光束偏振对激光切割效率的影响.pdf

第!卷!第#期$%&年$月()*!%+,-(*$./0*$%&激光与光电子学进展光束偏振对激光切割效率的影响理论与研究收稿日期$%$1%21$!提要给出了三维激光切割理论#估计了用不同偏振方式所确定的切割效率!给出了平面平行偏振限制的物理因素#当板材厚度与切割宽度比较大时!用径向偏振光束与用平面平行偏振以及圆偏振光束相比较!激光切割效率分别提高3*4至$倍#讨论了产生径向偏振光束的方法#关键词 光束偏振!激光切割!切割效率!引言激光切割金属是激光加工最普及的方法#在激光切割的实践中提出了许多基础问题!其中最重要的是激光切割效率#激光切割效率定义为切除材料损耗的能量与输入能量之比#目前!激光切割金属分为两个领域 一是切割薄板!板厚$!%与切割宽度$%之比较小&另一是切割厚板!#切割金属薄板需要的激光功率较低!通常用$%&模的激光束#要快速切割薄板必须将光束聚焦#通常使用平面偏振辐射!最大吸收在切割材料的前表面#这种情况下!使用平面偏振激光是有利的#用激光切割厚金属板时!情况就不同了#一方面采用的是长焦距透镜!因此!主模$%&模%的优点基本上显现不出#另一方面!在高功率激光器中获得主模振荡比较困难!通常使用低阶横模结构$%&(!)!$%&!)%的光束#在早期的研究中!用平面偏振辐射做激光切割的基本特性已做了理论和实验研究*!+#用平面偏振辐射做激光切割!在切割的前表面吸收大量能量!即切割方向平行于电场矢量的振荡平面!获得最高切割效率#但是很多公司生产的工业激光器!输出光束是圆偏振的#迄今为止!大多数金属切割系统使用的是圆偏振激光!尽管使用平面,偏振光对切割在工件前表面的能量吸收能达到最大#近年来!许多作者从辐射吸收和切割成形概念出发!研究了激光切割理论*-./+#具体分析了热源运动时的热扩散(流体动力学过程(氧气的作用!切割壁上条纹的形成等)有些作者用费涅尔定律研究辐射的吸收!对平面平行偏振激光束在切割前面表的吸收*0+!给出了焦点位置和模结构的影响!但尚未分析不同偏振态对激光切割的影响*俄罗斯学者123245676,89:;等!用三维金属切割模型计算了最大切割深度*36?79A等人提出的激光切割三维模型中考虑到了强度+偏振态(焦点位置(模结构及光束发散度等参量对切割过程的影响*!+!但仅限于对切割形状的简单描述!没作具体定量的计算#在文献*!+中!对二维激光切割进行了分析!并考虑到了强度按高斯定律分布及在切割前表面上的费涅尔吸收#!数学模型本研究解决三维切割形状描述问题#考虑了整个切割表面的辐射吸收B即前表面吸收和壁面吸收#这使得能从相同视点比较不同激光束偏振 平面偏振(圆偏振等%与材料作用的效率#激光切割时通过高压气体喷射指向刀口!气体喷射的主要作用是排除熔化的材料!在目前所用的高强度气体喷射条件下!流体动力学过程非常快!所以认为材料被立刻排除#因此不需要详细描述流体动力学过程#本文不讨论在切割表面上的化学反应!即讨论无氧激光切割#无氧激光切割效率和切割质量问题也是真实的*!-+!目前的研究!讨论不同偏振方式辐射的吸收问题!对有氧切割也很重要#在实际切割条件下!热主要集中在从刀口随气流排除的熔化材!第!卷!第#期$%&年$月()*!%+,-(*$./0*$%&激光与光电子学进展料中 温度分布局限在薄的表面层!因此!本模型忽略热传导过程本模型考虑几何光学近似!只考虑单次反射 与激光打孔的通道相比!切割呈开放形状 从激光束作用区反射的辐射!在该区外壁上散射 因此!在热传导金属中!反射的辐射对材料破坏和耗散无贡献激光切割比#深度与宽度之比$实际上大约为!%这意味着辐射与材料相互作用主要发生在接近主角度&对钢约为#$!$的大角度上%本模型使用经典费涅尔公式!金属具有复数折射率%本吸收定律的主要特点是平行偏振波吸收对大入射角非常灵敏!这种吸收特性当表面温度升高时仍然保持着%因此在温度高达%!时!吸收与温度的关系没有质的变化!只是某些量上的变化&!%在图!所示的坐标系中给出了样品和激光束的位置%沿!方向以速度运动的光束强度为#(!$%$&$)*#!+(,-&./012,&-!2),+3,)!-!+(,-&)!-!)其中(-&)*-&*&#)4&56&*!),456)是激光束光斑半径!&7是激光束焦点距样品表面的距离%在以后的全部表达式中!&是独立自变量!