[发明专利]一种自动诊断并校正激光光束发散角及光束质量的装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种自动诊断并校正激光光束发散角及光束质量的装置。尤其是对激光切割领域中的激光光束的发散角和光束质量进行自动诊断和校正的装置。

背景技术

自上世纪70年代激光加工技术产生以来，激光加工技术在许多领域都得到应用，现代化生产的发展，更是进一步拓宽了激光加工设备的需求。据统计，2001年全球激光设备销售总额达28亿美元，2003年全球激光设备销售额已经达到43.18亿美元，而到2007年和2008年该数额进一步提高为61.32和63.60亿美元。CO2激光器（10.6μm）和Nd：YAG激光器是应用最广泛的两种激光器。从国外激光加工系统应用方式来看，以2001年为例，激光切割占总销售额的37%，激光标记占36%，激光焊接占12%，激光微加工占10％，激光打孔占2％，其它应用占3％。

上个世纪90年代以前，追求高功率的输出激光是激光研究者和激光工业界的首要目标，而很大程度上忽略了激光光束质量的重要性。随着激光技术应用领域的扩大，以及相应科学技术和工程技术的提高，人们越来越意识到，光束质量良好的激光往往比高功率但是光束质量较差的激光更具有实际应用价值。目前，工业界已经公认激光光束质量对激光加工过程及加工质量均有很大影响。

评价光束质量的指标有多种，主要有激光发散角和激光模式等参数，普遍认为，激光模式越高，光斑半径越大，发散角也越大，光束质量越差。在不同的场合也可以有不同的描述光束质量的方法。对激光加工而言，主要利用的是激光的能量集中特性，即利用聚焦镜将激光束聚焦在材料表面，在数微秒的时间内，光斑区的温度升高到材料的熔点，甚至沸点，材料被熔化和汽化，实现加工。因此，人们更多关注的是激光的聚焦性能，比如聚焦光斑的尺寸、能量密度以及强度分布等等。对不同的加工方法有不同的要求。例如，激光热处理只是表面加热，激光功率密度的要求较低，光斑尺寸较大，但要求光强分布要均匀；对于激光焊接，由于要达到金属熔化，并实现一定的焊缝宽度及深度，因此要求有较高的功率密度；对于激光切割，由于金属要达到汽化，就要求光斑尺寸更小、功率密度更高。因此，在激光加工中，所谓好的光束质量，通常意味着高的焦斑能量密度和能量集中度。

目前，大功率激光器的光束质量难以做到理想，追求大功率的激光一般是以牺牲光束质量为代价。光束质量不理想，导致激光的聚焦性能下降，聚焦后形成的焦斑尺寸较大、能量密度相对较低，因而使得激光设备在加工质量、加工能力等方面均受到影响，难以发挥预期的效能。

此外，由于激光光束存在一定的发散角，使得激光加工设备设计和应用中的一些关键技术，如飞行光路技术、焦点位置自动测量与控制技术等受到影响而难以实现。

发明内容

本发明所解决的技术问题是：提供一种自动诊断并校正激光光束发散角及光束质量的装置。该装置提取激光光束对耐火材料形成的烧蚀图像或者在被加工材料上形成的加工痕迹图像，对激光光束，尤其是加工用激光光束的发散角和光束质量进行自动诊断，并驱动变形校正器件开展自动校正，从而帮助激光设备保持良好和稳定的工作状态，最大程度地提高加工能力和效率。

本发明的技术解决方案是：如图1所示，在激光加工设备的传输光路中嵌入诊断装置和变形校正装置。变形校正装置由辅助反射镜（图例中为2）及变形镜（图例中为3）组成。诊断装置为可见光探测器（CCD或CMOS）配成像镜头，用来实时获取烧蚀图像，通过更换或调整成像镜头，还需要获取被加工材料上形成的加工痕迹图像。装置工作时，诊断装置获取烧蚀图像或加工材料上的加工痕迹图像数据，经一定的算法处理，提供反馈信息来驱动变形校正装置工作，从而构成一个闭环系统，实现对激光束的发散角和激光光束质量的校正。