大功率工业加工中的激光光束分析与功率测量(一)

激光加工技术作为一种有效的加工手段，在国内外得到了迅速的发展。特别是近十年来，大功率激光器在工业生产及科学研究中已获得日益广泛的应用，如激光切割、焊接、表面热处理等。从加工应用的角度，相应地提出了：一方面需深入研究光束基本参数对激光与物质相互作用的影响机制，另一方面要求对激光加工过程中大功率激光束的传输与聚焦质量进行监测，因为激光功率、光束的模结构与聚焦光斑形态等参数对加工质量都起着决定性的作用。因此，在激光加工过程中需要对激光光束的质量进行迅速定量的评估。激光光束光斑诊断系统正是为适应这种需求，能够对大功率激光光束的模结构及其稳定性、聚焦光斑尺寸与功率密度分布进行测量的仪器。
几千瓦大功率的切割、焊接、钻孔、强化等工业激光加工广泛用在汽车加工行业、航空精密制造行业和船舶型材加工行业，这些行业需要测量工具来监测激光光束质量与功率来保证激光加工的品质。

通过对大功率光束光斑的诊断，能获得大功率激光光束的尺寸、模结构、束腰位置、焦点大小、聚焦光斑形态、强度截面分布、M2因子等测量参数，能评判激光束的光束质量和稳定性，为制造大功率的激光器及聚光镜、反射镜等光学元件提供基本的检测数据，为进行各种材料的大厚度、长距离的激光快速焊接和切割等大的加工范围激光加工质量的提高提供最基本的数据。

ETSC东隆科技代理的德国PRIMES公司的系列大功率激光光束光斑诊断仪与功率计不仅广泛应用于激光器研究与制造行业，而且也广泛用于激光材料加工行业，比如汽车车身激光焊接、航空航天激光焊接、船舶型材激光焊接、激光切割、表面热处理、精密微加工以及激光熔覆加工等。

德国PRIMES公司已经销售了两千多套激光光束分析与功率测量系统，主要产品有：
基于摄像机的测量系统用来研究UV、VIS和NIR激光的二维、三维光斑能量分布、M2光束传播因子等光束质量参数。
适用于聚焦激光光束的工业在线测量与分析，基于旋转针孔扫描原理。
基于旋转镜扫描原理，适用于非聚焦激光光斑直径与位置的快速测量。
设计紧凑的电子激光功率计，使用简便，快速测量大功率。
用于测量大功率激光功率。

知道了一束激光的M2因子值，就可以预测激光光束能够聚焦到什么程度以及激光光束会如何传输。在激光加工过程中需要对激光光束的质量进行迅速定量的评估。因此M2因子测试在高功率工业用激光器的研发、制造、在线检测中具有十分重要的意义。

作为世界上使用最广泛的高功率激光器光束光斑诊断仪，德国PRIMES公司的FocusMonitor激光焦点分析仪具有专利的旋转针孔扫描采样测量技术，可以用于测量M2因子。下面是旋转针孔扫描采样测量法的原理。

下图是PRIMES公司生产的FocusMonitor高功率激光焦点分析仪的工作原理示意图。固定在平动台上的高速旋转针孔探针扫描激光光束，同时，平动台作线性步进平动，这样可扫描光束的整个横截面。探针的内部是可传输光的空腔，其两端是可传输光的反射镜，探针表面能承受高功率密度的激光，探针前端表面有一微孔，穿过探针前端微孔的激光，经探针内部的端反镜及探针内腔，反射到固定在旋转轴线上的光电传感器，进行直接检测分析。