CN110909478A - 一种激光离焦加工时的光斑功率密度场测量建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光离焦加工时的光斑功率密度场测量建模方法，其包括如下步骤：(1)利用激光光斑分析测量平台对某个具体激光光斑的功率和光强密度(也称“光亮度”)分布进行测量；(2)通过对测量得到的光亮度数据进行拟合，建立所测光斑的光亮度场数学模型；(3)利用激光光亮度与功率密度之比为常数的性质，基于光斑的光强和功率实测结果，求解出常数值，并建立所测光斑的功率密度场数学模型；(4)根据激光束的传输特性和能量守恒定律，利用所测光斑的功率密度场模型变换得到与该光斑功率相同半径不同的任意光斑的功率密度场模型；(5)利用激光功率变化时的基本性质，建立任意功率任意半径光斑的功率密度场模型。
Description
技术领域
本发明涉及激光加工领域，具体为一种激光离焦加工时的光斑功率密度场测量建模方法。
背景技术
激光加工是利用激光束与物质相互作用的特性，对材料进行切割、焊接、表面处理、弯曲及标刻等的先进技术，具有加工速度快、加工精度高、可加工材料范围广、柔性和自动化程度高等显著优点。目前，该技术已广泛应用于汽车、航空、航天、冶金、电子、电器等国民经济重要领域，对提升产品质量和生产率、减少材料浪费、降低环境污染等方面起着突出的作用。
使用激光对材料进行扫描加工时，常常需要离焦形成较大光斑后再进行扫描。部分激光加工技术(如激光热处理和激光弯曲)通常都是使用大光斑进行加工，以此提高加工的效率，提升加工质量的均匀性。激光离焦加工时在材料表面形成光斑的功率密度场直接影响材料内部的温度场，进而影响到加工质量的好坏，因此，准确了解光斑功率密度场情况非常重要。理想情况下，一般认为基模高斯激光束所形成光斑的功率密度场都是呈理想高斯分布，对于多模激光束，可采用光束传输因子M2来将其等效为基模高斯光束。然而，就目前工业用大功率激光器而言，由于受制造技术的限制，激光束的模式一般并不是基模，而是多种低阶模式混合而成的混合模，在其传输与聚焦的过程中，常常受光束附加相移的影响，导致光束功率密度分布发生变化。即使是高品质的激光器，在使用一定年限后，随着内部器件的老化，所发射激光束的功率密度分布也会发生较大变化。基于以上情况，从激光头发射光束的功率密度场变得难以预测，导致材料加工时的温度场很难精确计算和控制，加工质量难以得到保证。
从目前公开的文献来看，如2002年在《北京工业大学学报》上发表的题为“大功率工业激光的功率密度分布及其应用”的文章以及专利号为“ZL201510130226.8”名称为“宽光谱高能激光能量分布的测量方法”的发明专利，它们都是单纯通过测量来获得某个离焦量下所形成光斑的功率密度场，一旦离焦量发生改变，光斑大小变化时，功率密度场就得重新测量，过程非常耗时。
发明内容
本发明的目的是提供一种激光离焦加工时的光斑功率密度场测量建模方法。基于某个离焦量下所形成光斑的功率和光强密度测量数据，利用激光束的基本性质和能量守恒定律，高效、精确地建立任意功率任意大小光斑的功率密度场数学模型，为激光离焦加工时的材料温度场精确计算及预测提供支撑，最终达到提高材料加工质量之目的。
本发明的技术方案为：一种激光离焦加工时的光斑功率密度场测量建模方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：利用激光光斑分析测量平台对某个具体激光光斑的功率和光强密度(也称“光亮度”)分布进行测量。
步骤2：通过对测量得到的光亮度数据进行拟合，建立所测光斑的光亮度场数学模型。
步骤3：利用激光光亮度与功率密度之比为常数的性质，基于光斑的光强和功率实测结果，求解出常数值，进而建立所测光斑的功率密度场数学模型。
步骤4：根据激光束的传输特性及能量守恒定律，利用所测光斑的功率密度场数学模型变换得到与该光斑功率相同半径不同的任意光斑的功率密度场模型。
步骤5：在步骤4所建立的模型基础上，利用激光功率变化时的基本性质，建立任意功率任意半径光斑的功率密度场模型。
