激光應用熱透鏡效應測量與改善

發(fā)布時間：2018-03-07點擊數(shù)：7670次

　　一、熱透鏡效應

　　光學元件受激光束連續(xù)照射較長時間后，由于溫度升高產生熱變形，進而引起透過型光學元件的折射率和反射型光學元件的反射方向發(fā)生變化。熱透鏡效應會改變激光焦點（束腰）的位置，進而影響應用效果。

　　對于脈沖光纖設備，激光從激光器的隔離器（透過型）輸出后，主要經過紅光合束鏡片（透過型）、振鏡（反射型）和f-θ場鏡（透過型）這些光學元件。由于透過型光學元件的熱透鏡效應更明顯，因此接下來主要針對激光器、紅光合束鏡片與場鏡做相應分析。

紅光合束鏡熱透鏡前后對比

場鏡熱透鏡前后對比

　　二、熱透鏡效應的影響

　　產生熱透鏡效應時，光學元件受熱膨脹，出現(xiàn)聚焦能力變強，聚焦光斑尺寸變小，焦距和焦深變短現(xiàn)象。這些現(xiàn)象的產生，最終會造成打標不穩(wěn)定，影響打標效果。通過脈沖光纖激光器的幾個典型應用分析熱透鏡效應的影響：

　　1．氧化鋁打黑：

　　發(fā)生熱透鏡效應時，焦距變短，材料表面能量密度降低，氧化鋁打不黑，嚴重時出現(xiàn)中心和邊緣效果黑度不一致現(xiàn)象。

　　2．金屬深雕：

　　金屬深雕一般使用焦距（焦深）短的場鏡，當高功率深雕時，由于熱透鏡效應，材料處能量密度迅速下降，造成金屬打雕不深。由于光學元件中心比邊緣膨脹大，出現(xiàn)中心淺，四周深現(xiàn)象（深度不一致）。

　　3．薄片切割：

　　根據(jù)不同的材料，脈沖光纖激光器切割薄片通常采用單次慢速或多次快這兩種方法。熱膨脹與冷卻回縮可以在很短時間（＜1S）內發(fā)生，因此切割時出現(xiàn)起始位置可以切穿，其它位置切不穿材料。

　　4．金屬薄片焊接：

　　對于高功率脈沖光纖激光器焊接金屬薄片（＜0.6mm），通常采用圓形螺旋線填充的方式焊接。熱透鏡效應會造成焊點大小不一致，拉拔力不夠。

　　三、熱透鏡效應的測量

　　不同材質的光學元件，熱膨脹系數(shù)不一樣，因此對于不同配置的激光系統(tǒng)，應用于不同的材料，熱透鏡效應的程度都不一樣。既然熱透鏡效應不可避免，那么將熱透鏡程度進行量化，設定標準就顯得極其重要。焦距的變化反映出熱透鏡的程度，下面通過兩種方法去測量焦距的變化：

　　1．調焦法：