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纤维光学光导
光纤传能在激光柔性加工系统中的应用

March 16,2019.

激光加工主要采用高能激光对工件进行切割、焊接、打孔、打标、成型及表面处理、改性掺杂等。工业中常用的光源有CO2气体激光(波长10.6um)和YAG固体激光(波长1.064um)。激光加工广泛应用于汽车、电子、电器、航空、冶金、机械制造、军事等行业,对经济发展起到重要的作用。激光加工时激光束辐照在被加工件上与材料相互作用完成加工过程,因此是非接触、无磨损、无噪声(或噪声很小)、无切屑,基本上对环境不造成污染。所以激光加工技术是一种绿色加工技术,它必然会称为21世纪的一种先进加工技术。


激光加工应用系统是否优异,很大程度取决于光束传输的灵活性。激光传能光纤是实现激光柔性传输的重要手段,光纤可避免折—反射光路的限制,使路径更灵活。多模石英光纤可以实现高效的激光能量传输。较粗的光纤可以传输较大的激光能量;较细的光纤可以减少光束质量的变化,但光纤的直径烧到传输光束质量、功率、聚焦元件和光纤数值孔径的限制。光纤会引起激光质量、发散角、界面能量分布等特性的变化,而激光的空间特性决定了激光束的可聚焦性、材料加工所能获得的激光束的功率密度以及最终获得的加工质量。另外,光纤损伤阈值决定了光纤传能容量,也就决定了激光柔性加工系统的加工能力。因此,研究光纤传能特性对于激光柔性加工系统的研制具有重要意义。



传能系统的关键设计参数指标主要为传输的激光功率/能量密度和光束质量。多模石英光纤可以实现高效的高功率激光的传输,但对传输光束的质量损失较大。光纤传输激光功率/能量容量受到光纤损伤阈值的限制。多模光纤使得激光束的光束质量下降,原因是光纤不可避免的受到机械应力的影响,比如光纤弯曲、光纤夹持等,这些机械应力形成一个光纤几何形状的高的空间频率调制,由于这些误差引起了模式耦合,也就是说光纤输出端光斑的能量分布变得比较均匀。


光纤传能的影响因素:

影响光纤传能的因素包括,入射光束参数,光纤端面和连接耦合,光纤长度,光纤芯径和光纤的径向折射率分布等。大芯径的光纤常被用于多模高功率Nd:YAG激光束的传输,输出端的光束空间强度分布依赖于注入条件、入射光斑与光纤对准偏差和光纤弯曲等。横向偏移严重影响光纤内的子午光纤与斜光线的分布,角度偏移不会改变子午光线与斜光线的比例关系,但会改变子午光线和斜光线在光纤内的传播方向。横向偏移激发大量斜光线,光纤输出激光能量分布更加均匀,角度偏移的“匀化”作用较弱。

光纤发生弯曲时,当不能满足光线在芯内的全反射条件后,光线进入包层中,形成消逝波。光纤的导光性能下降,导致光能量衰减。在激光技术和光纤制造技术获得巨大发展的情况下,激光柔性加工中采用光纤传输激光束是最佳的选择。1.06um的Nd:YAG 激光束,和处于可见光与近红外波段的半导体激光都非常适合采用目前商品化的光纤传导。合理的光纤传能系统的设计要考虑激光源特性,激光注入条件,光纤的长度、芯径和弯曲等多种因素




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