光纤柔性加工

日期:2012-8-23 14:34:02

                   

激光加工主要是指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）。激光加工已广泛应用于汽车、电子、电器、航空、冶金、机械制造、军事等行业[1],对经济发展起着愈来愈重要的作用。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。采用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[2]。多模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。

1 光纤传能实验

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。这里我们采用调Q Nd：YAG激光器，脉冲宽度为15.2 ns、波长为1064 nm，激光为基模近高斯光束，最大单脉冲能量可以达200mJ；光纤采用国产石英包层大芯径阶跃折射率石英光纤；激光耦合采用单透镜注入方式，光纤被固定在五维光纤调整架上，放置在焦后位置，并利用He-Ne激光实现激光注入光纤的精确对准。注入光束的发散角小于光纤数值孔径（NA），光纤端面处激光光斑直径不大于芯径的2/3可以得到比较大耦合效率^[3]。光纤传能特性测试实验装置原理，如图1所示。

图1 光纤传能特性测试实验装置原理图

Fig1.the schematic diagram of optical fiber delivery power test setup

1.1 光纤输出光束质量

实验分用光纤芯径600μm、包层直径为660μm、长度为2m和4m，注入光斑直径400μm，激光与光纤精确对准。利用科学级CCD精确测量在光纤输出端不同距离的远场光斑大小，然后双曲线拟合处理方法获得光纤输出光束质量[4]，结果如表1所示。

表1 长度为2m和4m光纤输入输出光束参数比较

Table2. Parameters comparison of input and output beams of 4m optical fiber

Parameters	Waist location（mm）	Waist diameter（mm）	Far-field divergence（rad）	Quality factor M2
Input beam	115.2	0.036	0.09	2
Output beam-2m	Fiber output end	0.61	0.11	52
Output beam-4m	Fiber output end	0.598	0.12	53

由表1可以看出：经过多模光纤传输后的激光光束束腰位置在光纤输出端面处；束腰大小近似等于光纤芯径；远场发散角小于光纤数值孔径，它略大于注入激光束发散角。由于大多数的光纤传能系统使用的纤芯直径较大（数百微米）、相对传输距离较短（小于10m）的光纤，激光束在这样的光纤中传输，其输出端的光束空间特性很大程度上仅依赖于输入端的入射条件。比如，入射端光束聚焦点的大小和对准偏差的程度等，而光纤中的模式分布一定是光束入射条件的函数。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^[5]。

1.2 光纤传输激光容量

随着激光加工范围的拓展、精密加工质量和效率的要求的提高，对光纤传输激光功率/能量密度的要求也越来越高，但是光纤损伤阈值限制了光纤输出激光最大功率/能量。就目前技术发展水平，芯径为0.3mm的光纤可以传输高达3～4kW YAG激光功率。这里我们实验研究了芯径为0.4mm的光纤传输高峰值功率脉冲激光的最大容量，实验结果显示光纤端面是光纤最容易损伤的部位，因此光纤端面损伤阈值决定它的最大传输容量。

实验中激光损伤阈值的测试采用了N-ON-1方式，激光能量脉冲由小到大逐渐增加到损伤阈值，激光束以相同的时间间隔多次辐照在元件的同一点上。因为加载能量是逐渐升高的可视为一种激光预处理的过程，可以部分消除光纤端面的微小缺陷和内应力。

用作图法或拟合法反推出光纤在零损伤概率下的阈值能量密度或功率密度，结果如图2所示，由图可得实验得出光纤端面的激光零损伤概率阈值功率密度为58J/cm²。损伤光纤端面显微照片示例如图3所示。
 

图2 损伤概率曲线图

Fig2. Dependence damage probability on laser pulse energy

 
图3 光纤端面损伤形貌

Fig3. Morphology of damaged fiber entrance face

2 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[6]。

由于光纤的弯曲会影响到光纤内模式之间的耦合，从而影响到输出分布。我们采用芯径400μm、长度2m的光纤，在其中部弯曲成半径分别为6cm、12cm、20cm的圆圈，利用科学级CCD测试了光纤输出光斑的能量分布，如图4所示。从图中可以看出：弯曲半径越小，光斑内的能量分布越均匀，截面曲线越平滑，说明光纤弯曲促进了光束模式间的混合。

 
图4 光纤弯曲半径与输出光斑能量分布的影响

Fig.4 Output energy distribution of different bending radius

 
图5 光纤弯曲半径对光纤传能的影响

Fig.5 Fiber delivery laser energy characteristics of different bending radius

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。我们实验研究了激光注入单脉冲能量不同时，光纤弯曲对光纤能的影响。实验用激光源脉宽为25ns、波长为1064nm，透镜焦距为10cm，注入光斑大小为312μm，光纤为5m、芯径400μm的多模石英光纤。实验结果如图5所示，图中每个点均为5个测量数据的算术平均值，可以看出：相同的激光注入条件下，光纤未弯曲时，输出的激光能量最大（传输效率最大）；随着弯曲半径的减小，输出能量逐渐降低；当光纤弯曲半径为16.5cm和10cm时，两条输入输出能量曲线基本重合；当弯曲半径为5cm时，光纤传输效率下降，与光纤无弯曲情况相比，下降幅度为6%~15%，可见实验用光纤的临界弯曲半径在5cm～10cm之间。

3 总结

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。