[发明专利]一种聚焦激光束特征参数辨识方法

说明书

本发明公开了一种聚焦激光束特征参数辨识方法，包括：1)、聚焦激光束截面功率密度模型与非独立参数模型的确定或构建；2)、光束非独立参数与特征参数辨识算法；3)、光束非独立参数与特征参数辨识精度评价方法。本发明可依据聚焦激光束的试验测量数据有效辨识光束特征参数，进而精准重构此类光束在三维传播空间的功率密度形貌。

技术领域

本发明涉及激光焊接、激光增材制造、激光熔覆和激光热处理等激光材料加工领域，具体为一种聚焦激光束特征参数辨识方法。

背景技术

激光束因具有功率密度高、工艺柔性好、光束传输灵活、易于实现自动化控制等优势而常用于各类激光材料加工领域，诸如激光焊接、激光增材制造、激光熔覆、激光热处理、激光成形和激光表面改性等。激光加工系统中，激光束从激光器发出并经由特定光学传输和聚焦系统传送至工件加工表面，通过辐照加热效应实现材料加工。然而，聚焦激光束在传播空间的功率密度分布特征及规律显著影响加工质量。因此，辨识聚焦激光束的特征参数和构建精准数学模型来重构光束在传播空间的功率密度分布具有重要意义。

当前，激光束截面半径、焦斑半径、瑞利长度、光束质量因子M2等特征参数是通过商用光束诊断系统(如德国PRIMES公司的FocusMonitor系列光束诊断系统)测量光束传播方向上不同光束截面内的功率密度，再利用二阶距法或86.5％环围功率法计算得到。然而，激光束诊断系统尚未具备光束模型构建功能。此外，二阶距法或86.5％环围功率法与常用光束模型中的1/e²功率密度下降法(定义为光束截面上某点的功率密度下降到光束中心功率密度的1/e²时进行度量)不同，故计算得到的特征参数不能直接用于此类光束模型来精确表征真实激光束，进而为激光材料加工数值模拟带来极大不便。

激光传输系统中，因受光学器件间的耦合状态(如光纤激光器中的激光发生器与传输光纤、传输光纤与激光工作头)、像差和热透镜效应等因素的共同作用，聚焦激光束在传播空间呈现出复杂的传播特性，如聚焦光纤激光束截面功率密度在近场(定义为焦平面两侧附近的一个瑞利长度区域内)呈现为近平顶形貌而非高斯形貌，远场则呈现为近高斯分布。聚焦激光束的这种复杂传播特性为光束特征参数辨识和精准建模带来极大困难。因而，基于激光束诊断系统的测量数据来探寻有效的光束特征参数辨识方法与精准建模成为激光材料加工领域的迫切需求。

发明内容

本发明旨在提供一种聚焦激光束特征参数辨识方法，使辨识后的光束特征参数可直接用于高斯或超高斯等常用光束模型，进而精准重构真实聚焦激光束的功率密度空间形貌。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种聚焦激光束特征参数辨识方法，包括以下步骤：

1)获取激光束焦平面位置；

2)以上述光束焦平面位置为测量中心，沿光束传播方向等间距采集多个光束截面的功率密度；

3)根据所述功率密度，选择与激光束测量软件平台输出的光束截面形貌匹配的激光束截面功率密度模型；

4)采用权重非线性优化算法和激光束截面功率密度模型依次拟合每一光束截面的试验测量数据，从而计算得到相应的非独立参数；

5)依据识别的非独立参数与传播距离的映射关系，构建非独立参数的数学模型，基于该数学模型得到以下特征参数：光束焦斑半径、瑞利长度及光束质量因子M²；

6)将辨识的特征参数代入非独立参数模型，并联合激光束截面功率密度模型计算试验测量坐标位置处的功率密度值；而后，采用相关性分析方法计算每一测量截面上的功率密度计算值与试验测量值的决定系数，若决定系数大于0.95，说明辨识的光束特征参数和光束模型高度可信；否则，修改光束截面功率密度模型并重新按步骤3)～6)进行辨识。

步骤3)中，采用超高斯模型表征所述的功率密度分布具有类平顶形貌特征的激光束，其数学模型如下：