Влияние оптических параметров на процесс лазерной резки

Оптические параметры, характеризующие технологический процесс лазерной резки, делятся на параметры: лазерной установки, фокусирующей системы и материала.

Параметры установки: диаметр луча на выходе из резонатора лазера, расходимость лазерного пучка, степень поляризации излучения, модовый состав излучения ТЕМmn (форма распределения плотности мощности по сечению пучка).

Параметры фокусирующей системы: фокусное расстояние f, диаметр пятна фокусировки d_f , угол схождения лучей после фокусирующей системы, глубина фокуса (длина перетяжки) z_f , величина и направление осевого смещения фокальной плоскости фокусирующей системы относительно поверхности разрезаемой детали f.

Параметры материала: отражательная способность, зависящая от природы материала, состояния его поверхности.

Оптические параметры установки и фокусирующей системы во многом взаимосвязаны, так как ими определяется диаметр пятна фокусировки, в свою очередь определяющий совместно с мощностью плотность мощности лазерного излучения. В случае лазерной резки необходима острая фокусировка, однако для любой оптической системы существует конечный предел степени фокусировки, который называется дифракционным и определяет минимальную площадь фокусируемого пятна, следовательно, максимально достижимую плотность мощности.

При выборе систем фокусировки необходимо решать проблемы, связанные с модовой структурой и геометрией сфокусированного пучка относительно поверхности обрабатываемого материала.

Пятно минимальных размеров можно получить при фокусировке пучков, в которых распределение интенсивности по сечению подчиняется закону Гаусса. Особенность гауссовых пучков состоит в том, что относительное распределение интенсивности по сечению остается неизменным как в ближней (на расстоянии от перетяжки внутри оптического резонатора лазера , r_п – радиус перетяжки внутри резонатора), так и в дальней ( зоне. Кроме того, в гауссовых пучках фаза излучения одинакова во всех точках поперечного сечения (однофазные пучки).

Расходимость лазерного пучка зависит прежде всего от параметров оптического резонатора лазера: радиуса кривизны зеркал и от расстояния между зеркалами. В дальней зоне расходимость для моды ТЕМ₀₀ определяется выражением:

(4)

Как видно из (4), расходимость пучка может быть уменьшена за счет его расширения с помощью оптической системы. При этом расходимость лазерного излучения обычно пропорциональна увеличению использованного телескопа:

_mr_m=_nr_n, (5)

где _m, n − расходимость излучения соответственно на входе и выходе из телескопа; r_m, r_n − радиус пучка соответственно на входе и на выходе из телескопа.

Фокусировка пучка ТЕМ_оо с помощью идеальной линзы, расположенной на расстоянии от перетяжки пучка в резонаторе r_n , для дает минимальный диаметр пучка 2r_f (диаметр перетяжки при фокусировке), определяемый по выражению

где f − фокусное расстояние линзы;  - расходимость сфокусированного пучка.

Диаметр сфокусированного излучения уменьшается при увеличении расстояния от линзы l₀ до перетяжки пучка в резонаторе лазера, а также при уменьшении фокусного расстояния линзы и расходимости лазерного пучка.

Расстояние от линзы l_f до перетяжки фокусируемого пучка определяется как

Расстояние l_f обычно больше f, а диаметр пучка в фокальной плоскости больше диаметра пучка в перетяжке 2r_f . Однако, поскольку при малых  разница между l_f и f невелика, на практике для определения диаметра сфокусированного лазерного пучка ТЕМ₀₀ можно пользоваться зависимостью

2r_f = 2f = 2f/r_n (8)

Для пучков ТЕМ₀₀ с небольшой расходимостью при определении диаметра пучка в фокусе вместо радиуса перетяжки в резонаторе r_п берется радиус r_л пучка перед фокусирующей линзой.

Другим важным параметром, характеризующим размеры сфокусированного лазерного пучка, является глубина фокуса - расстояние от плоскости наименьшего размера пучка (плоскость перетяжки) до плоскости, на которой происходит заданное увеличение диаметра пучка. Например, увеличение диаметра пучка на 10% по сравнению с величиной 2r_f в перетяжке соответствует перемещению относительно перетяжки вдоль оси пучка на

(9)

В соответствии с (8) для достижения минимальных размеров фокального пятна необходимо использовать короткофокусные линзы.

Лазерный пучок, содержащий моды высшего порядка ТЕМ_mn (m или n 1), может быть одномодовым или многомодовым. При генерации лазером одновременно двух или более мод суммарное распределение поля в пучке будет суммой полей отдельных мод. Такой пучок в отличие от пучка моды ТЕМ₀₀ имеет сложную структуру и больший угол расходимости, что вызывает увеличение диаметра пучка в фокусе.

Для плоскопараллельного оптического резонатора угол расходимости прямо пропорционален порядку моды m:

. (10)

Для оптического резонатора со сферическими зеркалами принято считать, что диаметр пучка на выходе лазера и угол расходимости пучка возрастает в отношении (2m + 1)^1/2 c увеличением порядка поперечной моды по сравнению с величинами, полученными для моды ТЕМ₀₀.