[发明专利]一种激光离焦加工时的光斑功率密度场测量建模方法

说明书

本发明公开了一种激光离焦加工时的光斑功率密度场测量建模方法，其包括如下步骤：(1)利用激光光斑分析测量平台对某个具体激光光斑的功率和光强密度(也称“光亮度”)分布进行测量；(2)通过对测量得到的光亮度数据进行拟合，建立所测光斑的光亮度场数学模型；(3)利用激光光亮度与功率密度之比为常数的性质，基于光斑的光强和功率实测结果，求解出常数值，并建立所测光斑的功率密度场数学模型；(4)根据激光束的传输特性和能量守恒定律，利用所测光斑的功率密度场模型变换得到与该光斑功率相同半径不同的任意光斑的功率密度场模型；(5)利用激光功率变化时的基本性质，建立任意功率任意半径光斑的功率密度场模型。

技术领域

本发明涉及激光加工领域，具体为一种激光离焦加工时的光斑功率密度场测量建模方法。

背景技术

激光加工是利用激光束与物质相互作用的特性，对材料进行切割、焊接、表面处理、弯曲及标刻等的先进技术，具有加工速度快、加工精度高、可加工材料范围广、柔性和自动化程度高等显著优点。目前，该技术已广泛应用于汽车、航空、航天、冶金、电子、电器等国民经济重要领域，对提升产品质量和生产率、减少材料浪费、降低环境污染等方面起着突出的作用。

使用激光对材料进行扫描加工时，常常需要离焦形成较大光斑后再进行扫描。部分激光加工技术(如激光热处理和激光弯曲)通常都是使用大光斑进行加工，以此提高加工的效率，提升加工质量的均匀性。激光离焦加工时在材料表面形成光斑的功率密度场直接影响材料内部的温度场，进而影响到加工质量的好坏，因此，准确了解光斑功率密度场情况非常重要。理想情况下，一般认为基模高斯激光束所形成光斑的功率密度场都是呈理想高斯分布，对于多模激光束，可采用光束传输因子M²来将其等效为基模高斯光束。然而，就目前工业用大功率激光器而言，由于受制造技术的限制，激光束的模式一般并不是基模，而是多种低阶模式混合而成的混合模，在其传输与聚焦的过程中，常常受光束附加相移的影响，导致光束功率密度分布发生变化。即使是高品质的激光器，在使用一定年限后，随着内部器件的老化，所发射激光束的功率密度分布也会发生较大变化。基于以上情况，从激光头发射光束的功率密度场变得难以预测，导致材料加工时的温度场很难精确计算和控制，加工质量难以得到保证。

从目前公开的文献来看，如2002年在《北京工业大学学报》上发表的题为“大功率工业激光的功率密度分布及其应用”的文章以及专利号为“ZL201510130226.8”名称为“宽光谱高能激光能量分布的测量方法”的发明专利，它们都是单纯通过测量来获得某个离焦量下所形成光斑的功率密度场，一旦离焦量发生改变，光斑大小变化时，功率密度场就得重新测量，过程非常耗时。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光离焦加工时的光斑功率密度场测量建模方法。基于某个离焦量下所形成光斑的功率和光强密度测量数据，利用激光束的基本性质和能量守恒定律，高效、精确地建立任意功率任意大小光斑的功率密度场数学模型，为激光离焦加工时的材料温度场精确计算及预测提供支撑，最终达到提高材料加工质量之目的。

本发明的技术方案为：一种激光离焦加工时的光斑功率密度场测量建模方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：利用激光光斑分析测量平台对某个具体激光光斑的功率和光强密度(也称“光亮度”)分布进行测量。

步骤2：通过对测量得到的光亮度数据进行拟合，建立所测光斑的光亮度场数学模型。

步骤3：利用激光光亮度与功率密度之比为常数的性质，基于光斑的光强和功率实测结果，求解出常数值，进而建立所测光斑的功率密度场数学模型。

步骤4：根据激光束的传输特性及能量守恒定律，利用所测光斑的功率密度场数学模型变换得到与该光斑功率相同半径不同的任意光斑的功率密度场模型。

步骤5：在步骤4所建立的模型基础上，利用激光功率变化时的基本性质，建立任意功率任意半径光斑的功率密度场模型。