[发明专利]激光束径切割器

说明书

本发明涉及大功率激光束径、束散角测量仪器的领域。

束散角是激光加工的重要参量，如束散角小，聚焦光斑就小，聚焦容易，功率密度也高。因此加工时工作效率高，加工工艺好。所以在设计加工谐振腔时，束散角是必须考虑的几何参数。同时，与激光束传播因子K，倍衍射极限因子M²存在函数关系，只要测出束散角就可通过函数关系算出K和M²来。测量束散角的关键是正确测量出束径、束腰，或人造(聚焦)束腰。加工用的激光束功率很高，直接用聚焦法测量束径、束腰存在很大的难度。其高功率密度阻碍了准确测量的实现。现行方法均为参考测量，有的极不安全(如套孔法)，国际上推荐用测量模式分布，通过二阶矩统计方法测出束散角，这是一种十分勉强的方法，因为高功率密度光束的模式测量同样存在准确测量的问题，而且高功率低阶模激光器多用光栏作为选模手段，或谐振腔镜不是单一曲率，所以此法的使用局限性很大。

本发明的目的是提供一种能承受高功率密度，实现直接测量大功率激光束径，束散角的快速、简便、安全、准确的仪器。

本发明的技术方案基于下列激光规律：激光束散角θ_σ与聚焦光斑直径d_of或腰径d_σ0、光束波长λ₀、焦距f有如下函数关系，

      θ_σ＝4λ₀/πd_of或        θ_σ＝K’d_of/f  (K’为聚焦系统像差修正值)束散角θ_σ与激光束的传播因子K和倍衍射极限因子M²存在如下函数关系：

        K＝4λ₀/π·n·d_σ0·θ_σ

        M²＝π·n·d_σ0·θ_σ/λ₀式中n为聚焦镜折射比，d_σ0为光束腰径。

从以上激光规律看出，只要测出束径，束腰或聚焦光斑直径，其他的几个参数都能算出。本发明实现大功率激光束散角直接测量，是通过光束切割器横向垂直切割光束完成的。

该切割器是通过切割头上的0.01mm狭缝，在垂直切割光束时，光束一端边沿的光进入狭缝，探头立即发出初始响应信号，随着切割器的连续移动，探头连续发出响应信号，当切割头狭缝移出光束另一端边沿后，光束在狭缝中消失，探头响应信号就终止。根据信号发出与终止之间切割头移动的距离就能测得束径或腰径、聚焦光斑直径的大小。

本发明使用的仪器分辨能力为0.01mm的束径切割头，长焦距聚焦镜及小功率快响应探测器，部有现成的仪器，承受高功率的切割器头和从狭缝中引入光束的衰减方法为本发明的核心技术。

切割头由无氧紫铜为材料。狭缝两旁受光的反射面电镀0.1mm厚(13)纯金，使其仅承受∠2％左右的光束功率。在受光反射面下部均有高速水冷。将接受的热量快速转移，使受光面的热滞溜达不到破坏域值，能承受的功率密度＞20kW/cm²。未进入狭缝的光，或从切割头两侧通过后被光闸吸收，或被受光反射面反射到其上方的吸收槽斗中被吸收掉。受光反射面与平行光轴的狭缝夹角略小于90°，呈刀口状。角度的大小，由所测光斑大小的范围所定。如角度小，两吸收收槽斗距离拉开，就可测光斑直径范围增大，角度过小刀口易烧毁。

进入狭缝的光，在狭缝中被衍射使功率密度被疏散，狭缝的衍射作用取得衰减功率密度的第一步，特别是从狭缝侧壁衍射透出的光，功率密度被降低后进入扩散室进一步被室壁吸收衰减，达到第二步衰减，扩散室可根据不同波长激光采用不同的吸收面。最后反射的杂散光被探头接收，并可通过探头前方增设衰减片调节适合探头的功率接收范围。对光束为0.3-1.6μm波长的激光探头可用硅光电管。对0.3-25μm的波长可用热解探头等探测传感器。垂直射入狭缝的光，通过狭缝后被正对着的镀金三角形反射齿条反射到弧形黑吸收测壁上其热量也被冷却水带走，避免再直接反射到激光器窗口镜片上。

本发明的切割器在光轴垂直平面上的移动，可由步进电机平稳带动。由初始信号和终止信号间的时间与移动速度的乘积直接显示径值(测距)。也可用手动操作通过游标刻度尺测得径值。通过前述原理公式θ_σ、K、M²均可确定。

本发明的附图1为激光束径切割器的结构示意图。