激光光束质量对光束传输聚焦和加工质量的影响

论文摘要

现代激光制造技术的研究、开发、应用及产业化对国民经济的发展具有巨大的推动作用。高能量和高品质是对制造用激光源提出的基本要求,我国在激光技术的研究方面起步较早,但长期以来多重视激光源的高能量,忽略了其高品质,即光束质量。本文以光束质量为主线,研究了光束质量对激光制造技术贯穿始终的重要作用,提出了以描述激光束聚焦特性为核心的光束质量评价参数;理论分析,并实验验证了光束质量对光束传输和聚焦性能的影响;最后,以激光焊接为实例,研究了光束质量对激光加工过程的影响。论文在总结目前存在的评价激光光束质量参数的基础上,根据对影响激光制造的主要光束特性参数的分析,以光束空间特性为核心,提出用光束聚焦特征参数值作为评价激光光束质量的参数。因为激光作为能源能够在工业领域广泛应用的根本优势就在于它可以通过聚焦获得极高的能量密度,而值恰恰表征了实际光束的可聚焦能力。论文研究论证了用值评价激光光束质量的实际意义在于两个方面,一方面它仅仅包含了光束束宽和发散角,不涉及波长的因素,使不同波长激光束的可加工能力具有可比性;另一方面,值是根据对光束传输路径上不同位置处束宽实际测量结果的计算值,比其在与基模高斯光束进行比值计算得到的M 2因子更简洁、更有说服力。根据矩阵光学变换的ABCD定律,推导出激光束经过单聚焦镜变换后的成像公式和物像比例公式,并在此基础上讨论光束质量和聚焦系统特性对光束聚焦性能的影响。聚焦光束束腰位置和半径、聚焦角、焦深、焦点偏移量以及焦点漂移量是描述光束聚焦特性的主要参数,它们由四个参量共同决定,分别为聚焦前光束的束腰半径、瑞利长度和聚焦镜的焦距以及聚焦镜到光束束腰位置的距离。这四个参数分别反映了光束本身的特性和聚焦系统特性,光束特性用值描述,聚焦系统特性用焦数描述。光束质量对光束传输和聚焦的影响在于,高光束质量激光束可以同时保证小光束束宽和长瑞利长度,不仅使激光束可以传输更远的距离,还可以得到小聚焦光斑。光束质量越好,表明激光束的传输和聚焦性能越好。实验所采用的四种激光器不同聚焦特性的测量值与理论计算值具有很好的一致性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 物理量名称及符号表
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 激光场的描述
• 1.2.2 评价激光光束质量的参数
• 1.2.3 光束质量对激光制造过程的影响
• 1.2.4 激光深熔焊接研究进展
• 1.3 本论文的研究目的和主要研究内容
• 1.4 本章小结
• 第二章 实验设备及测量仪器
• 2.1 实验设备
• 2激光器（Rofin Sinar DC035）'>2.1.1 3500W Slab CO₂激光器（Rofin Sinar DC035）
• 2激光器'>2.1.2 Trumpf TLF6000t CO₂激光器
• 2激光器（Rofin Sinar SR200）'>2.1.3 20kW CO₂激光器（Rofin Sinar SR200）
• 2.1.4 2500WYAG灯泵浦固体激光器（Rofin Sinar CW025）
• 2.2 光束光斑质量检测仪
• 2.2.1 测量原理
• 2.2.2 技术指标
• 2.2.3 光束参数的计算
• 2.3 本章小结
• 第三章 激光光束质量评价
• 3.1 决定光与物质相互作用的光束特性
• 3.1.1 激光束的波长
• 3.1.2 能量（功率）
• 3.1.3 激光束的偏振特性
• 3.1.4 激光束的时间特性
• 3.1.5 激光束的空间特性
• f 值评价激光光束质量'>3.2 用K_f值评价激光光束质量
• 3.2.1 束宽的定义
• f值与M² 因子'>3.2.2 K_f值与M²因子
• f 值评价激光光束质量的实际意义'>3.2.3 用K_f值评价激光光束质量的实际意义
• 3.3 影响激光光束质量的因素
• 3.3.1 增益介质对光束质量的影响
• 3.3.2 谐振腔对光束质量的影响
• 3.3.3 光束控制系统对光束质量的影响
• 3.4 本章小结
• 第四章 光束质量对光束聚焦特性的影响
• 4.1 聚焦镜的种类
• 4.1.1 透镜聚焦
• 4.1.2 反射镜聚焦
• 4.2 激光束的聚焦理论
• 4.3 聚焦系统特性对光束聚焦特性的影响
• 4.3.1 f 对光束聚焦特性的影响
• 0 对聚焦光束特性的影响'>4.3.2 z₀对聚焦光束特性的影响
• 4.4 光束质量对光束聚焦特性的影响
• 4.4.1 光束质量对焦斑大小的影响
• 4.4.2 光束质量对焦斑位置的影响
• 4.4.3 光束质量对焦深的影响
• 4.5 实验用不同光束质量激光束的聚焦特性
• 4.6 高功率激光传输聚焦系统的设计实例
• 4.7 本章小结
• 第五章 光束质量对激光深熔焊接过程的影响
• 5.1 激光深熔焊接
• 5.1.1 激光深熔焊接机理
• 5.1.2 激光深熔焊接过程中的能量耦合
• 5.2 光束质量对激光深熔焊接阈值的影响
• 5.3 光束质量对焊接效率的影响
• 5.4 光束质量对最佳焦距的影响
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论
• 中外文参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 致谢