进一步，所述步骤1中的“激光光斑分析测量平台”主要由激光器、衰减片、激光功率计、高分辨率CCD相机、数据线、计算机和激光光束分析软件组成。测量原理为通过激光器发射低功率光束，光束首先通过一组衰减片将强度进行衰减，随后射入激光功率计的探测头中，进而测量得到衰减后激光束的功率值，此后，将激光功率计替换成与计算机通过数据线相连接的高分辨率CCD相机，光束在射入CCD相机镜头后，计算机上配套的激光光束分析软件上会显示出镜头上光斑的光亮度分布云图，通过云图可以得到光斑内每个点的光亮度数据和光斑总体光强大小。
进一步，所述步骤4中“激光束的传输特性”是指激光束在空气中会沿双曲线轨迹进行传输，离焦一定距离后可近似看作沿双曲线的渐近线进行直线传输的性质。利用该性质和能量守恒定律推导出同一束激光在不同离焦位置所形成的不同大小光斑间的功率密度场变换式，如下：
上式中ρp1(r)表示功率为P1半径为R的光斑的功率密度场数学模型，r∈[0,R]；ρp1(r1)表示功率为P1半径为R1的光斑的功率密度场数学模型，r1∈[0,R1]。基于该式，利用已测的功率为P1半径为R1的光斑的功率密度场数学模型ρp1(r1)，推导与该光斑功率相同半径为任意值R的光斑的功率密度场模型ρp1(r)。
进一步，所述步骤5中“激光功率变化时的基本性质”是指随着光斑功率增大，光斑内各点功率都等比增大的性质。利用该性质可以得到以下关系式：
上式中ρp(r)表示任意功率P任意半径R的光斑的功率密度场模型，ρp1(r)为步骤4中所得到的功率为P1半径为任意值R的光斑的功率密度场模型。
本发明的有益效果如下：本发明基于一个离焦量下所形成光斑的功率及光强密度分布实测数据，利用激光束的基本性质，建立起任意功率任意离焦量下所形成光斑的功率密度场模型。由于受制造水平限制和器件老化影响，实际激光器发射的光束并不是所认为的理想模式，基于光斑实测数据建立的模型显然比理想化的光斑功率密度场模型更加准确，所建模型在用于材料激光离焦加工时的温度场计算或预测时可以有效提高计算或预测精度，进而有助于提高材料的加工质量。现有的光斑功率密度场获取方法都是单纯通过测量来获得某个离焦量下所形成光斑的功率密度场，一旦离焦量发生改变，光斑大小变化时，功率密度场就得重新测量。根据发明人初步统计，对光斑进行一次测量并完成其功率密度场的建模大概需要3-4小时，非常耗时，如果在实际加工中，经常用到的光斑大小有5种，那么就需要分别进行5次测量，而使用本发明后只需进行1次测量，效率可提高4倍。
附图说明
图1为本发明实施例的一种激光离焦加工时的光斑功率密度场测量建模流程图。
图2为本发明实施例的测量激光功率时的装置布局图。
图3为本发明实施例的测量激光光强密度分布时的装置布局图。
图4为本发明实施例的光斑的光亮度分布测量及拟合结果图。
图5为本发明实施例的激光束在空气中的传输规律。
图6为本发明实施例的不同大小光斑的光亮度场变换原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明所述的一种激光离焦加工时的光斑功率密度场测量建模方法作进一步描述。
本发明所述的一种激光离焦加工时的光斑功率密度场测量建模方法，其包括如下步骤：
步骤1：利用激光光斑分析测量平台对某个具体激光光斑的功率和光强密度(也称“光亮度”)分布进行测量。
步骤1.1：配置激光光斑分析测量平台，平台由高功率半导体激光器、衰减片、NovaⅡ激光功率计、Spiricon SP620U高分辨率CCD相机、数据线、笔记本电脑和BeamGageStandard 6.6.1激光光束分析软件组成。
步骤1.2：利用衰减片和NovaⅡ激光功率计对指定激光束的功率进行测量，如图2所示，使用激光器1发射功率为1W的激光束，该光束在通过三块衰减片2后射入NovaⅡ激光功率计3的探测头中，功率计读数显示为12mW。
步骤1.3：将图2中的NovaⅡ激光功率计2替换成与笔记本电脑6通过数据线5相连的Spiricon SP620U高分辨率CCD相机4，如图3所示。在光束射入CCD相机4的镜头后，打开电脑上的BeamGage Standard 6.6.1激光光束分析软件，并调整CCD相机4的位置，使激光光束分析软件上光斑的直径大小显示为1mm，再保存当前光斑的光亮度分布云图及数据。
步骤2：通过对测量得到的光亮度分布数据进行拟合，建立所测光斑的光亮度场数学模型，具体过程如下。在激光光束分析软件上采用模拟刀口法精确确定光斑边界，提取光斑范围内通过圆心的两条正交线上各像素点的光亮度值，将所提取的两条线上的光亮度数据放到同一坐标图中，如图4中两条实线所示。图4中X和Y方向分别代表两条正交线所在方向，横坐标值表示像素点相对于光斑圆心的坐标值，其绝对值代表该点距圆心的距离，纵坐标表示光亮度大小。从图中可以看出，两条光亮度分布曲线基本重合。利用软件MATLAB的曲线拟合工具箱，采用高斯函数对实测数据进行拟合，得到光亮度场的拟合函数解析式为：
