激光切割中反射镜曲率对光路优化的应用

耿天顺　詹云

摘要：现今，激光加工技术已广泛应用于汽车、机械、材料加工、电子、航空航天、半导体、太阳能、塑胶加工、科研、印刷制图、安防、能源和环境工程、生物光子、生命科学和制药等领域。激光加工技术可对多种金属及非金属材料加工处理，在激光标刻、焊接、打标、快速成型、表面处理、维修、模压全息、光栅制造等各方面，激光加工技术正在发挥越来越大的作用。文章分析了如何利用反射镜曲率的改变，实现对二氧化碳激光切割机光路的优化，最终改善加工质量。

关键词：曲率半径；焦点；光路；比例控制阀；气压；激光切割；反射镜曲率

中图分类号：TG485 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）02-0060-03

现阶段激光切割机采用的激光发生器主要分为气体和固体这两大类。就目前而言，大功率气体二氧化碳发生器由于其价格和性能的稳定，还是占着主导的地位。在气体二氧化碳激光切割中，对工件切割质量影响的主要因素为焦点位置、气压、功率、速度等。其中焦点为最关键的因素，而对焦点起着决定性作用的是整个光束的特性。在激光机床中，我们一般称光束的传播路径过程为光路。

1 光路系统概述

1.激光发射器 2.激光发生器到ATFR镜光路 3.ATFR镜片 4.ATFR镜到X轴反射镜光路 5.X轴反射镜 6.X轴反射镜到Y轴反射镜光路 7.Y轴反射镜 8.Y轴反射镜到Z轴反射镜光路 9.Z轴反射镜 10.Z轴反射镜到聚焦镜光路 11.聚焦镜 12.加工板件

图1

激光切割机通常采用的是飞行光路，龙门式结构，光束从激光发生器发出，经薄膜吸收反射镜ATRF（Absorbing Thin-Film Reflector）、X轴反射镜、Y轴反射镜、Z轴反射镜、聚焦镜聚焦，再切割板材。光路系统如图1所示。

2 实际光路中存在的问题

理想状态下激光经过多块镜片后光束直径是保持恒定的，经过聚焦镜聚焦在镜片焦点上。但实际情况中还是存在很小的发散角，这样光束就会聚焦在镜片焦点之后（f′＞f）。如图2所示：

图2

随着整个光路长度的加长，入射到聚焦镜上的光束直径随之变大。根据透镜成像聚焦原理，发散后的焦点光斑直径将大大增加，同时能量密度也有很大的下降，这将对切割时材料的气化、热影响区产生非常大的影响。因而将直接影响切割的质量，甚至有些材料将会出现不能切断的情况。根据实验所得，激光发生器都有一个保证模态稳定、良好加工的光程和光束直径范围。因此，在激光加工设备中需要对光

路进行改进，尽量保证光束直径在合适的范围内。

3 光路的优化设计

激光切割机在设计时会有一个加工范围，比如3m×1.5m的加工台面，同时考虑到激光发生器保证模态稳定的光程范围，一般整个光路长度在3.5～8m之间。由于激光发生器的自身特性和存在的一个很小的发散角以及反射镜片的影响，光路在不到8m时，可能光束的直径就会超过保证模态稳定的范围。通常改进的方法有：

（1）定光长设计：在传动系统中增加一个轴，在这个轴上加上一个反射镜，利用轴的移动来补偿光路，从而保证光路长度的恒定。缺点：由于机械结构和电机的增加，成本很高。

（2）导光臂设计：利用一个恒定长度的导光臂跟随轴的移动，来保证光路长度的不变。缺点：机械结构复杂，成本高。

（3）镜片曲率改变光束直径。镜片曲率改变又分为扩束镜（固定曲率镜片）和压力控制镜片（可变曲率镜片）。优点：成本低，性能可靠。缺点：需要计算和实验，选出合适曲率的镜片。

综合考虑，采取第三种方法是今后的一种趋

势。在本文中详细说明利用气压控制镜片曲率改变。

在反射镜的内部设计有承受气体压力的空间，气体经过比例控制阀，由控制系统调节比例阀的电压得到合适的气压，再进入镜片上的气体接口，来改变镜片的曲率，另外通过镜片上的压力传感器，将实际的压力反馈给控制系统，进行反馈调节，从而得到合适的曲率。如图3所示：

1.镜片冷却水进口镜片 2.冷却水出口气体 3.压力进口气体 4.压力反馈

图3

经过实验的测试，得到在一定的电压下，相对应的气体压力和镜片曲率半径。如图4所示：

图4

表1

压力a（bar） 电压b（V） 半径c（m） 长度f′（m） 1/f′

（1/m）

0.000 0.000 －8.540 3.019 0.331

1.000 1.650 －12.460 4.405 0.227

2.000 3.310 －26.826 9.484 0.105

3.000 5.000 5000.000 －1767.767 －0.001

4.000 6.690 24.457 －8.647 －0.116

5.000 8.350 11.953 －4.226 －0.237

6.000 10.000 8.001 －2.829 －0.354

由图4和表1得出电压和1/ f′为线性关系：

，

若将图1中Z轴上装有可变曲率镜片反射镜，经过的光束经折射到聚焦镜上。

假设入射反射镜的光束直径为A，则：

假设反射镜与聚焦镜之间的距离为B，则反射镜射到聚焦镜上的光束直径D：

根据光束和聚焦镜聚焦的特性，光斑大小由光的衍射和透镜的球差决定。衍射形成的光斑大小为P1：

球差形成的光斑大小为P2：

最终光斑大小P：

式中：λ为光束的波长；f为聚焦镜焦距；M^2为光束的模式参数；k为聚焦镜折射率系数。

由计算光斑大小的方程式，对光束直径求导数，得到入射聚焦透镜的最佳光束直径D：

若使用焦距f为127mm的硒化锌凹凸聚焦透镜，在入射光束为二氧化碳激光，波长λ为10.6?m时，折射率k为0.0187。取理想状态下M^2值为1，可计算出最佳光束直径为26mm，光斑大小为86?m。

在实际控制中将这些函数输入到控制系统中，这样就可以随时调用程序进行镜片曲率调节，同时对激光的模态进行测量调整，得到合适的光束直径和最小的光斑，保证能量的集中，更高效地切割

板材。

4 结语

随着激光加工技术的不断成熟，在各领域的更多应用，新型大功率、高能量密度激光器的开发和设备成本的降低，其领域将进一步扩大，推动着整个加工制造业的变革。同时激光技术也融入我们的日常生活之中，在未来的岁月中会带给我们更多的惊喜。

参考文献

[1] 盛新志，娄淑琴．激光原理[M]．北京：清华大学出版社，2010.

[2] 陈家璧，彭润玲．激光原理及应用[M]．北京：电子工业出版社，2008．

[3] 俞宽新，等．激光原理与激光技术[M]．北京：北京工业大学出版社，1998．

[4] 周炳琨，等．激光原理[M]．北京：国防工业出版社，2004.

（责任编辑：周 琼）