在激光加工三大應(yīng)用中，激光打標(biāo)作為一個(gè)普遍性廣、低門(mén)檻的行業(yè)，最先進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，并得到快速的發(fā)展。為了在激光打標(biāo)這片紅海區(qū)凸顯出自己獨(dú)特的產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)，創(chuàng)鑫激光繼推出一系列小于100W的脈沖光纖激光器之后，又推出了100W-300W脈沖光纖激光器。但在中高功率的脈沖光纖激光器應(yīng)用中，熱透鏡效應(yīng)是不可避免的。

一、熱透鏡效應(yīng)

光學(xué)元件受激光束連續(xù)照射較長(zhǎng)時(shí)間后，由于溫度升高產(chǎn)生熱變形，進(jìn)而引起透過(guò)型光學(xué)元件的折射率和反射型光學(xué)元件的反射方向發(fā)生變化。熱透鏡效應(yīng)會(huì)改變激光焦點(diǎn)（束腰）的位置，進(jìn)而影響應(yīng)用效果。

對(duì)于脈沖光纖設(shè)備，激光從激光器的隔離器（透過(guò)型）輸出后，主要經(jīng)過(guò)紅光合束鏡片（透過(guò)型）、振鏡（反射型）和f-θ場(chǎng)鏡（透過(guò)型）這些光學(xué)元件。由于透過(guò)型光學(xué)元件的熱透鏡效應(yīng)更明顯，因此接下來(lái)主要針對(duì)激光器、紅光合束鏡片與場(chǎng)鏡做相應(yīng)分析。

二、熱透鏡效應(yīng)的影響

產(chǎn)生熱透鏡效應(yīng)時(shí)，光學(xué)元件受熱膨脹，出現(xiàn)聚焦能力變強(qiáng)，聚焦光斑尺寸變小，焦距和焦深變短現(xiàn)象。這些現(xiàn)象的產(chǎn)生，最終會(huì)造成打標(biāo)不穩(wěn)定，影響打標(biāo)效果。通過(guò)脈沖光纖激光器的幾個(gè)典型應(yīng)用分析熱透鏡效應(yīng)的影響：

1．氧化鋁打黑：

發(fā)生熱透鏡效應(yīng)時(shí)，焦距變短，材料表面能量密度降低，氧化鋁打不黑，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)中心和邊緣效果黑度不一致現(xiàn)象。

2．金屬深雕：

金屬深雕一般使用焦距（焦深）短的場(chǎng)鏡，當(dāng)高功率深雕時(shí)，由于熱透鏡效應(yīng)，材料處能量密度迅速下降，造成金屬打雕不深。由于光學(xué)元件中心比邊緣膨脹大，出現(xiàn)中心淺，四周深現(xiàn)象（深度不一致）。

3．薄片切割：

根據(jù)不同的材料，脈沖光纖激光器切割薄片通常采用單次慢速或多次快這兩種方法。熱膨脹與冷卻回縮可以在很短時(shí)間（＜1S）內(nèi)發(fā)生，因此切割時(shí)出現(xiàn)起始位置可以切穿，其它位置切不穿材料。

4．金屬薄片焊接：

對(duì)于高功率脈沖光纖激光器焊接金屬薄片（＜0.6mm），通常采用圓形螺旋線填充的方式焊接。熱透鏡效應(yīng)會(huì)造成焊點(diǎn)大小不一致，拉拔力不夠。

 

三、熱透鏡效應(yīng)的測(cè)量

不同材質(zhì)的光學(xué)元件，熱膨脹系數(shù)不一樣，因此對(duì)于不同配置的激光系統(tǒng)，應(yīng)用于不同的材料，熱透鏡效應(yīng)的程度都不一樣。既然熱透鏡效應(yīng)不可避免，那么將熱透鏡程度進(jìn)行量化，設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)就顯得極其重要。焦距的變化反映出熱透鏡的程度，下面通過(guò)兩種方法去測(cè)量焦距的變化：

1．調(diào)焦法：

 

優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)單，可以大致測(cè)量出焦距變化量

缺點(diǎn)：由于焦深的存在，高度F1與F2存在一定的誤差，因此焦距變化量L不太準(zhǔn)確，可以通過(guò)多次測(cè)試減小誤差；高功率下打標(biāo)，光太強(qiáng)，不易重新找到焦點(diǎn)位置

 

2．打標(biāo)效果測(cè)量法： 

 

測(cè)試方法示意圖

通過(guò)如下操作，可以測(cè)出各個(gè)光學(xué)元件熱透鏡的程度：

熱透鏡元件	激光器、紅光合束鏡片、場(chǎng)鏡	激光器、場(chǎng)鏡	場(chǎng)鏡	激光器	紅光合束鏡片
測(cè)試方法	正常測(cè)試	去除合束鏡片后正常測(cè)試	去除合束鏡片，在振鏡之前將光擋住，90%功率加熱準(zhǔn)直器3min后正常測(cè)試
焦距變化	L	L1	L2	L1-L2	L-L1

 

打標(biāo)效果圖

 四、熱透鏡效應(yīng)的改善

功率越高或標(biāo)刻高反材料，光學(xué)元件受熱膨脹越迅速，熱透鏡越明顯。改善熱透鏡，可以在激光器、場(chǎng)鏡和紅光合束鏡片三方面著手：

1．激光器：

準(zhǔn)直器的光學(xué)透鏡使用石英材料，減小熱膨脹系數(shù)；定期清潔激光器輸出頭的保護(hù)鏡片，避免雜質(zhì)污染。

2．場(chǎng)鏡：

使用中高功率（≥100W）脈沖光纖激光器，建議場(chǎng)鏡選用復(fù)合材料或石英材料；定期檢查和清潔場(chǎng)鏡的保護(hù)鏡片，避免雜質(zhì)污染或損傷。

3．紅光合束鏡片：

創(chuàng)鑫激光100W-300W脈沖光纖激光器，采用激光器內(nèi)置紅光輸出，紅光與激光互不干擾，近似重合，方便調(diào)試。紅光內(nèi)置，不需要外接紅光，避免了紅光合束鏡片熱透鏡對(duì)應(yīng)用效果的影響。對(duì)于必須使用紅光合束鏡片的設(shè)備，應(yīng)挑選膜通透性好的鏡片；定期檢查和清潔合束鏡片，避免雜質(zhì)污染或損傷。

100W-300W脈沖光纖激光器
 

五、創(chuàng)鑫脈沖光纖激光器

創(chuàng)鑫激光100W-300W脈沖光纖激光器采用風(fēng)冷方式，具有高功率、理想的光束質(zhì)量、免維護(hù)、高光電轉(zhuǎn)換效率等特性，可用于不銹鋼、碳鋼、鋁、銅深雕，金屬薄片焊接、切割，金屬表面除銹清洗，在3C標(biāo)記、五金加工、動(dòng)力電池極耳切割、電子元器件焊接等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。