1 引言

根据加工工艺和材料特性,激光加工的工作面并不都是焦平面,有时需要离焦。离焦量是指焦点距工作面的距离,当焦点位于工作面之上时,称为正离焦,反之为负离焦。若焦点位置不同,则工作面的光斑直径和离焦量不同^[1-2]。光斑直径决定了激光功率密度的大小,离焦量改变的是热源模型^[3],两者均会影响加工质量。不同材料和不同的加工方法所需的离焦量不同^[4-10],例如,在激光选区熔化(SLM)成形和激光焊接过程中,通常负离焦产生的熔深更大^[11]。此外,在SLM、激光选区烧结(SLS)和激光微加工等激光加工装备的光路中,由于f-theta聚焦镜与工作面之间的距离在激光加工过程中无法改变,要获得不同的离焦量,通常采用调整扩束镜两镜之间的镜间距来实现。此外,受机械加工精度和装配的影响,扩束镜镜间距难以达到理想的两镜焦距之和,两个镜片的平行度也难以达到理论上的平行。因此,为了解激光加工参数对加工质量的影响,研究扩束镜的镜间距和倾斜度对激光聚焦特性的影响具有重要价值。

2007年,Bae等^[12-13]通过电机驱动改变扩束镜镜间距来获得不同大小的聚焦光斑,以满足同一零件不同部位尺寸的加工要求,从而提高工业SLS系统的加工效率,但是并没有给出扩束镜镜间距与光斑尺寸之间的具体关系。2010年,许宝忠等^[14]研究了扩束镜两镜相对移动时系统等效焦点的变换规律,基于此搭建了三维激光标刻系统,以实现自由曲面上标刻的一致性,但仅研究了扩束镜镜间距的增加对激光聚焦特性的影响。2011年,张合勇等^[15]通过调整扩束镜正负透镜间距来研究激光远场聚焦特性。李文成等^[16]设计了用于远距离激光跟踪瞄准系统的激光扩束镜,研究表明当扩束镜镜间距发生微小偏移时,出射光束的束腰位置和束腰半径发生明显变化,即出射光束的准直性对扩束镜两镜焦点的偏移非常敏感。2013年,Eberle等^[17]通过使用镜间距可变的动态调焦扩束系统,提高了激光微加工中激光的穿透深度,并使用ZEMAX软件对系统进行了仿真。

综上,扩束镜镜间距改变对系统的焦移、聚焦光斑尺寸和出射光束的准直性有很大的影响,但目前有关激光加工系统中的扩束镜镜间距对激光聚焦特性的影响研究几乎是空白,并且尚未出现关于镜片倾斜度对聚焦特性影响的研究。本文使用ZEMAX软件系统地研究了扩束镜不同镜间距和倾斜度下的激光聚焦特性,获得离焦量和工作面光斑能量分布随扩束镜镜间距和倾斜度的变化规律。

2 ZEMAX光路仿真

2.1 序列模式

图1为典型的激光加工光路系统原理图,其中,扩束镜由一个焦距为f_a的负透镜L_a和一个焦距为f_b的正透镜L_b组成。激光束经扩束镜后到达聚焦透镜,经聚焦透镜聚焦后到达工作面,f-Theta聚焦镜与工作面之间的距离h在激光加工过程中是固定不变。若光路系统的焦距为f_L,Δf(Δf=h-f_L)为离焦量,Δf>0为正离焦量,Δf<0为负离焦量。对于基模高斯光束,聚焦光斑直径w满足

w=2.44λfL/D,(1)

式中D为入瞳光束直径,λ为激光波长。为减小聚焦光斑直径,一般采用扩束镜来扩大入瞳光束直径D^[18-19]。扩束镜是激光加工光路的重要组成部分,其本质上是一对共焦点光学透镜,相当于倒置的望远镜系统^[20]。

