激光切割機(jī)光學(xué)相關(guān)知識(shí)課件

激光切割機(jī)光學(xué)相關(guān)知識(shí)2012年2月22日整理1感謝下載光的粒子特性當(dāng)光與物質(zhì)相互作用時(shí)，如果產(chǎn)生原子對(duì)光的發(fā)射和吸收的話，就可以體現(xiàn)出光的粒子性（光子）。

光的受激輻射放大，即激發(fā)態(tài)（高能級(jí)）粒子受到外來光子的激勵(lì)作用躍遷到基態(tài)（低能級(jí)），同時(shí)發(fā)射一個(gè)與外來光子完全相同的光子。激光（laser）2感謝下載3感謝下載激光的主要特性

普通光源：自發(fā)輻射，多波長，任意方向，不相干

激光：受激輻射，單色性好,方向性好，

相干性好，亮度高.4感謝下載光的電磁波特性電磁波是一種橫波，電場方向、磁場方向以及傳播方向三者相互垂直。光是一種電磁波，也是一種橫波，影響光場能量分布的是電場強(qiáng)度矢量E，所以光的振動(dòng)方向即為電場矢量E的方向。5感謝下載光的偏振狀態(tài)6感謝下載線偏振：光振動(dòng)限于某一確定的平面內(nèi)，光矢量在垂直于傳播方向的平面內(nèi)的投影為一直線。圓偏振：偏振面相對(duì)于傳播方向隨時(shí)間以圓頻率w旋轉(zhuǎn)，且在垂直于傳播方向的平面上的投影構(gòu)成一個(gè)圓。橢圓偏振：偏振面相對(duì)于傳播方向隨時(shí)間以圓頻率w旋轉(zhuǎn)，且在垂直于傳播方向的平面上的投影構(gòu)成一個(gè)橢圓。7感謝下載激光是一種偏振光，這是由激光形成的原理決定的。

受激輻射的特點(diǎn)：受激輻射所產(chǎn)生的光子與外來光子具有相同的：

相位信息傳播方向偏振狀態(tài)8感謝下載由于激光在諧振腔內(nèi)部金屬表面的來回反射，最終會(huì)形成一種有著固定偏振方向的線偏振光。由于線偏振光在激光切割中存在一定的缺陷性，所以現(xiàn)在都選用圓偏振光來進(jìn)行切割。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。9感謝下載如何從將線偏振光轉(zhuǎn)變成圓偏振光？10感謝下載相位延時(shí)器

波晶片簡稱波片，也叫相位延時(shí)器，用來改變或檢驗(yàn)光的偏振情況。當(dāng)線偏振光垂直入射到晶片，其振動(dòng)方向（與光的傳播方向垂直）與晶片光軸夾θ角，于是入射的振動(dòng)光分解成垂直于光軸和平行于光軸的兩個(gè)分量，它們對(duì)應(yīng)晶片中的o光和e光，而波片能使互相垂直的兩光振動(dòng)間產(chǎn)生附加光程差。11感謝下載圓偏振鏡—四分之一波片ydxAAoAe線偏振光光軸λ當(dāng)線偏振方向與晶體光軸成45°入射時(shí)，出射光變成圓偏振光。12感謝下載高斯光束的主要特征參量通常情形,激光諧振腔發(fā)出的基模輻射場,其橫截面的振幅分布遵守高斯函數(shù),故稱高斯光束.

13感謝下載高斯光束傳播過程的發(fā)散性質(zhì)高斯光束和普通光束有很大的區(qū)別，它的傳播方向性很好，但同時(shí)也會(huì)不斷的發(fā)散。在傳播過程中，它的波面曲率一直在變化；嚴(yán)格的講，除光束中心以外，高斯光束并不沿直線傳播。遠(yuǎn)場發(fā)散角為光波長，為高斯光束的束腰半徑。14感謝下載高斯光束質(zhì)量的評(píng)價(jià)光束質(zhì)量是激光可聚焦程度的度量。描述激光光束品質(zhì)的因子定義為：聚焦和擴(kuò)束準(zhǔn)直都不會(huì)改變光束質(zhì)量。15感謝下載高斯光束的模式分布16感謝下載高斯光束模式

