江苏激光联盟导读：

采用新的方法进行实时探测缺陷的存在与否对终端用户提高材料的加工质量、提高加工效率、减少浪费和在制造时获得更好的整体精益的生产体验。

 

从激光切割钢板到在硅材料上打孔以及在塑料上进行打标，目前使用高功率激光可以在很多材料上进行加工。每一个增加的用途都存在要求不断提高产能和减少浪费的需求，从而要求激光加工过程必须是稳定的和可以预测的。因此，对于工业来说，同任何其他的用于精密制造的工具一样，必须可以高度的监控以获得最佳的性能。

 

 

 

纪念激光器诞生60周年

 

 

广告股神5万入市，如今身家过亿，爆红整个网络！图1 高功率激光的光束轮廓的测量和分析

 

 

从历史观点上说，高功率激光的光束轮廓的测量和分析需要花费几万美元来购买专门的设备。在最近，可以替代这一传统的光束分析仪的方案是高分辨率的CCD相机，这一CCD相机具有价格低廉和测量迅速的特点。CCD相机捕获光束的详细的信息，如光斑尺寸、光束质量以及光束的稳定性，该CCD相机是以摄像的形式进行的，并且这一技术还可以监控激光加工时的产品质量。此外，应用这类相机还可以减少成本和为进行过程监控和维修所需要的激光装备系统的投资的减少和提高质量开辟一个新的道路（见图2）。

 

 

 

图2 利用软件来捕获6-KW 光纤激光的4个特征图解：4-s 脉冲 (a) 以及激光束的束腰，包括静态（蓝色）、动态（绿色），显示聚焦的光斑位置n (b). 四条曲线分别表示几个不同的测量得到的激光特征的绝对值 (1); 激光的1D轮廓显示的是能量沿着工作平面的分布情况(2); 在焦平面在4 s内向前移动大约8.4 mm时随时间变化测量得到的关系 (3); and the increase in the beam size at the work plane 在工作平面光斑直径增大的结果(4). 增加光斑直径使得其激光功率在 4-s 降低到功率密度的41%

 

由于高功率激光的材料加工在使用时存在巨大的挑战，对OEMs和用户来说，积极主动的检查和改善光束质量是非常重要的，并同时深刻理解以相机为基础的光束轮廓分析则同样带来巨大的好处（见图3）。

 

 

广告重磅消息：两大“利空”杀伤A股，明日或面临巨震！

 

图2 采用CCD相机进行测量以揭示没有（打开的图像）和有（上图）质量问题时的聚焦光斑的光束轮廓

关注的光束参数

许多激光参数在整个激光设备的生命周期中都是非常重要的参数，并且存在许多不同的测量方法来进行测量。例如，激光光束质量的测量，像M2, BPP (光束参数乘积，beam parameter product), 瑞利长度（Rayleigh length） ，都是在发展激光光源的过程中极端重要的参数。然而，这些参数的测量并不意味着在激光产品制造出来之后并不会 多次进行测量。与此同时，测量诸如激光功率和光斑尺寸也是非常重要的，这对理解和掌握激光在整个生命周期的性能至关重要。这是因为关于激光功率密度的测量存在两个定义，见图4。

 

 

图4 光斑焦点尺寸和功率密度之间的关系，当聚焦的光斑直径为一半大的时候，会导致强度最大4倍

功率密度定义为激光的量在材料加工的时候在光斑尺寸上的分布。它是激光以每平方分米面上的W数为特征的一个参数（单位为W/cm2），这一参数测量的是激光如何与材料加工时相互作用的一个量。理解了这一特征，对于激光的成功应用非常重要。

有助于减少设备的投资

在传统的制造过程中，准备好的部件先进行质量检查，然后将质量有问题的部件给予抛弃。随着数字化技术的发展和当今绿色制造的趋势的发展，理解激光系统是如何工作的和对激光工作时的参数进行经常性的测量，如光束的参数和功率密度等就比以往任何时候显得更为重要。CCD相机可以捕获在部件加工过程中的这些特征并且能够使得制造商发现问题，从而防止或极大的减少激光在加工过程中的性能表现。采用CCD相机对激光的性能进行追踪观察，也可以在激光加工的过程中实现。

即使是采用可以承担得起费用得测量方案，激光制造商面临着矛盾的选择，投入巨资在激光系统上，而这些激光系统却在运行得过程照顾你没有保护，因为没有测量技术来支持其在精准得状态下运行，因为现存在测量技术要么太过复杂、要么测量费用太过昂贵，根本不实用。现实是，然而，投资相对较少的激光测量技术又极端的脆弱，不太实用。当从终端用户的投资角度的保护出发，测量技术需要实实在在的具有投资省和运行方便、稳定的特点（见图5）。

 

图5 工业激光加工中的激光聚焦质量和每一部件的花费 关系图

 