图 1. 激光加工光路系统示意图

Fig. 1. Optical system diagram for laser processing

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激光加工设备常用的扩束镜包括开普勒法设计的透射式系统,由两片凸透镜组成,如图2(a)所示;伽利略法设计的透射式系统由一片凹透镜和一片凸透镜组成,如图2(b)所示^[21]。定义扩束镜两镜焦点重合处为初始状态,对应的镜间距为初始值,此时的焦距值为聚焦镜到工作面的距离,离焦量为0。镜间距的增大或减小均会使两镜焦点间距增大。由于ZEMAX的序列模式适用于成像系统的设计,因此选择该模式进行焦距的测量。

图 2. 激光加工中常用的扩束镜。(a)开普勒式系统;(b)伽利略式系统

Fig. 2. Beam expanders commonly used in laser processing. (a) Kepler system; (b) Galileo system

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以激光加工系统的扩束镜为例,已知该光路系统的扩束镜为伽利略透射式系统,其初始镜间距为26.1 mm,入射光束直径为5 mm,放大倍数为4。在序列模式下经建模和优化得到的光路系统如图3所示,其由扩束镜、反射镜和聚焦镜组成,表1给出了系统参数。图3中序号2~9与表1中Surface的编号相对应,表示光学元件表面的编号。经测试发现,无论是否在扩束镜(第6面)之后插入反射镜,优化所得系统的焦距不变,因此为了简化设计,在非序列模式下设计的光路系统将不含反射镜。

图 3. 序列模式下的光路系统示意图

Fig. 3. Schematic of optical system with sequence mode

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2.2 非序列模式

ZEMAX的非序列模式适用于照明系统的设计,因此选择该模式进行光斑能量分布的测量。对应表1,在非序列模式下设置光路系统各元件的参数如表2所示。表中,Reference object的编号与Item的编号相对应,表示不同光学元件的编号,0表示z轴原点。z_position指在z轴上以参考物体的前表面为原点,自身前表面的坐标。非序列模式下的光路系统如图4所示,其中序号②~⑧与表2中Item的编号相对应,表示光学元件的编号。分别在入射光处、扩束镜后以及工作面上设置了编号为2,5,8的三个探测器(Detector rect),用来测量光斑的能量分布。

图 4. 非序列模式下的光路系统示意图

Fig. 4. Diagram of optical system with non-sequence mode

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3 测量结果及分析

3.1 镜间距和倾斜度改变对离焦量的影响

将聚焦镜最后一面到像面的距离(表1中第9面的厚度)设为变量,即所求的焦距值,其他参数设为固定值。改变扩束镜两镜的间距值(表1中第3面的厚度),变化范围为-2~2 mm,每隔0.2 mm取一点进行测量。根据初始的间距和焦距计算出扩束镜镜间距变化量和离焦量,两者之间的关系如图5所示。通过线性拟合,求得离焦量与镜间距变化量的函数关系为

Δf=4.372Δd,(2)

式中Δd为间距差,拟合优度R²=0.99923。拟合结果表明,从初始位置A(0,0)起,随着扩束镜镜间距的增大,正离焦量线性增大;随着扩束镜镜间距的减小,负离焦量线性增大。

图 5. 离焦量随扩束镜镜间距的变化

Fig. 5. Relationship between defocusing amount and distance between beam expanders

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图6为扩束镜倾斜角示意图,由于透镜关于光轴(z轴)呈中心对称,因此选取绕x轴顺时针方向的旋转为研究对象。实际调节过程中,扩束镜倾斜度的变化很小,因此角度变化范围选择0°~5°。改变扩束镜负透镜的倾斜度,每隔0.5°测量一组数据。以0°时的焦距为初始值计算出离焦量,测量结果如图7所示。由图7可得,随着透镜偏转角度的增加,系统的负离焦量增大。当偏转角度增加至5°时,离焦量变化了0.05 mm。

图 6. 扩束镜倾斜角示意图

Fig. 6. Schematic of tilt angle of beam expander

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图 7. 焦距、离焦量与扩束镜倾斜度的关系

Fig. 7. Relationship among focal length, defocusing amount and tilt angle of beam expander

