激光加工中激光束能量分布分析与监测

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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。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TEM01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。