光束變換技術提高雷射加工效率

　　0 引言

　　雷射加工是將雷射束照射到加工物體的表面，用以除去或熔化材料一起改變物體表面性能。雷射對物體的加工不同於其他方法的最顯著的地方，就是它可以把光的能量通過聚焦集中在很小的面積上，使被照射物體瞬間接受極高的雷射功率密度輻射，從而達到加工的目的。不同的加工方式要求不同，對雷射束的聚焦採取的方式也不一樣。為了改善現有雷射加工設備單一的加工功能，有效利用雷射器，提高生產效率，對雷射光束變換技術的研究尤其重要。

　　目前對光束變換已有多種實現方法，旋轉稜鏡由於其結構簡單，並可在一定範圍內產生近似的無衍射光束而備受關注。利用旋轉稜鏡光學系統可以實現多種形式的光束傳輸變換，例如，將實心橫截面光束變換為環狀光束、平面或徑向細環聚焦光束，或者作相反的變換，或者將高斯光束變換成無衍射光束等。其優越的光束和能量變換特性使它在雷射打孔、圓柱形工件熱處理、焊接、切片、高精度準直技術等雷射加工應用領域都具有非常誘人的價值。

　　基於旋轉稜鏡幾何光學特性，採用正負旋轉稜鏡及聚焦透鏡組成的光學系統對雷射光束進行變換研究。通過調整正負旋轉稜鏡間距實現對入射光束形狀及能量分布的控制，從而有效利用入射雷射光束進行打孔、切割、焊接等多項加工。

　　1.旋轉稜鏡的原理

　　旋轉稜鏡最早由Mcleod提出，具有與普通球面透鏡不同的聚焦特性。圖1示出正負旋轉稜鏡的幾何結構。

　　

　　當一束準直後半徑為r的雷射束垂直入射到正錐稜鏡後，所有光線以等偏角β與z軸相交，形成連續的焦線。當旋轉稜鏡的錐角α較小時，發散角β近似為（n-1）α。在聚焦區域內，出射光線在空間上相互重疊，形成無衍射區域。當錐角較小，不計稜鏡厚度時，最大無衍射範圍可由下式給出：

　　在無衍射區域內，光束為實心光束，其半徑為：

　　當時，出射光線不再重疊，形成環狀光束，環內徑隨著z的增大而變大，滿足：

　　環的寬度保持不變，在小錐角的情況下，與入射孔徑相等。

　　當一束準直後孔徑為r的雷射束垂直入射到錐稜鏡後，所有光線以等發射角β偏離Z軸，光束變換為環狀光束，在小錐角的情況下，環內徑為：

　　環的寬度與傳輸距離z無關，為一常數。