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3.2 镜间距和倾斜度改变对工作面光斑能量分布的影响

对应序列模式下所取的不同间距,改变表2中4号透镜的z_position,记录各探测器上的光斑能量分布情况。8号探测器的z_position保持初始值不变,表示聚焦镜与工作面的间距固定。为避免扩束镜倾角改变导致后续元件随之发生偏转,在测量扩束镜倾斜度的影响时,需先将所有元件的参考物体设为0。参考物体改变后,各元件的z_position需要重新设置,如表3所示。改变3号元件(即系统的第1个透镜)的倾斜度,使其变化范围为0°~5°,每隔0.5°记录各探测器上光斑的能量分布情况。

表4给出了非序列模式下初始位置时三个探测器上光斑的能量分布情况,经拟合得到:

1) 对于2号探测器,R²=0.99993,其能量分布表达式为

E(x,y)=-0.03+14109.53exp-12x+0.031.002-12y-0.331.002;(3)

2) 对于5号探测器,R²=0.99897,其能量分布表达式为

E(x,y)=3.93+1356.08exp-12x-0.152.892-12y+0.152.892;(4)

3) 对于8号探测器,R²=0.9982,其能量分布表达式为

E(x,y)=-974.80+2.56×107exp-12x-0.040.062-12y+0.010.062。(5)

三者均为高斯分布。

3.2.1 对光斑直径和峰值功率的影响

非序列模式下测得扩束镜不同镜间距变化量下光斑直径与峰值功率的关系曲线如图8所示,由图可知:在初始位置(d=26.1 mm)处,光斑直径达到最小值0.056 mm,峰值功率达到最大值31142 W·cm^-2。随着扩束镜镜间距的增大,工作面上光斑的直径增大、峰值功率迅速下降后趋于平缓,且两者的变化趋势关于初始位置对称。

图 8. 峰值功率、光斑直径与扩束镜镜间距变化量的关系

Fig. 8. Relationship among peak power, spot diameter and distance between beam expanders

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图9给出了峰值功率、光斑直径与扩束镜偏转角度之间的关系。随着透镜偏转角度的增大,工作面上光斑的峰值功率迅速减小并趋于平缓,变化范围处于同一数量级上;光斑的直径呈线性增加,当偏转角度从0°增加至5°时,光斑直径增大了0.04 mm。

扩束镜镜间距改变对光斑直径和峰值功率的影响远大于倾斜度改变所带来的影响,原因在于镜间距改变导致系统焦平面远离工作面,而倾斜度改变时,焦平面与工作面仍存在交集。

图 9. 峰值功率、光斑直径与扩束镜偏转角度的关系

Fig. 9. Relationship among peak power, spot diameter and tilt angle of beam expander

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3.2.2 对光斑位置的影响

由图10(a)可看出,随着镜间距的变化,光斑中心的位置不变,始终在xy平面坐标的原点处,即探测器的中心。由图10(b)可看出,随着透镜的偏转,光斑中心在探测器上移动,当倾斜度从0°增加至5°时,光斑中心的位置向y轴负方向移动。由于透镜关于光轴(z轴)呈中心对称,当透镜绕x轴顺时针旋转时,工作面上的光斑沿y轴向负方向移动;当透镜绕x轴逆时针旋转时,光斑沿y轴向正方向移动;当透镜绕y轴旋转时同理。当顺时针和逆时针旋转相同的角度时,两者中心的位置关于坐标原点对称。图10(c)给出了扩束镜倾斜度与工作面上光斑中心位置的关系曲线,拟合得到

y=-0.07435x,(6)

式中y为位移,x为倾斜角,R²=0.99973。

综上,扩束镜镜间距和倾斜度的改变对激光聚焦特性有较大影响,直接影响激光加工质量,并且镜间距的影响更为显著。倾斜度改变引起的光斑位置变化会使激光扫描线位置发生改变,相当于加工区域整体发生位移。

图 10. (a)不同镜间距下工作面光斑能量分布;(b)不同倾斜度下工作面光斑能量分布;(c)光斑中心位置与扩束镜倾斜度的关系

Fig. 10. (a) Distribution of spot energy at different lens distances; (b) distribution of spot energy at different tilt angles; (c) relationship between spot center position and tilt angle of beam expander