TEMlmm表示沿x方向有m條節(jié)線，l表示沿y方向有l(wèi)條節(jié)線。17感謝下載高斯光束的透鏡變換高斯光束經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)變換后仍保持高斯分布的特性。通過變換矩陣可以解出經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)變換后，高斯光束的束腰半徑和束腰位置。l2qCl1q(0)qAAqBB18感謝下載19感謝下載典型激光器20感謝下載激光器的組成常用激光器由三部分組成：

工作物質(zhì)泵浦源光學(xué)諧振腔激光工作物質(zhì)激勵(lì)能源諧振腔激光器結(jié)構(gòu)示意圖21感謝下載軸快流二氧化碳激光器22感謝下載激光器工作物質(zhì)CO2激光器的工作物質(zhì)由CO2，N2和He三種氣體組成。CO2：產(chǎn)生激光輻射的氣體N2：起能量傳遞作用，增加激光上能級(jí)粒子數(shù)的累積He：1.有利于激光下能級(jí)的抽空；2.實(shí)現(xiàn)有效的傳熱23感謝下載CO2激光器的優(yōu)點(diǎn)一、輸出波段正好是大氣窗口(即大氣對(duì)

這個(gè)波長的透明度較高)二、利用CO2分子的振動(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)間的

躍遷的，有比較豐富的譜線三、比較大的功率和比較高的能量轉(zhuǎn)換效率24感謝下載光纖激光器光纖激光器主要由泵源、耦合器、摻稀土元素光纖、諧振腔等部件構(gòu)成。泵源由一個(gè)或多個(gè)大功率激光二極管構(gòu)成,其發(fā)出的泵浦光經(jīng)特殊的泵浦結(jié)構(gòu)耦合到作為增益介質(zhì)的摻稀土元素光纖內(nèi),泵浦波長上的光子被摻雜光纖介質(zhì)吸收,形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn),受激發(fā)射的光波經(jīng)諧振腔鏡的反饋和振蕩形成激光輸出。25感謝下載光纖激光器的優(yōu)點(diǎn)轉(zhuǎn)換效率高（高達(dá)20%）壽命長，可在惡劣環(huán)境下工作無需龐大的水冷和風(fēng)冷系統(tǒng)，以及電源系統(tǒng)外形緊湊，體積小，且方便光纖導(dǎo)出。26感謝下載性能對(duì)比首先，作為主流的傳統(tǒng)的激光切割、焊接設(shè)備都采用CO2激光器，可以穩(wěn)定切割20mm以內(nèi)的碳鋼，10mm以內(nèi)的不銹鋼，8mm以下的鋁合金。光纖激光器在切割4mm以內(nèi)的薄板時(shí)優(yōu)勢明顯，受固體激光波長的影響它在切割厚板時(shí)質(zhì)量較差。其次，正是由于CO2和光纖激光兩者的波長相差一個(gè)數(shù)量級(jí)，前者是不能用光纖傳輸?shù)?，后者可以用光纖傳輸，大大增加了加工的柔性化程度。再次，光纖激光的光電轉(zhuǎn)化率高達(dá)25%以上，而CO2激光的光電轉(zhuǎn)化率只有10%左右，在電費(fèi)消耗、配套冷卻系統(tǒng)等方面光纖激光的優(yōu)勢相當(dāng)明顯。27感謝下載切割機(jī)外光路系統(tǒng)在外光路設(shè)計(jì)時(shí)，首先要了解激光器的特性，激光器的發(fā)散角、出口光斑的直徑大小，激光器光腰所在的位置，光腰處的光斑尺寸大小，選出最佳光程有效范圍，設(shè)計(jì)時(shí)盡可能將光腰位置設(shè)置在設(shè)備行程的中間，保持切割近端和遠(yuǎn)端不會(huì)有太大的差別。

