没有合适的资源?快使用搜索试试~ 我知道了~
高功率矩形光斑激光非相干空间合束.docx
1.该资源内容由用户上传,如若侵权请联系客服进行举报
2.虚拟产品一经售出概不退款(资源遇到问题,请及时私信上传者)
2.虚拟产品一经售出概不退款(资源遇到问题,请及时私信上传者)
版权申诉
0 下载量 106 浏览量
2022-12-15
14:29:23
上传
评论
收藏 656KB DOCX 举报
温馨提示
试读
16页
高功率矩形光斑激光非相干空间合束.docx
资源推荐
资源详情
资源评论
� 0. 引 言
随着工业高功率激光器及其辅助设备的实用化,以高功率激光为热源的激光表面热
处理逐渐成为金属材料表面强化技术研究的热点之一
[1-4]
。目前,激光表面热处理
工艺主要采用 3~6 kW 级空间直接传输的矩形光斑近红外半导体激光器。以 6 kW
激光熔覆为例,正常熔覆效率仅为 0.5 m
2
/h,已不能满足快速加工的需求。为提高
加工速率,需要不断提高激光功率。但是,激光功率的提高会带来诸如激光器体积
增大、热管理难度增大、光束质量变差等一系列问题
[4]
。此外,受到 300~500 mm
结构尺寸及采用空间传输方法的限制,空间传输的矩形光斑半导体激光器无法在狭
小的零部件内部实施柔性激光热处理作业。
虽然 10 kW 以上的高功率商业光纤激光器、光纤传输半导体激光器能够在一
定程度上提升了激光表面热处理速率、解决柔性热处理问题,但是超高功率激光极
易在单根光纤内部产生光学非线性效应、模式不稳定、热效应等危及光纤传输安全
的问题
[5-7]
。光纤传输的激光光斑为圆形,在激光表面热处理过程中,圆形光斑搭
接区域的激光功率密度不但高于非搭接区,而且分布不均匀。相比于圆形光斑,方
形光斑能量均匀性更好,光斑搭接率易于控制和计算
[8-9]
,这也是目前激光表面热
处理工艺仍主要采用空间直接传输半导体激光器的主要原因。
基于多根光纤传输的激光非相干合束是降低高功率激光在单根光纤中的传输
风险、提高激光总输出功率、实现激光柔性传输的有效方法之一
[10]
。基于空间非相
干激光合束,文中设计了一个 18×1 矩形光斑激光空间非相干合束器(简称“合束
器”)。该型合束器由 18 套独立的准直单元和一套共用的合束单元构成。准直单元
对每一束光纤输出、低功率的 972 nm 半导体激光束进行准直,合束单元对 18 束平
行准直激光束实施空间非相干合束。通过模拟分析参与合束的准直激光束的半径、
相邻光束间距与光斑搭接率之间的变化规律以及合束激光的横截面能量分布,优化
设计了合束器的结构参数,实现了一定合束长度内具有单一矩形光斑形态、合束功
率超过 10 kW 的高功率合束激光输出。该研究为快速、柔性激光表面热处理工艺
的实际应用提供了借鉴意义。
1. 合束器的光学设计
激光源采用 18 台光纤耦合输出、最大连续输出功率 600 W 左右的 972 nm 近
红外半导体激光器。传输光纤的纤芯直径为 440 μm、数值孔径 NA 为 0.22。光纤输
出端采用直径 8 mm、带蓝宝石衬底的 D80 金属连接头连接,以确保其端面在大功
率激光输出时的安全性。合束原理如图 1(a)所示,18 束光纤传输的激光束按照“矩
阵方式”排列,每一束由光纤输出的发散激光束对应使用一个相同结构的准直单
元,在进行空间合束之前实现准直和相互平行传输。完成准直的 18 束平行激光束
通过共用的合束单元的合束叠加,获得具有单一光束形态且横截面为矩形的合束激
光。
图 1 矩形光斑激光非相干空间合束原理。 (a) 18 束激光束整体空间位置变化;(b)任意
相邻两束激光的光斑空间位置变化
Fig. 1 Schematic of laser incoherent space beam combining with a rectangular spot. (a)
Changes in the space position of 18 laser beams; (b) Changes in the space position of two
adjacent laser spots
下载: 全尺寸图片 幻灯片
通过对远场光斑搭接率的计算,可完成参与合束的准直激光束发散角、相邻
光束间距的合理设计。图 1(b)展示了相邻两束准直激光束在合束单元第一个光学入
射面上的光斑中心间距 d 和传输一定距离 z 后的光斑位置的变化关系。假设任意相
邻的两束平行准直激光束在合束单元第一个光学入射面上的光束半径分别为 r
1
和
r
2
,r
1
=r
2
=r,则根据激光束传输几何关系,任意相邻两束激光束穿过该入射面并传
输了一定距离 z 后的光束半径 r
1z
和 r
2z
可由如下公式表示
[10]
:
x2+y2=r1z2x2+y2=r1z2
(1)
(x−dz)2+y2=r22z(x−dz)2+y2=r2z2
(2)
r1z2=2tanθc×z+rr1z2=2tanθc×z+r
(3)
r2z2=2tanθc×d2z+z2−−−−−−√+rr2z2=2tanθc×dz2+z2+r
(4)
dz=d×∣∣∣F−zF∣∣∣dz=d×|F−zF|
(5)
mz=r21z+d2z−r22z2d2zmz=r1z2+dz2−r2z22dz2
(6)
式中:d 为合束单元第一个光学入射面处任意两束平行准直光束的中心间距,
即相邻两个准直单元光轴间距;θ
c
、d
z
和 m
z
分别为穿过该入射面并传输一定距离 z
后两束激光束的发散半角、光斑中心间距、光斑边缘临界交叉点在 Y 轴上的坐标。
由公式(1)~(6)可推导出准直激光束在 z 位置时重合面积 A、光斑搭接率 η 的计
算公式
[11]
:
A=2[∫r1zmzr1z−y2−−−−−−√dy+∫mzdz−r2zr22z−(y−dz)2−−−−−−−−−−−√dy]=π2(r21z+r22z)+r22z[arcsin(mz−dzr22z)−arcsin(mzr2z)]+(mz−dz)r22z−(mz−dz)2−−−−−−−−−−−−−√−mzr22z−m2z−−−−−−−√A=2[∫mzr1zr1z−y2dy+∫dz−r2zmzr2z2−(y−dz)2dy]=π2(r1z2+r2z2)+r2z2[arcsin(mz−dzr2z2)−arcsin(mzr2z)]+(mz−dz)r2z2−(mz−dz
)2−mzr2z2−mz2
(7)
η=Aπr22zη=Aπr2z2
(8)
根据以上推导公式,准直激光束的发散半角、光斑半径及相邻光束间距对非
相干空间合束效果产生直接影响。考虑到激光表面热处理产生的粉尘溅射对合束器
安全性的影响,文中将合束单元的焦距 F 设定为 500 mm。根据具体使用需求,将
剩余15页未读,继续阅读
资源评论
罗伯特之技术屋
- 粉丝: 3692
- 资源: 1万+
下载权益
C知道特权
VIP文章
课程特权
开通VIP
上传资源 快速赚钱
- 我的内容管理 展开
- 我的资源 快来上传第一个资源
- 我的收益 登录查看自己的收益
- 我的积分 登录查看自己的积分
- 我的C币 登录后查看C币余额
- 我的收藏
- 我的下载
- 下载帮助
安全验证
文档复制为VIP权益,开通VIP直接复制
信息提交成功