[提要]：根据作者设计和使用不同CO2激光聚焦方案的经验，从多方面分析比较了几种常用方案的得失。
    [关键词]：聚焦，热透镜



    1、引言

    激光对物体的加工不同于其他方法最显著的地方，就是它可以把光的能量通过聚焦集中在很小的面积上，使被照 物体表面瞬间接受极高激光功率密度辐射，以至于使材料汽化。长波长的大功率(＞1000W)CO2激光，经常被用于切割，焊接和金属的表面改性。在这些应用中，光束聚焦方法有透镜聚焦和反射镜聚焦，现在分别加以比较论述。



    2、晶体透镜聚焦

    透镜聚焦方式的机械结构比较简单如图1，这种结构的一个突出特点，是能在聚焦镜和喷嘴之间形成一个密封的气室，向这个气室内通入高压氧气，或者其它气体时，从喷嘴喷射出的高速气流可以吹开被激光汽化的物质，以实现激光切割。由于聚焦透镜既能透光，又可密封气室，在形成高压气室上有不可替代的作用，几乎所有的激光切割头都使用晶体透镜聚焦。图1的方式也被用于焊接和热处理，此时保护气体以较低的速度从喷嘴流出，一方面保护被加工表面不被氧化，另一方面也可以防止被加工物体的飞溅物污染聚焦镜。晶体表面通过镀膜能够达到99.5%以上的透过率，这是金属反射镜很难做到的。使用透镜聚焦也有一些限制：能够透过波长为10.6微米CO2激光这样的晶体材料很少，这些有限的可以透过CO2激光的材料，因受到机械强度，镀膜性能，吸收率，潮解或者价格等各方面的限制，真正能够用于1KW以上连续CO2激光器的也只有两三种材料，例如ZnSe和GaAs。这两种材料与能透过1.06微米YAG激光的玻璃透镜相比价格较贵。因此一般使用单透镜聚焦，单透镜的球面像差对聚焦性能有一些影响，在短焦距及要求高时尤其不可忽略。使用晶体透镜还有一些其他问题，其中最明显的问题是寿命较短。晶体透镜都需要镀增透膜，一般来说膜层对激光的吸收远大于透镜本身对激光的吸收。膜层会吸潮，被污染及被激光损伤。随着使用时间的延长，膜层对激光的吸收也越来越严重，最后无法使用。使透镜失效的最重要的原因一般不是因为透镜吸收热量过多导致炸裂，而是由于明显的热透镜效应使激光束无法有效的聚焦。热透镜效应简单说是激光通过温度分布不均匀的晶体时，由于晶体的面型改变和晶体折射率随温度变化两方面原因引起的光路畸变现象。透镜吸收的热量一般是通过透镜边缘的冷却面用冷却水散掉，这样就会在透镜表面沿半径方向形成温度梯度，透镜的中心温度最高，其外缘温度最低。可以用具体数值〔1〕分析它们的影响，透镜中光程L对温度l的变化率：光程，n为材料的折射率，h为材料的厚度，T为温度。

GaAs热膨胀率：dh/dT=h×5.7×10-6/k
折射率对温度的变化率：dn/dT=149×10-6k
导热率：0.48W/(cm.k)
折射率：3.27
ZnSe热膨胀率：dh/dT=h×8.5×10-6/k
折射率对温度的变化率：dn/dT＝64×10-6k
导热率：0.18W/(cm.k)
折射率：2.4
经演算对h厚的GaAs:dl/dT=h(1.86×10-5+149×10-6)/k



    不幸的是两项都是正的。前一项表示热膨胀对光程的影响，后一项表示折射率变化对光程的影响。从数值可看出折射率变化的影响几乎占了90%。对于会聚透镜而言一般是中心部分凸出的旋转对称形状，中心部分厚度大于边缘部分，透镜材料的导热率又比较低，所以当激光束从透镜面垂直方向照射其中心部分时，就会使透镜中心部分首先吸收大量的热，温度急剧升高，当部分热量困难地传导至透镜边缘时又被冷却剂迅速带走，结果是越接近镜子中心，温度值越高。而越靠近镜子边缘温度梯度越大。所以可以假设温度对平行平面镜的影响，是在原有镜面的面型上迭加了一片薄的随温度变化的旋转抛物面透镜。对于中心厚边缘薄的透镜来说情况则更差，凸透镜比平面镜有更大的温度梯度，从而使透镜的聚焦性能急剧变坏。我们在实际应用中曾出现这样的情况，焊接开始时在材料表面已形成稳定的等离子体，几秒钟以后等离子体出现不稳定甚至消失，无论怎样调整焦点位置也无法达到开始的状态。分析结果是透镜经激光加热后出现附加的热透镜效应，焦点处光斑直径迅速增加，激光功率密度降低，以致于无法再形成等离子体。晶体透镜的另一个弱点是它能承受的最大功率密度也十分有限。所以在远红外透镜材料和镀膜技术有重大进展之前，透镜聚焦方式只适合于切割及较低功率的焊接和热处理。



