激光光束參數(shù)測量是激光加工生產(chǎn)中的基礎(chǔ)工作，對產(chǎn)品質(zhì)量有重要影響。

1. 激光光束參數(shù)

激光光束參數(shù)可以分為時域特性參數(shù)、空域特性參數(shù)和頻域特性參數(shù)三大類。

1) 激光光束時域特性參數(shù)

激光光束時域特性參數(shù)包括峰值功率、重復(fù)功率、瞬時功率、功率穩(wěn)定性等。對激光加 工設(shè)備而言，激光的峰值功率是為重要的時域特性參數(shù)，常常要自己測量。

2) 激光光束空域特性參數(shù)

激光光束空域特性參數(shù)包括激光光斑直徑、焦距、發(fā)散角、橢圓度、光斑模式、近場和遠(yuǎn) 場分布等。對激光加工設(shè)備而言，光斑直徑、焦距和光斑模式是為重要的空域特性參數(shù)， 常常要自己測量。

3) 激光光束頻域特性參數(shù)

激光光束頻域特性參數(shù)包括波長、譜線寬度和輪廓、頻率穩(wěn)定性和相干性等。對激光加 工設(shè)備而言，頻域特性參數(shù)由生產(chǎn)激光器的設(shè)備廠家提供，一般自己不做測量。

2. 激光光束空域特性參數(shù)概述

1)高斯光束

理論和實際檢測都證明，穩(wěn)定腔激光器形成的激光光束是振幅和相位都在變化的高斯 光束，激光加工中大多數(shù)情況下希望得到穩(wěn)定的基模(TEM。。）高斯光束，如圖2-1所示。

2)基模高斯光束傳播規(guī)律

基模高斯光束光斑半徑r會隨傳播距離z的變化按照雙曲線規(guī)律變化，可以用發(fā)散角沒 來描述高斯光束的光斑直徑沿傳播*方向的變化趨勢，如圖2-2所示。

當(dāng)z = 〇時，發(fā)散角0=0,光斑半徑小，此時稱為高斯光束的“束腰”半徑，“束腰”半徑 小于基模光斑半徑。

當(dāng)z為光束準(zhǔn)直距離時，發(fā)散角0數(shù)值大。

當(dāng)z為無窮遠(yuǎn)時，發(fā)散角0將趨于一個定值，稱為遠(yuǎn)場發(fā)散角。

可以在許多激光器的使用手冊上查到某類激光器的基模光斑半徑、準(zhǔn)直距離、遠(yuǎn)場發(fā)散 角沒等數(shù)據(jù)。

3)基模高斯光束聚焦強度

理論上可以證明，若激光光路中聚焦鏡的直徑D為高斯光束在該處的光斑半徑wU)的 3倍，激光光束99%的能量都將通過此聚焦鏡聚焦在激光焦點上，獲得很高的功率密度，所以 激光加工設(shè)備的聚焦鏡直徑不大，焦點處的激光光束功率密度卻很高。

脈沖激光光束功率密度可達(dá)1〇8?1〇13 W ? cnT2,連續(xù)激光光束功率密度也可達(dá)105? 1013 W ? cnT2,滿足了材料加工對激光功率的要求。

4)基模高斯光束焦點與焦深

激光光束經(jīng)過透鏡聚焦后，其光斑小位置稱為激光焦點，如圖2-3中的所示。焦點 光斑直徑^的數(shù)值可以由以下公式粗略計算：

d=2fX/D

式中：/為聚焦透鏡的焦距;?〇為人射光束的直徑;入 為人射光束的波長。

由此可以看出，焦點的光斑直徑^與聚焦透鏡 焦距/和激光波長A成正比，與人射光束的直徑D 成反比，減小焦距/有利于縮小光斑直徑但是 /減小，聚焦透鏡與工件的間距也縮小，加工時的廢 氣廢渣會飛溉、黏附在聚焦鏡表面，影響加工效果 及聚焦透鏡的壽命，這也是大部分激光加工設(shè)備要使用擴束鏡的原因。

如果導(dǎo)光聚焦系統(tǒng)能設(shè)計為f/d?1，則焦點光斑直徑可達(dá)到

d = 2

這說明基模高斯光束經(jīng)過理想光學(xué)系統(tǒng)聚焦后，焦點光斑直徑可以達(dá)到波長的兩倍。

5)基模高斯光束聚焦深度

焦點的聚焦深度，是該點的功率密度降低為焦點功率密度一半時該點離焦點的距離，如 圖2-3中的△/所示。聚焦深度△/可以由以下公式粗略計算：

A/=4A/2/(^D2)

由此可以看出，聚焦深度△/與激光波長A和透鏡焦距/的平方成正比，與入射到聚焦 透鏡表面上的光斑直徑的平方成反比。

綜合來看，要獲得聚焦深度較深的激光焦點，就要選擇較長焦距的聚焦鏡，但此時聚焦 后的焦點光斑直徑也相應(yīng)變粗，光斑大小與聚焦深度是一對矛盾，在激光加工時要根據(jù)具體 要求合理選擇。