激光加工中激光束能量分布分析与监测

在一些应用当中，即使周期性地评估激光束模式质量还不足够，如在医疗器械领域，模式质量的验证是成功生产医疗设备零件的关键。此外还包括其它因不合格零件的记录而导致时间损失和产量降低的操作。
为了满足市场日益对高功率CO2激光束在线监测仪的需要，Spiricon 和II-VI 联合开发了强力型、易维护的工业用激光束监测系统。该系统采用现成的光学元件，并且可以通过激光系统信息采集卡安装在新型激光工作站上，或根据现有的大多数工业激光系统进行翻新改进。它为最终用户提供详细的实时光束图象，并记录重要的激光束参数。任何一个重要参数一旦达到预置极限时，系统便启动警报信号，提醒操作员故障濒临，使操作员能够采取合适的行动。此外，该系统可以用来诊断一般性激光器故障，如输出耦合器老化或激光谐振腔发生偏离。利用该系统的诊断功能，技术人员可以在较短的时间内恢复激光器的工作状态，从而使激光加工的效益提高。
与通常可用的其它光束分析设备不同，这种嵌入系统对照射过程来说是完全透明的，因为没有任何中断光束的主动器件，全部光学元件是液冷式被动反射镜。机箱本身与主光路采用相同的净化气体，而且该系统一旦安装完毕，只需跟其它光学设备一样地进行维护。由于仪器实时操作，所以很适合于在完成正常维护以后对激光器进行调谐和调节或对实际加工事件进行诊断。
遥控激光焊接是一种新型“使能”技术，它与缝焊不同的是，必须把激光束的能量引向许多点，并通过快门的开关进行焊接。对这样的焊缝来说，最关键的两个测量结果是光束在焊接过程的空间能量分布和光束传播的总能量。因此，新型过程监视系统最适合于这个用途。如果对短时持续的焊接数据进行分析，光束宽度和光束轮廓均在焊接过程中略有变化。
许多争论出自这样的理论：未聚焦光束的空间能量分布被“复制”到焦斑上。尽管双方争论了许多年，迄今几乎没有任何例证支持任一方。在这个在线式系统的鉴定过程中，采用了两个不同的仪器同时测量未聚焦光束和焦斑。结果对照清楚地说明，该激光器的未聚焦光束和聚焦光束的空间能量分布几乎完全一致。在鉴定过程中，还在光路上安装和卸除该仪器的两种情况下对焦点轮廓进行了测量和比较，结果证实该系统不影响焦斑结构。
争论一方主张：研究未聚焦光束的空间轮廓对焦斑的空间能量分布是毫无实用价值的；而另一方坚持：未聚焦光束的不良结构在聚焦后一定会再现出来。在本例中，未聚焦光束一侧有一个“热点”，横模结构是一个“炸面包圈”，即TEM 01横模，因为其能量分布图形看起来像一个典型的炸面包圈。焦斑测量也显示相同的横模结构，而且“热点”同样出现在焦斑上。在这种情况下，原始光束的空间能量分布成了焦斑能量分布的前兆。
随着激光器的长久使用，连续监测过程可以警告即将发生故障，须及时进行维修。利用系统中的连续监视器，可以在加工过程中跟踪重要的光束参数。
光束能量分布给上述测量方法带来了经济效益，由于生产率增加、废品率降低和停机时间减少而节约成本。随着加工过程变得更加严格，激光能量分布和监测技术将会越来越有成本效益。