激光切割机光学相关知识ppt课件

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激光切割工艺
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切割过程是激光光束、辅助气体和工件之间的相互作用。
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激光模式
1.单模：是切割最理想的模式，主要出现于功率小于 1000w的激光器。
2.低阶模：与基膜比较接近，主要出现于1-2kw的中 功率激光器。
3.多模：是高阶模的混合，出现在功率大于3kw的激 光器。
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激光功率
激光切割所需要的激光功率主要取决于切割类 型和被切割材料的性质。气化切割需要的激光功率 最大，熔化氧气切割最小。激光功率对切割厚度、 切割速度和切口宽度等有很大的影响。一般激光功 率增大，所切材料的厚度增加，切割速度增加，切 口宽度也有所加大。
如果机床台面太大，光程超过6米则要求附加特殊光路设计 来使得光束聚焦情况在整个工作台面保持一致。
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激光扩束镜
作用：一、扩展激光束的直径； 二、减小发散角，实现准直传输。
（对高斯光束来说，光束直径和发散角的乘积为定值） 激光切割机上一般不要装扩束镜，只有在光路比较长的 情况下才用。如果光路从激光器到切割头上的距离超过
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聚焦镜的选择
根据公式可以看到，透镜焦距增加，焦点的光斑半径将增大， 功率越低，但同时很得到更大的焦深（在切割中称为有效切 割范围）。
焦深：焦点两侧直径变化5%的两光斑间距。
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从图中可以看出，5in透镜的有效范围大于3in的范围， 焦深越长，则切割中的操作允许度越大。 所以，需要切割的板材越厚，需要的焦深越长，需要 激光的能量越大。
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当板厚一定时，存在一个最佳氧气压力，使切割速度最大， 并且这个最佳值随板厚的增加而减小。
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激光器的组成
常用激光器由三部分组成：
工作物质 泵浦源
光学谐振腔
激励能源
工作物质
M 1 谐振腔
激光器结构示意图
激光
M2
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轴快流二氧化碳激光器
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激光器工作物质
CO2激光器的工作物质由CO2，N2和He三种气体组成。 CO2：产生激光辐射的气体 N2：起能量传递作用，增加激光上能级粒子数的累积 He：1. 有利于激光下能级的抽空；2. 实现有效的传热
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CO2激光器的优点
一、输出波段正好是大气窗口(即大气对 这个波长的透明度较高)
二、利用CO2分子的振动-转动能级间的 跃迁的，有比较丰富的谱线
三、比较大的功率和比较高的能量转换效率
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光纤激光器
光纤激光器主要由泵源、耦合器、掺稀土元素光纤、谐振腔 等部件构成。泵源由一个或多个大功率激光二极管构成, 其发出 的泵浦光经特殊的泵浦结构耦合到作为增益介质的掺稀土元素 光纤内, 泵浦波长上的光子被掺杂光纤介质吸收, 形成粒子数反 转, 受激发射的光波经谐振腔镜的反馈和振荡形成激光输出。
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切割速度
切割速度直接影响切口宽度和切割表面粗糙度。不 同的材料的板厚，不同的切割气体压力，切割速度有一 个最佳值，最佳值约为最大切割速度的80%。
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辅助气体种类和压力
一般用氧气切割普通碳钢，低压打孔，低压切割。 一般用空气切割非金属。 一般用氮气切割不锈钢。 气体纯度越高，切割质量越好。 气体压力增大，排渣能力增强，可以使无挂渣的 切割速度增加。但压力过大，切割面会粗糙。
2 (l)
02
l1 A B l2 q(0) qA qB qC
高斯光束经光学系统变换后仍保持高斯分布的特性。 通过变换矩阵可以解出经光学系统变换后，高斯光束 的束腰半径和束腰位置。
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l2
f
(
f
( f l1 )f 2
l1 )2 0212
2 02
(
f
l1
f
2 2 01
)2
021
2
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典型激光器
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光纤激光器的优点
1. 转换效率高（高达20%） 2. 寿命长，可在恶劣环境下工作 3. 无需庞大的水冷和风冷系统，以及电源系统 4. 外形紧凑，体积小，且方便光纤导出。
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性能对比
首先，作为主流的传统的激光切割、焊接设备都采用 CO2激光器，可以稳定切割20mm以内的碳钢，10mm以内 的不锈钢，8mm以下的铝合金。光纤激光器在切割4mm以 内的薄板时优势明显，受固体激光波长的影响它在切割厚 板时质量较差。
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如何从将线偏振光 转变成圆偏振光？
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相位延时器
波晶片简称波片，也叫相位延时器，用来改 变或检验光的偏振情况。当线偏振光垂直入射到 晶片，其振动方向（与光的传播方向垂直）与晶 片光轴夹 θ 角，于是入射的振动光分解成垂直于 光轴和平行于光轴的两个分量，它们对应晶片中 的 o光和e光，而波片能使互相垂直的两光振动间 产生附加光程差。
该激光器的质量光程，这时候就要加扩束镜。
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光路补偿系统
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移动透镜
在切割头增加一独立的移动透镜的F轴。当机床工作 台移动或光轴移动时，光束从近端到远端F轴同时移动， 使聚焦后光斑直径在整个加工区域内保持一致。
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控制聚焦镜
从上图可以看出，改变入射到聚焦镜上光斑的发散角可以改变焦点 的位置，所以我们可以在光路中加入曲率可调的反射镜片，通过气 压的控制改变它的曲率半径，从而改变光束的发散角。
远场发散角
为光波长， 来自百度文库高斯光束的束腰半径。
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高斯光束质量的 评价
光束质量是激光可聚焦程度的度量。 描述激光光束品质的因子 定义为：
聚焦和扩束准直都不会改变光束质量。
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高斯光束的模式分布
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高斯光束模式
TEMlm
m表示沿x方向有m条节线，l表示沿y方向有l条节线。
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高斯光束的透镜变换
01
1(l)
激光的主要特性 普通光源：自发辐射，多波长，任意方
向，不相干 激光： 受激辐射，单色性好, 方向性好，
相干性好，亮度高.
