激光光束参数测量与控制

出处：按学科分类—工业技术 北京工业大学出版社《特种加工手册》第24页（1877字）

激光光束参数是衡量激光器好坏、保证加工质量的必要指标，激光光束参数包括激光功率、能量、空间强度分布、光束直径、模式发散角等．由于高功率激光加工主要涉及激光功率、能量和空域参数，所以本节只介绍这两种参数的测量．

(1)激光功率的测量 激光功率是描述激光器特性和控制加工质量的最基本参数，是激光束参数测量的重点．目前，国内外在生产线上均采用功率计测量和控制激光输出的功率大小及稳定性．其测量的基本原理是采用光电转换法，利用吸收体吸收激光能量后转变为温升，通过温升的变化间接测出激光功率，其测量方法有全光斑和部分光斑取样两大类．

全光斑取样即功率计接收整个激光束以测量其功率，是一种用得相当普遍的形式．全光斑接收采样准确，受模式影响校但不能在激光加工过程中监测．流水功率计、圆筒功率计、水冷积分球功率计均属这一类．

全光斑取样测量时，光路被截断，光束不能同时作加工使用，因此无法知道激光加工过程中的功率变化，也不能对激光输出功率稳定性进行反馈控制．且全部承受高功率激光，对功率计本身的材料性能和稳定性要求都较高．

部分光斑测量可使功率测量和激光加工同时进行，起监测的作用，并通过反馈电路控制激光电源，使输出功率长时间稳定在给定的功率值上，对保证激光加工质量十分有利．但部分光斑测量的精度受光束分布形状、模式结构和取样方法的影响．部分光斑测量也有多种方法，如部分透射测量法(见图2-9)、部分反射测量法(见图2-10)、转针反射测量法(见图2-11)．

图2-9 部分透射测量法

图2-10 部分反射测量法

图2-11 转针反射测量法

(2)激光束空域参数的测量 激光束空域参数包括光束直径、模式结构和光束发散角．虽然在某些场合，控制激光输出功率便已满足加工要求，但对于较高质量和精度的激光加工，控制空域参数是必不可少的．因为光束直径、模式结构和发散角决定激光的功率密度和焦斑大校而后二者直接决定加工质量．在这里，简单介绍一下模式的测量法．

实用的模式观测法主要有以下几种：

①烧斑法：用有机玻璃、湿纸、木板、薄铁板等材料短时间烧取光斑痕迹，判断模式．此种方法的优点是简便易行，能向人们提供模式的大致轮廓，很有实用价值．缺点是烧取模式图样失真，很不清晰，所以此法只能做粗略的参考．

②红外摄像法：这是北京机电研究院研制的一种方法．把激光束打在一个耐温靶面上，瞬间形成红外热像，用红外摄像仪显出模式的热图像，或者用旋转条棒切割光束采样反射到石棉板上，用红外摄像仪实现对模式的监测．这种方法快速，可实行监测，不足之处是图样失真，清晰度不高．

③紫外荧光暗影法：用黑光灯打到一个耐高温的荧光靶面上，用旋转条棒切割光束采样反射于靶面上，红外激光束会使靶面出现模式分布的图像暗影．同理，可用石英下转换材料(紫外用上转换)替代荧光屏和黑灯，也可以出现可见模式图形．优点是可实现快速模式监测；缺点是反射引起的偏振和靶面横向热传导会造成一定的失真，降低清晰度．

④小孔扫描法：用小孔扫描光斑采样，只使小孔处透射光能达到探测器．优点是有时可以避免偏振畸变；缺点是圆筒或钢带上排列小孔扫描式，在激光加工中不易使用，且需要完全切断光束，不能实现监测．

⑤反射采样法：用旋转针棒切割光束，在针棒反射平面X、Y两个垂直方向安装光电探测器，分别显示被切割的光束在切割位置时的x、y两个分量的分布曲线，通过微机处理可显示立体模式图形．这种方法的优点是可在加工中进行模式监测，清晰度较好；缺点是不可避免偏振造成模式畸变．