+%和的函数%在切割表面局部能量平衡!即有,-*./$!%其中,-是在垂直于表面方向的物质排除速度!/是吸收的光功率密度!并定义/*#-!+%+&+)0-85692 9):;?&,!+&,%#9是激光束入射与它的运动方向之间的夹角9*8=:?(&%&!.在平面偏振光束情况下!电场矢量和光束速度矢量之间的角度9为常数%对平面偏振光束!有0(85692 9.*0(8.A,(92 9.+0)(8.:;,(92 9.66666(B.其中0(8.和0)(8.分别为C波和D波&见表!$的费涅尔吸收公式%在圆偏振情况下!吸收系数仅与8角有关0*(8.*&0(8.+0)(8.4,66666666($.(,.式中的系数.与材料的热学性质有关!并为常数值%用气流将熔化材料排除!则有.*&1=(23*24.+E 2!6666666666(F.其中1=和E分别为材料的比热密度和熔解热(2和2!分别为材料的初始温度和熔化温度%由于材料破坏阈值特性!公式&,$仅适用于吸收功率/超过阈值的情况%这个条件在光束作用面积&其中包含主要辐射功率$能满足!特别是本模型仅限于低光束移动速度%如果聚焦在样品表面!并且是低速的!则辐射强度可能在深通道中减小!因为吸收的功率密度低于破坏阈值%对于激光切割参量的宽光谱范围!公式&,$给出的近似完全适用%表面动力学适应性方程为G54G*6666666666666666666-H.其中5*&*&-!+%+.%公式&,$和&H$组成方程组!在激光束坐标系中变换成含!+%+的非线性偏微分方程$&$*$&$!2.#-!+%+&.0-85692 9.66-#.按文献&!的解析!从方程$&+$!*.#-!+%+&+.0-8592 9.666666-I.计算出通解&-!+%+.*&-!+%.+G-!+%+.的稳态部分&-!+%.%&I$式定义的稳态解&-!+%.在稳定切割条件下准确描述表面状态%在实际的激光加工条件中!在切割表面发生低振幅对流不稳定性&!B!它沿表面&移动%不稳定幅度增长受光束作用区中不稳定性存在的时间限制%如果不稳定性显著改变吸收特性!经典的费涅尔公式不再适用!那么仅考虑前表面的不稳定性就可能有不同的计算结果%目前!对这些不稳定性的物理性质还没有统一认识%对吸收系数的影响没有可靠的数据%同时!辐射偏振按C波或D波吸收就影响切割参数%这种普遍的事实间接地证实!吸收过程的不稳定性并不起主要作用%模型的主要参数有)系数67.#8!束参量)和&!金属复折射率-!+9:.和聚焦位置&7%用特征曲线方法求解了方程&I$%从光束轴中心样品表面上半径;%)的半圆周上的一点出发!计算了每条特征曲线!其中!,+%,*;,6666!J沿半圆周下面式子成立&!*.#-!$%$.0-&!5&!%.!&!G!+&!%G%*通过光束作用区的特征曲线形成切割表面%在目前的数学模型框架内!切割形状由样品表面到材料排除的最后深度决定%当样品厚度小于最后深度时!超过样品厚度的部分解!可以不考虑%计算中所用的激光束偏振类型见表!%图!66样品和激光束在坐标系统中的位置!第!卷!第#期$%&年$月()*!%+,-(*$./0*$%&激光与光电子学进展!结果和讨论所 有 的 计 算 都 取!#$%&!$%$&!并对钢()#*%+#进行计算$计算结果给出两条定性切割表面形状!它与通道壁的辐射吸收定律有关$第一个形状符合经典方程,%的解$它是一条光滑曲线!给出连续的一阶微商$第二条曲线是非经典的解!有不连续一阶导数!导致切割表面中断$首先就激光打孔的情况考虑解的物理意义!这个问题在文献-#.!#&/中已考虑过$用角向偏振束和径向偏振束进行激光束打孔的结果示于图+$按文献-#./类推!在角向偏振光束情况下!孔的腔形对应于连续一阶导数的经典解!在起点是光滑的-图+012/$最大吸收功率密度位于通道中心&辐射强度3$!入射角1$在短时间内对应光滑形状%$中断形状出现在一定深度的临界点上$在此点上!壁之间的夹角随时间减小$入射角减小!因而吸收系数减小!用于材料排除的输入能量也减小$中心 1$%可能的潜在深度!在这种情况中没有实现$实际深度低于具有平坦底的光滑形状情况$因此!可称为自组织效应)切割形状发展成具有最小辐射吸收的形状$在径向偏振光束情况中!最大吸收功率密度不是在底部!而是在壁上$所以!通道形状中断是在壁上!而不是在底部!