更多的公司正在寻找更负责任地消耗能源 的途径。他们分析和将他们的产品进入流水线以减少产品的制造时间和材料的消耗。然而，对于激光系统的测量这一块依然存在障碍。主要原因是：1)测量设备的投资；2)测量设备的运行比较困难以及还存在可能损毁或损坏的风险；和/或3)测量的时候还存在需要花费时间的问题，尤其是，当这个花费的时间是需要牺牲产品制造的时间的时间。然而，从内心中深刻理解影响激光加工效率的因素的相关知识，并使得分析系统的性能变得容易和自然是非常重要的。

测量高功率激光

一般来说，用以测量高功率激光性能的方法有三个。第一个是激光光束的轮廓测量，包括两个最常见的使用了20多年的测量手段：利用低功率和中等功率的激光来扫描狭缝光束轮廓仪 ，并且利用高功率扫描扫描的只有针孔大小的尖端。这时样品中会分配到一定比例的激光并代表单一元素的探测器而存在。另外该类测量方法中的另外两个测量手段则是，旋转或者平移扫描针孔而制造出2D的光束图像。这一测量方法需要较大尺寸的设备并且具有可移动的机械装置、水冷装置、对操作比较熟悉的操作者，同时还需要有足够的时间来完成测试。由于这一设备相对来说比较昂贵而且维护费用也不低、测量的效率也比较低，使得这一技术在实际生产制造环境中并不实用。。

第二个测量方法是一种新的技术，包含一个非直接或者非接触的测量系统，该系统不需要同激光束相接触。这一技术是基于光束的瑞利散射光从侧边进行成像的原理，并且实时测量整焦点周围的光束散焦度。这一技术在工业中应用的时候属于首先，并且该技术可以测量整个光束的散焦度，而且时间分辨率比较高，采用视频进行采集，见图6所示。

 

图6 新颖的基于瑞利散射的无接触光束测量技术

 

第三种测量技术则属于将高功率激光束的测量给进一步的进行了发展，增加了测量速度和降低了测量成本。这一先进的激光束测量技术可以直接、快速、低成本、低功率、一次照射，而且采取的是同CCD光束轮廓仪相类似的办法，结合 光强衰减的程度来进行测量。这一办法包括专门用于光束分析的光强衰减测量系统，整合双取样光学元件和在聚焦的光束到达相机之前的光束衰减的中性密度滤光镜。这一系统的光束分离器设计成为高功率激光所用，测量范围为NIR (1000 to 1100 nm)聚焦或准直激光束轮廓 ，可以高达 5 kW or 15 MW/cm2。

使用这一技术，这一低成本的系统可以提供常用的 2D 和 3D光束轮廓，同时具有在一定的时间内进行图形的图像集成 和获得动态的、视频速率的全光束轮廓方面具有快速测量的能力，见图7。

 

图7 紧凑型的，以相机为基础的测量聚焦光斑光束的分析仪器

 

工业4.0技术的发展需要在制造的过程中将产品从两个或者更多的工艺流程中进行移动，包括定位和在最后阶段对低质量的产品进行分离。在实际生产中，例如焊接的缺陷，就比较难以发现。并且，如果存在焊接缺陷，就会对部件的使用造成灾难和 经济损害。而且，此时抛弃该部件还存在巨大的经济浪费。随着最近的数字化技术的发展，新的技术将会简化排除质量不佳的部件的过程。因此，在优化的性能的条件下操作激光器对所有的质量改善来说至关重要，如部件的质量、整个产品的制造能力、次品率的下降、成本的节约等。

更紧密的过程 控制需要更多的更高频率的捕获工艺数据。测量功率密度是理解激光材料工艺过程中光束性能的关键。焦平面的迁移对输送的激光能量密度具有十分重要的影响。因此，快速的测量系统来捕获数据就是非常必要的。这一实时的测量和快速的捕获数据将会在保证产品制造周期同一和改善提高这些方面非常必要。

CCD相机是一款非常低廉同时也是快速的解决激光光束轮廓的利器，对波长为UV到NIR范围内的激光在测量系统的低功率的输出前提下进行测量均十分方面。结合光束衰减的影像技术可以制造出快速和容易的光束轮廓分析仪器，可以克服激光光束监控的主要障碍，如时间设置、测量的时间等。该技术支撑着高质量的监控。监控功率密度的趋势对保证加工在窄的工艺窗口进行稳定工作和在优化的工艺条件下工作非常有益。这节约了能源和提高了产品质量。相机为基础的轮廓技术开辟了一个新的自动测量技术

关于本文作者：

Christian Dini是一位位于Ophir的全球业务发展 的主人。他从达姆施塔特应用科技大学获得工程学学位， email邮箱为: christian.dini@mksinst.com.

John McCauley 是一位位于Ophir 的汽车大客户经理， 他在印第安纳理工学院获得BSBA; email: john.mccauley@mksinst.com.

 

来自：Ophir 翻译整理：江苏激光联盟