    3、金属非球面反射镜聚焦

    这是一种反射聚焦方式，如图2，先用平面镜将激光反射到一块离轴抛物面镜表面，再由此镜聚焦激光束。使用这种方法不会有热透镜效应，也能消除透镜聚焦不可避免的球面象差。如果镜表面加工的精度高，还可以获得相当好的焦点光斑质量。反射聚焦的最大优点是镜子材料可以使用质量稳定，导热率好的紫铜，钼或硅制造，并且可以对镜子整体充分冷却。虽然镜表面吸收率比透镜略高(1～2%)，但是由于镜体温度梯度与镜面垂直，再加上良好的导热率及充分冷却，镜表面吸收激光产生的热变形小到可以忽略不计。因此可以承受万瓦级激光辐照而很少损坏。这种聚焦方式的缺点是难以在喷嘴上形成高速气流以实现有效的切割。但是焊接加工却很适合使用这种聚焦方式，焊接时只要有一定正压力的保护气吹出，防止飞溅的焊渣进入聚焦系统，同时能够使保护气覆盖熔池表面即可。离轴抛物面镜需要专门的超精车床加工，价格比较高。此外需要精确的调整光轴才能得到好的聚焦效果。



    4、金属球面反射聚焦

    我们知道从一个特定稳定腔激光器发出的激光〔2〕，无论怎样用共轴球面光学系统进行变换其发散角与腰斑直径的乘积都是一个常数k，即：W0×θ0＝W0’×θ0’＝k



    其中W0为变换前的腰斑直径，θ0为其发散角，W0’为变换后的腰斑直径，θ0’为其发散角。或者说模式一定，入射光直径一定，焦距越短焦点处光斑直径也越小，焦点处功率密度也越高。为了获得高的功率密度，及使聚焦镜远离被处理的工件，则不得不先将激光扩束，然后再聚焦。利用超精车床车出的双曲面，椭球面组合可以满足这种要求。不过对光束进行准直比较困难，成本也更高。



    有一些应用场合，如激光热处理，涂敷，合金化等，不需要很小的光斑(直径大于3mm)，对焦点光斑的形状也较为宽容，这时可以使用球面镜聚焦如图3。激光束先遇到金属凸面镜，光束发散后进入金属凹面镜再聚焦。光束射向凸面镜的入射角β必须有一定的值，才能使凹镜不挡住入射凸镜的光束，这种不得已的安排会使焦点产生一定的像差，它与离轴抛物面聚焦方法不同的是，后者β角的选择，需要考虑的因素为车床(假如使用数控超精车床)的最大回转半径及焦距，与像差无关。而使用球面反射镜聚焦，像差与β角的关系很大，β角越小像差也会越小。精确计算这个像差相当复杂，给出的结果也不直观。我们使用几何光学方法考察若干条光线的规则阵列在焦点附近不同面的变形情况，可以估计出实际激光束在焦点附近的光强分布。例如：激光束为边长40mm正方型光斑，光强均匀分布，凸镜R＝588mm，凹镜R＝-588mm，两镜面中心距离D＝250mm，入射角β＝10°，计算出焦距为F≈317mm。假定入射光16个网格分布如图4，相应的焦点附近网格分布如图5，向上(负)离焦10mm的地方分布如图6，向上(负)离焦20mm的地方分布如图7。设每个网格中所含激光能量相等，在焦点附近，光斑线度在0.3mm左右时，可以看出网格下方畸变较多，在负离焦10mm时，相对于焦点附近光斑图，网格拉长成1.5×0.9mm2的近矩形，光斑线度在2.5mm左右时，更接近似矩形。这是用几何光学得出的结果。实际上对于波长为10.6微米的激光束而言，光的衍射作用不可忽略，特别是在长距离时衍射效应更为显著，它使光束增大尺寸。另外对多模激光器而言聚焦后的光斑尺寸也比理论值尺寸大得多。以上这些因素都可以给焦点附近光斑强度的不均匀性以补偿作用，因此可以得出：一、不正在焦点上使用激光可以在一定程度上避免像差带来的影响。二，这个系统的光强是轴对称分布的，适当选择激光扫描方向，可以形成以扫描中心线为对称轴的光强度分布，在一些固定的生产工位上可以使用这种聚焦方式。在另外的一些应用中，要求获得足够小的光斑线度，同时又希望光学系统远离工作面，那么球面反射聚焦方式能更容易的实现这些要求。



    5、结论

    通过上述分析及在线生产的实践得到：
    1.晶体透镜聚焦方式适合于切割、功率不大的焊接和热处理。
    2.离轴抛物面聚焦方式适合于要求高，功率大的焊接和热处理。
    3.球面镜聚焦方式因组合灵活，寿命长，价格低，修复方便等原因，在被激光加工零件表面对功率密度及均匀性要求不高的场合，可以代替晶体透镜聚焦和离轴抛物面聚焦方式。我们的实际工作例子：在工厂热处理生产线上，用晶体透镜聚焦时，由于镜片污染等原因常常引起聚焦性能变坏，而不得不频繁换透镜，平均透镜寿命只有300小时。表1中列出了一些聚焦透镜的报损情况。

    而用上述参数设计的球面镜聚焦方案，热处理效果测不出任何不同，现已工作7000小时，仍在使用。有条件时可考选用该方案，这对于降低生产成本，最大限度提高企业的经济效益是十分有价值的。



  
  
信息来源：源作者:杨扬 转载自:华中理工大学激光院 彭月平、喻韬