激光應(yīng)用熱透鏡效應(yīng)測量與改善
發(fā)布時(shí)間：2018-03-07點(diǎn)擊數(shù)：7507次
一、熱透鏡效應(yīng)
光學(xué)元件受激光束連續(xù)照射較長時(shí)間后，由于溫度升高產(chǎn)生熱變形，進(jìn)而引起透過型光學(xué)元件的折射率和反射型光學(xué)元件的反射方向發(fā)生變化。熱透鏡效應(yīng)會(huì)改變激光焦點(diǎn)（束腰）的位置，進(jìn)而影響應(yīng)用效果。
對于脈沖光纖設(shè)備，激光從激光器的隔離器（透過型）輸出后，主要經(jīng)過紅光合束鏡片（透過型）、振鏡（反射型）和f-θ場鏡（透過型）這些光學(xué)元件。由于透過型光學(xué)元件的熱透鏡效應(yīng)更明顯，因此接下來主要針對激光器、紅光合束鏡片與場鏡做相應(yīng)分析。
紅光合束鏡熱透鏡前后對比
場鏡熱透鏡前后對比
二、熱透鏡效應(yīng)的影響
產(chǎn)生熱透鏡效應(yīng)時(shí)，光學(xué)元件受熱膨脹，出現(xiàn)聚焦能力變強(qiáng)，聚焦光斑尺寸變小，焦距和焦深變短現(xiàn)象。這些現(xiàn)象的產(chǎn)生，最終會(huì)造成打標(biāo)不穩(wěn)定，影響打標(biāo)效果。通過脈沖光纖激光器的幾個(gè)典型應(yīng)用分析熱透鏡效應(yīng)的影響：
1．氧化鋁打黑：
發(fā)生熱透鏡效應(yīng)時(shí)，焦距變短，材料表面能量密度降低，氧化鋁打不黑，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)中心和邊緣效果黑度不一致現(xiàn)象。
2．金屬深雕：
金屬深雕一般使用焦距（焦深）短的場鏡，當(dāng)高功率深雕時(shí)，由于熱透鏡效應(yīng)，材料處能量密度迅速下降，造成金屬打雕不深。由于光學(xué)元件中心比邊緣膨脹大，出現(xiàn)中心淺，四周深現(xiàn)象（深度不一致）。
3．薄片切割：
根據(jù)不同的材料，脈沖光纖激光器切割薄片通常采用單次慢速或多次快這兩種方法。熱膨脹與冷卻回縮可以在很短時(shí)間（＜1S）內(nèi)發(fā)生，因此切割時(shí)出現(xiàn)起始位置可以切穿，其它位置切不穿材料。
4．金屬薄片焊接：
對于高功率脈沖光纖激光器焊接金屬薄片（＜0.6mm），通常采用圓形螺旋線填充的方式焊接。熱透鏡效應(yīng)會(huì)造成焊點(diǎn)大小不一致，拉拔力不夠。
三、熱透鏡效應(yīng)的測量
不同材質(zhì)的光學(xué)元件，熱膨脹系數(shù)不一樣，因此對于不同配置的激光系統(tǒng)，應(yīng)用于不同的材料，熱透鏡效應(yīng)的程度都不一樣。既然熱透鏡效應(yīng)不可避免，那么將熱透鏡程度進(jìn)行量化，設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)就顯得極其重要。焦距的變化反映出熱透鏡的程度，下面通過兩種方法去測量焦距的變化：
1．調(diào)焦法：
優(yōu)點(diǎn)：操作簡單，可以大致測量出焦距變化量
缺點(diǎn)：由于焦深的存在，高度F1與F2存在一定的誤差，因此焦距變化量L不太準(zhǔn)確，可以通過多次測試減小誤差；高功率下打標(biāo)，光太強(qiáng)，不易重新找到焦點(diǎn)位置
2．打標(biāo)效果測量法：
測試方法示意圖
通過如下操作，可以測出各個(gè)光學(xué)元件熱透鏡的程度：
打標(biāo)效果圖
四、熱透鏡效應(yīng)的改善
功率越高或標(biāo)刻高反材料，光學(xué)元件受熱膨脹越迅速，熱透鏡越明顯。改善熱透鏡，可以在激光器、場鏡和紅光合束鏡片三方面著手：
1．激光器：
準(zhǔn)直器的光學(xué)透鏡使用石英材料，減小熱膨脹系數(shù)；定期清潔激光器輸出頭的保護(hù)鏡片，避免雜質(zhì)污染。
2．場鏡：
使用中高功率（≥100W）脈沖光纖激光器，建議場鏡選用復(fù)合材料或石英材料；定期檢查和清潔場鏡的保護(hù)鏡片，避免雜質(zhì)污染或損傷。
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