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光的电磁波特性
电磁波是一种横波，电场方向、磁场方向以及 传播方向三者相互垂直。 光是一种电磁波，也是一种横波，影响光场能 量分布的是电场强度矢量E，所以光的振动方 向即为电场矢量E的方向。
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光的偏振状态
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线偏振：光振动限于某一确定的平面内，光矢量在垂直 于传播方向的平面内的投影为一直线。 圆偏振：偏振面相对于传播方向随时间以圆频率w 旋转， 且在垂直于传播方向的平面上的投影构成一个圆。 椭圆偏振：偏振面相对于传播方向随时间以圆频率w 旋转， 且在垂直于传播方向的平面上的投影构成一个椭圆。
其次，正是由于CO2和光纤激光两者的波长相差一个数 量级，前者是不能用光纤传输的，后者可以用光纤传输，大 大增加了加工的柔性化程度。
再次，光纤激光的光电转化率高达25%以上，而CO2 激光的光电转化率只有10%左右，在电费消耗、配套冷却 系统等方面光纤激光的优势相当明显。
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切割机外光路系统
在外光路设计时，首先要了解激光器的特性，激光器的发 散角、出口光斑的直径大小，激光器光腰所在的位置，光腰处 的光斑尺寸大小，选出最佳光程有效范围，设计时尽可能将光 腰位置设置在设备行程的中间，保持切割近端和远端不会有太 大的差别。
激光切割机光学相关知识
2012年2月22日整理
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光的粒子特性
当光与物质相互作用时，如果产生原子对光的 发射和吸收的话，就可以体现出光的粒子性（光子）。
激光（laser）
光的受激辐射放大，即激发态（高能级）粒子 受到外来光子的激励作用跃迁到基态（低能级）， 同时发射一个与外来光子完全相同的光子。
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激光是一种偏振光，这是由激光形成的原理决定的。
受激辐射的特点： 受激辐射所产生的光子与外来光子具有相同的：
相位信息 传播方向 偏振状态
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由于激光在谐振腔内部金属表面的来回反射， 最终会形成一种有着固定偏振方向的线偏振光。
垂直于入射面的分量更容易反射， 平行于入射面的分量更容易投射。
由于线偏振光在激光切割中存在一定的缺陷性，所以 现在都选用圆偏振光来进行切割。
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圆偏振镜—四分之一波片
λ
线偏振光
y
Ae
d
Ax
Ao
光轴
当线偏振方向与晶体光轴成45°入射时，出射光变成圆偏振光。
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高斯光束的主要特征参量
通常情形,激光谐振腔发出的基模辐射场,其横截面的振幅 分布遵守高斯函数,故称高斯光束.
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高斯光束传播过程的发散性质
高斯光束和普通光束有很大的区别，它的传播方向性很好， 但同时也会不断的发散。在传播过程中，它的波面曲率一 直在变化；严格的讲，除光束中心以外，高斯光束并不沿 直线传播。
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焦点位置（离焦量）
以被加工物质表面为基准而设定的焦点位置，直接影 响切口宽度及坡度、切断面粗糙度、沾渣附着情况。这是 因为根据焦点位置，被加工物质表面的光束直径以及焦点 深度有所变化，从而使加工沟的形状引起变化，影响通过 加工沟的加工气体及熔融金属的流动。
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焦点深度
切割较厚钢板时，应采用焦点深度大的光束，以获得垂直 度较好的切割面。但是焦点深度大，光斑半径也增大，功 率随之减小，使切割速度降低。若要保持一定的切割速度， 则需要增大激光的功率。切割薄板时，宜采用较小的焦点 深度，光斑半径小，功率密度高，切割速度快。