描述激光束质量特征的方法

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：在激光焊接、切割以及其他激光热加工时激光束质量是激光束选择考虑以及影响工艺参数设定的重要因素。这里的激光光束质量是对光束的空间分布特征的描述。光束质量特征可以由多种参数进行描述，如发散角、光束参数积、光束传播因子、横模模式等。对于基模高斯光束，M2=1，达到衍射极限。基模、低阶模的激光束横截面上的能量分布相对集中，具有更好的聚焦能力，因此，这类激光光束适合应用于激光切割、激光焊接等加工领域。

在激光焊接、切割以及其他激光热加工时激光束质量是激光束选择考虑以及影响工艺参数设定的重要因素。这里的激光光束质量是对光束的空间分布特征的描述。光束质量特征可以由多种参数进行描述，如发散角、光束参数积、光束传播因子、横模模式等。

1.发散角

激光发散角描述激光束在空间传输的发散程度。设激光束沿z轴传播，则激光发散角的定义如式（4-1-2）所示：

式中 ω（z）——激光束束径（mm）。

对于波长为λ的基模高斯光束，如果其束腰光斑半径为ω₀，则发散角半角如式（4-1-3）所示：

θ=λ/（πω₀）（4-1-3）

发散角越小，则光束的方向性越好。在激光打孔、激光切割、激光焊接、激光微细加工时要求激光光束的发散角尽可能小和聚焦性尽可能好。但是光束发散角可能会在光束的传播过程中发生变化，如光束经过凹（凸）透镜、光束投射到曲面反射镜等情况下。因此，发散角不是描述光束质量特征和进行比较的最佳参数。

2.光束参数积

光束参数积可定义为光斑半径与该处的半发散角的乘积。对于直径为2ω₀圆形对称的光束，其远场发散角为2θ，该光束的光束参数积（BPP）如式（4-1-4）所示：

BPP=ω₀θ （4-1-4）

光束参数积不随光束传输变换而改变，因而能排除光学系统的影响，用它来表征光束质量，比单独用发散角等参数更加明确、客观。

3.光束传播因子和光束衍射极限因子

描述光束质量的参数还有光束传播因子和光束衍射极限因子两个参数。这两个参数都是在光束参数积BPP基础上衍生出来的。光束传播因子（K）和光束衍射极限因子（M²）描述的都是理想光束（基模高斯光束）的光束参数积与实际光束的光束参数积之间的比值，且两者互为倒数。具体关系如下：

式中 ω_r0θ_r——实际光束的光束参数积（mm·mrad）。

对于基模高斯光束，M²=1，达到衍射极限。M²越大，光束发散越快。通常来说，激光光束的K值为0.1～1之间，M²值则为1～10。

4.横模模式

激光光束的横模模式情况如本篇1.1.4章节中所描述的。基模、低阶模的激光束横截面上的能量分布相对集中，具有更好的聚焦能力，因此，这类激光光束适合应用于激光切割、激光焊接等加工领域。而激光淬火进行金属表面热处理时，希望淬火区内热循环过程相近的区域越大越好，整个热处理区域的硬度、淬硬深度等最好接近一致，为此，选用光斑处能量分布更为均匀的高阶模激光则更为合适。

描述激光束质量特征的方法

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