通道形状最终发展成垂直的壁和平坦的底$考虑到激光束打孔成形特点直接关系到激光切割!因而在一定情况下限制了这种加工效率$在偏振束 表#中的4(5(6(7(8%激光切割金属情况中!通道形状原则上具有与方程,%非经典解相应的一阶导数的不连续性)这些中断!对4和7偏振束情况!能出现在通道对称平面9%$:中!对其他偏振束5(6(8#情况!则出现在壁上*本文不详细讨论5;和7;偏振辐射的作用!这类偏振光束在切割前表面的吸收系数较低!相应的切割参量也较低*因此!这些情况实际上是不重要的*4偏振光束跨越整个宽光谱范围的系数&时!其通道间断效应表现最明显*相当于具体通道形状在底部的壁间有个锐夹角!如图(01:*对这个表面!中断引起吸收规律改变*如果通道是光滑的!在%$截面上!材料的排除速率由4波吸收决定*在型情况-图(01:/!围绕光束轴的最大强度区中4波吸收区消失了*由于现在5波占了优势!在切割表面吸收减小*与预期值相比!最终切割参量变低*这种现象可解释为在极度破坏的通道壁之间!材料中激光束的+粘性,*在图(01:给出的情况中!形成/*在圆偏振束情况!通道表面中断可能出现在通道壁上*在入射角接近主角时!最大辐射吸收区消失了*如果与4偏振束情况相比!这图+?激光打孔*打孔深度和形状与角向偏振-左%和径向偏振-右%的关系-7和8!见表#%*曲线1)A对应于时间范围!#B!+B!(!第!卷!第#期$%&年$月()*!%+,-(*$./0*$%&激光与光电子学进展种中断影响很小 最重要的因素是在通道对称平面中!束没有#粘性$%以切割形状不妨碍透入材料的方式!图#$%&!从前面和从壁上排除材料 吸收区与激光功率分布范围差不多有相同的形状 沿激光束直径形成切割前沿 对参数!的不同值!这种图形保持相同对偏振和(偏振光束!在#$平面计算的切割剖面示于图)按前沿辐射吸收计算的偏振潜在切割深度用虚线示出 实际剖面&线仅在小$处的开始阶段与虚线一致%对虚线和!线!最终深度之间的差别是由于表面演变成具有最小辐射吸收的形状所致%在偏振束情况下!前沿越光滑!最终切割深度越深%对!型偏振和型偏振的最终深度的比率是不同的!与具体切割参数时前沿和壁的倾斜角度有关%在任何情况下!用(偏振束的最终切割参量结果不比偏振束差!*+&%对于激光切割效率和最终切割参量来说!轴对称偏振结构要比平面偏振!特别是比平面,偏振更可取%对(偏振!不考虑切割前沿的吸收系数&其值为波和,波吸收的平均值%上述计算是对激光-./00模的%为了对1偏振束和(偏振束的切 割 参 数 进 行 比 较!也 对 激 光-./0*2模进行了处理&图3%对1偏振束!较好的切割参量容易解释%在1偏振束情况下!吸收系数由波吸收决定!而在(偏振束情况下!由波和,波吸收的算术平均值决定%两种偏振的最终深度比与参量!有关!即与材料性质(辐射功率和光束移动速度有关%与用(偏振束加工相比!用1偏振束进行材料加工最大好处是增加了切割深度或提高切割速度*4356倍%在图3和图7的曲线中!在50处出现的#支架$是由于激光模-./0*2的环形强度分布造成的%径向偏振辐射由激光-./0*2模得到!*8&%激光-./0*2模是两个-./0*模绕光束轴彼此转90!叠加结果%这种#面包圈$模的截面呈环形!中心是空的!*9&%现代激光器的共振腔通常包含能使所有横模成为 平 面 偏 振 的 元 件%径 向 偏 振-./0*模也可以只用两个彼此垂直偏振的-./0*模来获得!图+#:%&%图+#$%给出角向偏振-./0*2模的产生%因 此!稳 定 的 径 向 偏 振图;对平面&偏振和圆&(偏振!激光切割在!#平面&左 形成的投影和在激光束截面&右 上形成的吸收激光功率分布%吸收的激光功率等于$!%!见公式&%圆圈表示激光束边缘%大箭头表示激光束移动方向!虚线是切割轮廓图);对偏振和(偏振!在!0的&#平面上的 切割 剖 面%激光 模 式 是-./00%虚线为不考虑壁吸收时可能的通道剖面图3;在!0的&#平面上的切割剖面%(偏振&曲线*(和1偏振&曲线6()!曲线()的激光束强度与移动速度比&(0=)比曲线*(6的大*0倍%聚焦在样品表面%激光模式是-./0*2!第!卷!第#期$%&年$月()*!%+,-(*$./0*$%&激光与光电子学进展!#$%&模要求!($%模有特定的偏振和合适的相位振荡 从技术上解决这一问题是很现实的 方法之一是使用锥形全反射镜!