焊接头进行大面积处理。同接触式加工相比，激光加工在工件上产生的热影响区（HAZ）小得多，这减少了被加工材料的尺寸问题，有助于精密零件制造。只要光束稳定并聚焦在工件上，激光加工相对非激光加工来说就有显著的成本优势。
激光加工过程首先是一个热变化过程[1] ，激光器发出的能量聚焦于很小的靶区，并将热量传递给被加工的材料，难怪许多加工过程高度依赖于材料所能吸收的能量。加工过程的效率往往是辐照度的平方或立方的函数[2] 。因而可以断定，工件上的焦斑总能量和能量空间分布是加工过程的成功关键，而且对激光束空间能量分布形状的变形是非常敏感的。许多CO2激光器不仅仅输出单横模光束 [3] ，因此光束模式的质量非常重要。
空间光束能量分布分析是一种测量方法，它把构成光束的所有变量合成为一目了然的图象。这个方法适用于一切激光器，而不仅仅是CO2 激光器[4]。CO2激光器最常用的光束能量分布分析方法是丙烯酸模式烧蚀法。这个方法把未聚焦的光束引向一个丙烯酸靶块，光束能量使丙烯酸材料气化蒸发，而且焦斑轮廓与光束本身的空间能量分布成正比。材料气化形成的轮廓描述了激光束在照射丙烯酸靶块过程中（一般持续若干秒）的空间能量分布。
尽管这个方法已广为应用，但是精度和重复精度在很大程度上依赖于操作者的技巧，还在车间里产生大量的易燃有毒蒸气，必须抽吸出去。而且，采用这个方法无法测量激光束在光路上的瞬时反应，例如可能掩盖了过程最开始时的变化。总之，模式烧蚀法最多只能算是近似描述激光光束的性能。
在过去10年中开发出了一些效果各异的半电子诊断法，其中大多数方法试图对未聚焦的光束取样，也就是将一小部分有代表性的光束引向某种传感器，以此获得主光束的空间能量分布图。就高功率激光应用而论，取样不是采用细小空心管上的微米级小孔，就是采用细金属丝末端的小反射镜，将一小部分原始光束引向一个热电式单元素传感器，然后由这个传感器把吸收的能量转换为比例电信号。
随着激光器的长久使用，连续监测过程可以警告即将发生故障，须及时进行维修。利用系统中的连续监视器，可以在加工过程中跟踪重要的光束参数。
光束能量分布给上述测量方法带来了经济效益，由于生产率增加、废品率降低和停机时间减少而节约成本。随着加工过程变得更加严格，激光能量分布和监测技术将会越来越有成本效益。
来源 电能质量分析仪 //1000qsw.com/