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4 实验验证

实验所用的设备为华中科技大学武汉光电国家实验室自主研发的SLM-300型激光选区熔化成形设备,该装备的激光器为IPG公司的500 W连续光纤激光器,其扩束镜参数与模拟所用参数相同。采用倾斜钢板法验证扩束镜镜间距对离焦量的影响,实验装置及方法示意图如图11(a)、(b)所示。激光从钢板较低一端向较高一端沿直线扫过,扫描路径垂直于钢板底边。调节光路系统中扩束镜镜间距,每隔0.2 mm在钢板上扫描出相邻的两条线段。通过观察发现激光扫描后在钢板上烧蚀出的痕迹为中间细且向两端逐渐变粗的线段。激光焦点处的光斑尺寸最小,烧蚀的痕迹最细,因此在线段的中部作一个标记,使其尽可能地接近线段中点,借助显微镜找到焦点位置,利用几何关系式

N=L2-L1,(7)F=D-N2+82,(8)

计算出焦距值F。图11(c)为实验测得离焦量与扩束镜镜间距变化量之间的关系曲线,由图可得两者呈线性关系,拟合得到

Δf=4.4496Δd,(9)

式中Δd为间距差,R²=0.99221。与仿真测得的关系式[(2)式]对比发现,实验与仿真所得规律基本相同。

图 11. (a)测量焦点位置实验装置示意图;(b)测量方法示意图;(c)实验测得离焦量与镜间距变化量的关系

Fig. 11. (a) Schematic of experimental setup for measuring focus position; (b) schematic of measuring method; (c) relationship between defocusing amount and lens distance measured in experiment

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图 12. 测量光斑能量分布实验装置示意图

Fig. 12. Schematic of experimental setup for measuring spot energy distribution

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采用激光在钢板上烧蚀点的方法测量光斑模式,进而验证扩束镜镜间距变化对工作面光斑能量分布的影响规律。实验装置示意图如图12所示,将钢板平放于基板上,调整基板高度使钢板上表面与工作面等高。调节光路系统中扩束镜镜间距,每隔0.2 mm在钢板上烧蚀一点,移动钢板位置避免烧蚀点重合,每点的烧蚀时间相同。利用KEYENCE VHX-1000C超景深三维显微镜对烧蚀点进行观察。图13给出了部分镜间距变化量对应的烧蚀点能量分布情况,观察发现不同镜间距对应的光斑能量分布均为基模高斯分布,该结果与仿真结果相吻合。

图 13. 不同镜间距下光斑能量分布。(a) Δd=1.0 mm;(b) Δd=0.2 mm;(c) Δd=-0.2 mm;(d) Δd=-1.0 mm

Fig. 13. Distributions of spot energy under different lens distances. (a) Δd=1.0 mm; (b) Δd=0.2 mm; (c) Δd=-0.2 mm; (d) Δd=-1.0 mm

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5 结论

使用ZEMAX软件对激光加工中常用的光路系统进行了建模,采用序列模式与非序列模式相结合的方法进行测量,研究了激光扩束镜镜间距和倾斜度改变时,离焦量和工作面光斑能量分布的变化规律,最后通过实验验证了该规律的正确性。得到的结论如下:

1) 离焦量与扩束镜镜间距变化量呈线性关系,即从扩束镜两镜焦点重合的初始位置起,镜间距减小,则负离焦量增大;镜间距增大,则正离焦量增大。光斑的位置不随镜间距的改变而变化,光斑中心始终在光轴上。因此,在实际生产中可通过调节扩束镜镜间距来满足不同加工材料和工艺对离焦量的不同需求。

2) 随着扩束镜倾斜度的增大,负离焦量增大,其变化幅度给加工质量带来的影响小于镜间距所带来的影响。随着扩束镜的偏转,光斑中心向扩束镜偏转后镜面正对的方向移动,例如:当扩束镜绕x轴顺时针旋转时,工作面上的光斑向y轴负方向移动。光斑的位移量与偏转角度呈线性关系。因此,倾斜度的改变会使加工区域整体产生位移,在实际生产中应尽量提高光路镜片的安装精度,以减小其对加工质量的影响。

3) 光斑的模式不随扩束镜镜间距和倾斜度的改变而变化,始终为基模高斯分布。