[发明专利]采用具有至少5mm 的边缘厚度的ZnS 透镜的激光聚焦头和激光切割装置以及使用这样的聚焦头的方法

说明书

技术领域

本发明涉及固态激光器中使用的特定光学配置，更具体地说，涉及用于控制焦点漂移以及聚焦头的光学部件的激光损坏问题的光纤激光切割头并且涉及装配了这样的聚焦头的激光装置，更具体地说是镱掺杂的光纤激光器装置。

背景技术

不同于如Nd:YAG激光器的固态激光器，新一代固态激光器，如光纤或盘形激光器，受益于具有极佳品质因数或BPP(光参数乘积)的几kW级功率的发展和组合。

除了这些激光器凭借的适合用于切割金属材料的特性外，在此情况下，其具有比CO₂激光器(10.6μm)的波长更短的波长(1.07μm)，能够更好的被金属吸收并且被光纤传输，具有更小的总尺寸和更高的可靠性，其高亮度明显的提高了切割金属或非金属材料的性能。

典型地，光纤激光器切割装置包括激光源和用于传输激光光束到达切割头的光学器件，切割头又称作聚焦头，其将光束聚焦到要切割部件的厚度中。

激光源是镱(Yb)掺杂光纤激光器，装配了至少一个光束输送光纤，并且切割头包括光学准直、重新导引和聚焦装置以用于将聚焦的激光束传导到要切割的部分。

激光切割头的如聚焦透镜的光学器件必须耐受高表面功率密度，功率密度依赖激光源的特性和光学部件上的光束的直径而典型地在1和10kW/cm²之间，并且在损坏它们的污染的环境中操作时可以维持该耐受。

在连续发射激光模式中，光学部件的损坏一般地表现为光学部件性能的逐渐劣化，最初没有可见的损坏，劣化本质上来源于热现象。

具体地，光学部件的表面涂层和基板的残余吸收导致光学部件的非均匀加热并且产生热应力，特别在诸如透镜的传输部件的情况下。这些机制影响激光光束的参数和质量并且在长期辐射之后，可能引起光学部件劣化：出现烧痕，涂层分层等。

切割头光学部件的加热还会引起光束焦点因热致透镜效应(thermal lensing effect)而导致DF漂移，又称为焦点漂移，如图1所示。当透镜1被暴光时，其中心处被沿光轴(AO)传输的高功率准直光束2加热，然而其边缘是较冷的。在透镜1中产生径向热梯度。透镜1接收的功率密度越高此梯度的量级越大。此热梯度在材料中产生折射系数的梯度。结合透镜1的材料的热膨胀效应，此现象改变了透镜的有效曲率半径并且改变了其聚焦特性。位于与透镜相距F处的光束的初始焦平面(PFI)沿光束的传播方向移动，变为更靠近聚焦透镜1的距离F’，直到其到达移位的焦平面(PFD)。然后初始聚焦的光束(FFI)传入到具有低切割特征的移位的焦平面(PFD)。

环境对光学部件的表面污染，即，灰尘，金属溅污或潮期以及其老化是增加透镜的吸收和加热逐渐恶化的因素，导致焦距漂移程度随时间增加。

现在，从切割速度，切割质量-即笔直性，光滑度和无毛刺切割面-以及对工艺操作参数的容差等方面评估工业激光切割工艺的性能特性。

光纤激光器切割工艺对光束的焦点相对于被处理部分的表面的位置变化很敏感，更具体地说，在切割很厚的板材，即具有4mm或更大的厚度的板时。焦点位置容许的容差通常为±0.5mm。如果激光光束的焦点位置的变化超出了容许容差，则其不能保持最佳切割性能。

因此，一种解决方法是寻找新的切割参数以补偿焦点漂移，或者更换光学部件的聚焦头。作为结果，工业自动化工艺的生产率下降。

当焦点位置在切割操作期间改变时，会导致从一个部分到另一个部分或者甚至是相同部分的一个面到另一个面的切割性能不同，因而会出现一个严重问题。

上述现象显示，切割工艺的性能的持久性强烈依赖于用于传播激光光束的光学器件的阻抗。因为焦点位置是光纤激光器切割工艺的重要参数，光束的焦点位置必须尽可能稳定并且其任何漂移都应该保持在容许容差之内。在高功率下光学元件经受的热变形必须最小化以防止它们被破坏。在选择构成激光切割头的聚焦系统的光学部件时，必须考虑到所有这些要求。

出现的问题是切割使用的高亮度激光光束的传输很困难。获得的激光的功率水平不断提高，但是光学器件的阻碍限制了可以用于切割的功率水平。这是因为高亮光束的特征是其与极佳品质因子的结合的高功率水平，即，低BPP值，例如约0.33mm.mrad。这导致聚焦头的光学部件表面上的极高的功率密度以及热梯度和变形的增加。同样还发现，光学材料抵抗激光损坏的能力在高亮度激光下比在常规CO₂激光下差，因为前一激光的波长更短，对存在于基板和光学元件的表面涂层中的缺陷更敏感，会引起局部过度升温。