它产生角向偏振束 用腔外光学元件可以将角向偏振转变成径向偏振#图)$%通过调整两片相位延迟*+,波片轴之间的夹角!使之为-.!/输出的辐射便是径向偏振 也有些方法在腔外将圆偏振转变为径向偏振!结论决定切割参量的主要物理过程是切割表面上的辐射吸收 为适当描述这种过程!解决了切割三维问题的计算 在这一问题的框架内!估计了最终激光切割参量!并对不同偏振类型和不同模结构的切割效率进行了比较计算结果的显著特点是存在两个性质不同的&与通道壁的辐射吸收规律有关的切割表面形状 第一种形状是光滑的并有连续一阶导数!第二种是不连续的一阶导数!即在切割表面有断点0偏振束形成在底部有断点的形状 这种1形是由于切割壁上的低辐射吸收!它限制最终切割深度!因为主要0波吸收的面积消失轴对称偏振 圆偏振和径向偏振$没有这种限制(在这类情况中!形状中断可能出现在壁上!而不是在底部%它们不妨碍束穿透到材料中去%径向偏振和圆偏振束的作用分别用0波吸收和2与0波在整个切割表面吸收的算术平均值来表征%因此!径向偏振的最终深度和切割速度!比以相同参量的圆偏振高%3.4,倍%根据计算结果!5偏振辐射比在!($模平面偏振更可取%以激光!($%&模径向偏振辐射切割效果最好%本文认为0偏振限制激光切割深度的物理因素是!当入射角接近主角时产生大的比值!前沿和壁上的吸收差别很大%对于切割!+比值小的薄金属板来说!提高前沿的吸收与提高壁的吸收无关重要!考虑用0偏振辐射的限制也变得无关紧要%产生径向偏振!($%&模可行方法之一包括两步骤%在带有锥形全反射镜的激光腔中可以产生角向偏振输出辐射!用两块*+,延迟片可以将它转变成径向偏振%图677计算的切割形状%激光模式!#$%&!径向偏振!聚焦在样品表面图877具有9:;径向偏振和9;角向偏振的!#$%&模都是两个平面偏振!#$%模叠加而成图)77用角向偏振变换成径向偏振的光束变换图解参 考 文 献1,2)3/4,.,2*,56789/3,(:,3;/6,76694?,96;,A)=4/BA()=C9D/8,E2$B)=3/C*,#$%&(!)*+,%*-$./%0 12(%34.&($%*5&/5*3*-5*.$5*-F67/.$BGHI*,JK749;I,L/C)94M,5AC94?/C*,1NG$+O$PQ$&1,$,59=),V4W/369?=69(43,(:,9436=09)969/3,94,)=3/C,?=3,76694?*,!#$%&()*HNGN+,!#M$%!Q$%N,&,X=,Y(=,Z,+,Y(C3=69,X+,E=46/)(,K*,-(DD)/,8/39?4,6(,:)798,84=3,/:/63,94,)=3/C,76694?*,+,-%.+()+,HNN!+,$%&M!GQ#,!,5;7(S/C,*,U;/(C/69=),69W/,?=3,=33936/8,)=3/C,76694?,94)7894?,84=,/:/63*,/0 12234+5674 89 HNG+,%MNQH!(第!卷!第#期$%&年$月()*!%+,-(*$./0*$%&激光与光电子学进展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傅恩生编译#重复率激光二极管线阵光谱特性研究!引言发射波长在!#$%#&区的大功率注入式激光二极管线阵广泛用于抽运含()$()*+和,-的激活介质!并在工艺和医学有许多重要应用%研究了用改良液相外延法在四元化合物.&/0123激光线阵的振荡光谱%激活区含铝能达到所需要的激光波长!但会形成降低线阵寿命和功率的缺陷4%!56%改良的液相外延法使用质子轰击!制成许多平行电绝缘辐射区或者发射器%研究了长7$8$腔长!98!#!$间隔:#$7#!的激光线阵样品%与连续辐射相比!这种形状的异质结构可望能增加时空稳定性%除平均输出功率外!激光线阵的主要质量判据还有振荡光谱的稳定性%准连续线阵的特性线阵近场辐射的;5:!*像素%图5示出不同抽运电流时激光线阵的辐射强度分布%激光线阵以脉冲重复率式工作%电源电压=?!最大电流达:#1%抽运电流在7$:#1范围内连续可调%#电平的抽运电流前沿为%#!2%在整个使用脉冲宽度范围内呈矩形!脉冲下降幅度不大于7A%不同抽运电流的线阵平均振荡图%BB不同抽运电流时激光线阵近场辐射图收稿日期&#%#V%KVI1(