如果機(jī)床臺(tái)面太大，光程超過6米則要求附加特殊光路設(shè)計(jì)來使得光束聚焦情況在整個(gè)工作臺(tái)面保持一致。28感謝下載激光擴(kuò)束鏡作用：一、擴(kuò)展激光束的直徑；

二、減小發(fā)散角，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)直傳輸。（對(duì)高斯光束來說，光束直徑和發(fā)散角的乘積為定值）激光切割機(jī)上一般不要裝擴(kuò)束鏡，只有在光路比較長的情況下才用。如果光路從激光器到切割頭上的距離超過該激光器的質(zhì)量光程，這時(shí)候就要加擴(kuò)束鏡。29感謝下載光路補(bǔ)償系統(tǒng)30感謝下載移動(dòng)透鏡在切割頭增加一獨(dú)立的移動(dòng)透鏡的F軸。當(dāng)機(jī)床工作臺(tái)移動(dòng)或光軸移動(dòng)時(shí)，光束從近端到遠(yuǎn)端F軸同時(shí)移動(dòng)，使聚焦后光斑直徑在整個(gè)加工區(qū)域內(nèi)保持一致。31感謝下載控制聚焦鏡從上圖可以看出，改變?nèi)肷涞骄劢圭R上光斑的發(fā)散角可以改變焦點(diǎn)的位置，所以我們可以在光路中加入曲率可調(diào)的反射鏡片，通過氣壓的控制改變它的曲率半徑，從而改變光束的發(fā)散角。32感謝下載聚焦鏡的選擇根據(jù)公式可以看到，透鏡焦距增加，焦點(diǎn)的光斑半徑將增大，功率越低，但同時(shí)很得到更大的焦深（在切割中稱為有效切割范圍）。焦深：焦點(diǎn)兩側(cè)直徑變化5%的兩光斑間距。33感謝下載從圖中可以看出，5in透鏡的有效范圍大于3in的范圍，焦深越長，則切割中的操作允許度越大。所以，需要切割的板材越厚，需要的焦深越長，需要激光的能量越大。34感謝下載激光切割工藝35感謝下載切割過程是激光光束、輔助氣體和工件之間的相互作用。36感謝下載1.單模：是切割最理想的模式，主要出現(xiàn)于功率小于1000w的激光器。2.低階模：與基膜比較接近，主要出現(xiàn)于1-2kw的中

功率激光器。3.多模：是高階模的混合，出現(xiàn)在功率大于3kw的激

光器。激光模式37感謝下載激光功率激光切割所需要的激光功率主要取決于切割類型和被切割材料的性質(zhì)。氣化切割需要的激光功率最大，熔化氧氣切割最小。激光功率對(duì)切割厚度、切割速度和切口寬度等有很大的影響。一般激光功率增大，所切材料的厚度增加，切割速度增加，切口寬度也有所加大。38感謝下載焦點(diǎn)位置（離焦量）以被加工物質(zhì)表面為基準(zhǔn)而設(shè)定的焦點(diǎn)位置，直接影響切口寬度及坡度、切斷面粗糙度、沾渣附著情況。這是因?yàn)楦鶕?jù)焦點(diǎn)位置，被加工物質(zhì)表面的光束直徑以及焦點(diǎn)深度有所變化，從而使加工溝的形狀引起變化，影響通過加工溝的加工氣體及熔融金屬的流動(dòng)。39感謝下載焦點(diǎn)深度切割較厚鋼板時(shí)，應(yīng)采用焦點(diǎn)深度大的光束，以獲得垂直度較好的切割面。但是焦點(diǎn)深度大，光斑半徑也增大，功率隨之減小，使切割速度降低。若要保持一定的切割速度，則需要增大激光的功率。切割薄板時(shí)，宜采用較小的焦點(diǎn)深度，光斑半徑小，功率密度高，切割速度快。40感謝下載切割速度切割速度直接影響切口寬度和切割表面粗糙度。不同的材料的板厚，不同的切割氣體壓力，切割速度有一個(gè)最佳值，最佳值約為最大切割速度的80%。41