式中r1表示距光斑圆心的距离，单位为mm；L1(r1)表示光亮度值，单位为cd/mm2。图4中虚线为拟合得到的函数曲线。
步骤3：利用激光光亮度与功率密度之比为常数的性质，通过将CCD相机4测量得到的光斑总体光强大小除以功率计测量得到的光斑功率大小，求出常数值为0.95cd/μW，进而推算得到该光斑的功率密度场解析式，如下：
式中ρp1(r1)单位为μW/mm2。
步骤4：根据激光束的传输特性和能量守恒定律，利用所测光斑的功率密度场数学模型变换得到与该光斑功率相同半径不同的任意光斑的功率密度场数学模型，具体过程如下。由于激光束的束腰半径(即对焦时的光斑半径)非常小，在两个不同离焦位置之间，激光束可近似看作沿其双曲线传输轨迹的渐近线进行线性传输，即光斑的半径近似呈线性增大或缩小，如图5所示。光束传输过程中遵循能量守恒，即图6中两个黑色圆环内的光强是相等的，基于此，通过推导得到与所测光斑功率相同任意半径R的光斑的功率密度场数学模型为：
式中ρp1(r)单位为μW/mm2。
步骤5：在步骤4所建立的模型基础上，根据随着光斑功率增大，光斑内各点功率都等比增大的性质，推导得到任意功率P任意半径R的光斑的功率密度场数学模型，如下：
式中，ρp(r)单位为μW/mm2。
Claims (4)
1.一种激光离焦加工时的光斑功率密度场测量建模方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：利用激光光斑分析测量平台对某个具体激光光斑的功率和光亮度分布进行测量；
步骤2：通过对测量得到的光亮度数据进行拟合，建立所测光斑的光亮度场数学模型；
步骤3：利用激光光亮度与功率密度之比为常数的性质，基于光斑的光强和功率实测结果，求解出常数值，并建立所测光斑的功率密度场数学模型；
步骤4：根据激光束的传输特性和能量守恒定律，利用所测光斑功率密度场数学模型变换得到与该光斑功率相同半径不同的任意光斑的功率密度场模型；
步骤5：在步骤4所建立的模型基础上，利用激光功率变化时的基本性质，建立任意功率任意半径光斑的功率密度场数学模型。
2.根据权利要求1所述的一种激光离焦加工时的光斑功率密度场测量建模方法，其特征在于：步骤1中的激光光斑分析测量平台主要由激光器、衰减片、激光功率计、高分辨率CCD相机、数据线、计算机和激光光束分析软件组成；
测量原理为利用激光器发射低功率光束，光束首先通过一组衰减片将强度进行衰减，随后射入激光功率计的探测头中，进而测量得到衰减后激光束的功率值，此后，将激光功率计替换成与计算机通过数据线相连接的高分辨率CCD相机，光束在射入CCD相机镜头后，计算机上配套的激光光束分析软件上会显示出镜头上光斑的光亮度分布云图，通过云图可以得到光斑内每个点的光亮度数据和光斑总体光强大小。
3.根据权利要求1所述的一种激光离焦加工时的光斑功率密度场测量建模方法，其特征在于：步骤4中激光束的传输特性是指激光束在空气中会沿双曲线轨迹进行传输，离焦一定距离后可近似看作沿双曲线的渐近线进行直线传输的性质。利用该性质和能量守恒定律推导出同一束激光在不同离焦位置所形成的不同大小光斑间的功率密度场变换式，如下：
上式中ρp1(r)表示功率为P1半径为R的光斑的功率密度场数学模型，r∈[0,R]；
ρp1(r1)表示功率为P1半径为R1的光斑的功率密度场数学模型，r1∈[0,R1]；
基于该式，利用已测的功率为P1半径为R1的光斑的功率密度场数学模型ρp1(r1)，推导与该光斑功率相同半径为任意值R的光斑的功率密度场数学模型ρp1(r)。
4.根据权利要求3所述的一种激光离焦加工时的光斑功率密度场测量建模方法，其特征在于：步骤5中激光功率变化时的基本性质是指随着光斑功率增大，光斑内各点功率都等比增大的性质；利用该性质可以得到以下关系式：
上式中ρp(r)表示任意功率P任意半径R的光斑的功率密度场数学模型，ρp1(r)为通过步骤4得到的功率为P1半径为任意值R的光斑的功率密度场模型。
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