激光加工中激光束能量分布分析与监测

钢铁、合金钢和其它材料的切割、焊接和打标，过去一直采用接触式加工技术。高功率（平均功率1kW以上）CO2激光器结构设计的最新进展，节约了这些激光器的购买和使用成本。因此，高功率CO2 激光器在许多原来专门留给其它技术完成的生产过程中获得了认可。激光焊接与切割提供非接触式加工所具有的优势使之成为可能，例如，激光焊接可以采用遥控焊接头进行大面积处理。同接触式加工相比，激光加工在工件上产生的热影响区（HAZ）小得多，这减少了被加工材料的尺寸问题，有助于精密零件制造。只要光束稳定并聚焦在工件上，激光加工相对非激光加工来说就有显著的成本优势。
激光加工过程首先是一个热变化过程，激光器发出的能量聚焦于很小的靶区，并将热量传递给被加工的材料，难怪许多加工过程高度依赖于材料所能吸收的能量。加工过程的效率往往是辐照度的平方或立方的函数。因而可以断定，工件上的焦斑总能量和能量空间分布是加工过程的成功关键，而且对激光束空间能量分布形状的变形是非常敏感的。许多CO2激光器不仅仅输出单横模光束，因此光束模式的质量非常重要。
在激光焊接中，必须完全地保持零件之间的间隙调整，这就需要把激光束的能量始终对准相同的靶区而不发生焦斑漂移。如果进行高速焊接，不良光束结构可以引起焊缝不良的问题。在激光切割中，光束的质量和聚焦能力对切口本身的质量非常关键。质量低劣的光束可以造成零件报废或返修而增加成本。尽管有这些局限性，激光加工依然具有许多优势，足以成为未来材料加工的主流技术。
空间光束能量分布分析是一种测量方法，它把构成光束的所有变量合成为一目了然的图象。这个方法适用于一切激光器，而不仅仅是CO2 激光器。CO2激光器最常用的光束能量分布分析方法是丙烯酸模式烧蚀法。这个方法把未聚焦的光束引向一个丙烯酸靶块，光束能量使丙烯酸材料气化蒸发，而且焦斑轮廓与光束本身的空间能量分布成正比。材料气化形成的轮廓描述了激光束在照射丙烯酸靶块过程中（一般持续若干秒）的空间能量分布。
尽管这个方法已广为应用，但是精度和重复精度在很大程度上依赖于操作者的技巧，还在车间里产生大量的易燃有毒蒸气，必须抽吸出去。而且，采用这个方法无法测量激光束在光路上的瞬时反应，例如可能掩盖了过程最开始时的变化。总之，模式烧蚀法最多只能算是近似描述激光光束的性能。
在过去10年中开发出了一些效果各异的半电子诊断法，其中大多数方法试图对未聚焦的光束取样，也就是将一小部分有代表性的光束引向某种传感器，以此获得主光束的空间能量分布图。就高功率激光应用而论，取样不是采用细小空心管上的微米级小孔，就是采用细金属丝末端的小反射镜，将一小部分原始光束引向一个热电式单元素传感器，然后由这个传感器把吸收的能量转换为比例电信号。
然而，为了对整个光束取样，小孔或放射镜必须反复地通过光束，才能使整个光束再现为一个复合图象。这样生成的图象是对光束进行分时扫描的累加结果。扫描时间2～10秒，因仪器而异。该方法避免了有毒 气体，但是和丙烯酸模式烧蚀法一样，也无法提供任何有关激光束瞬时响应的信息。可能存在的一个缺点是：由于取样器件穿过光束，因此无法肯定地判断这种测量方法本身是否影响光束的质量。
要使电子式光束能量分布测量系统比传统方法优越，它必须能够对光束进行实时分析，这样，最终用户可以随时调谐或调整光束而不必坐等测量仪器作出响应。该系统必须非常牢靠，能在产生粉尘和烟气的生产环境下经受每天的严峻考验。该系统必须能够迅速安装就位，或者永久性地固定在光路上，而且容易操作，即便是不熟练的技工使用，也能提供传统方法提供不了的详细的量化信息。最后，该系统不能以任何形式干扰主光束，否则就会把一些假象引入分析过程。