0 引言

　　激光加工是將激光束照射到加工物體的表面，用以除去或熔化材料一起改變物體表面性能。激光對物體的加工不同于其他方法的最顯著的地方，就是它可以把光的能量通過聚焦集中在很小的面積上，使被照射物體瞬間接受極高的激光功率密度輻射，從而達到加工的目的。不同的加工方式要求不同，對激光束的聚焦采取的方式也不一樣。為了改善現(xiàn)有激光加工設備單一的加工功能，有效利用激光器，提高生產效率，對激光光束變換技術的研究尤其重要。

　　目前對光束變換已有多種實現(xiàn)方法，旋轉棱鏡由于其結構簡單，并可在一定范圍內產生近似的無衍射光束而備受關注。利用旋轉棱鏡光學系統(tǒng)可以實現(xiàn)多種形式的光束傳輸變換，例如，將實心橫截面光束變換為環(huán)狀光束、平面或徑向細環(huán)聚焦光束，或者作相反的變換，或者將高斯光束變換成無衍射光束等。其優(yōu)越的光束和能量變換特性使它在激光打孔、圓柱形工件熱處理、焊接、切片、高精度準直技術等激光加工應用領域都具有非常誘人的價值。

　　基于旋轉棱鏡幾何光學特性，采用正負旋轉棱鏡及聚焦透鏡組成的光學系統(tǒng)對激光光束進行變換研究。通過調整正負旋轉棱鏡間距實現(xiàn)對入射光束形狀及能量分布的控制，從而有效利用入射激光光束進行打孔、切割、焊接等多項加工。

　　1.旋轉棱鏡的原理

　　旋轉棱鏡最早由Mcleod提出，具有與普通球面透鏡不同的聚焦特性。圖1示出正負旋轉棱鏡的幾何結構。

　　當一束準直后半徑為r的激光束垂直入射到正錐棱鏡后，所有光線以等偏角β與z軸相交，形成連續(xù)的焦線。當旋轉棱鏡的錐角α較小時，發(fā)散角β近似為（n-1）α。在聚焦區(qū)域內，出射光線在空間上相互重疊，形成無衍射區(qū)域。當錐角較小，不計棱鏡厚度時，最大無衍射范圍可由下式給出：

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　　在無衍射區(qū)域內，光束為實心光束，其半徑為：

　　當時，出射光線不再重疊，形成環(huán)狀光束，環(huán)內徑隨著z的增大而變大，滿足：

　　環(huán)的寬度保持不變，在小錐角的情況下，與入射孔徑相等。

　　當一束準直后孔徑為r的激光束垂直入射到錐棱鏡后，所有光線以等發(fā)射角β偏離Z軸，光束變換為環(huán)狀光束，在小錐角的情況下，環(huán)內徑為：

　　環(huán)的寬度與傳輸距離z無關，為一常數(shù)。

2.組合系統(tǒng)的光束變換特性及實驗分析

　　當正負旋轉棱鏡及球面透鏡相結合，可實現(xiàn)多種光束的變換。如圖2所示，采用正錐棱鏡在前，負錐棱鏡在后的組合方式。該組合系統(tǒng)中兩正負棱鏡具有相同的錐角和折射率。在理論上具有嚴格的耦合特性。一束經過準直系統(tǒng)后的激光束入射到正錐棱鏡，光束發(fā)生偏折，而后經過與正錐透鏡距離為的負錐棱鏡，其出射光束的形狀和能量分布隨著d的變化而發(fā)生變化。

　　在實驗中，通過改變光闌的孔徑來改變入射到錐棱鏡上的通光半徑。選擇由BK7玻璃材料制成的旋轉棱鏡，錐角為  ，光學折射率n=1.4。入射孔徑為10mm，用幾何光學法估計最大無衍射距離。當d=0時，出射光束是與入射光束相同的實心光束，此時旋轉棱鏡組合相當于普通的透射光闌。當時，出射光束分成兩個部分，一束與光軸平行的實心光束和一束旋轉對稱斜光束。當時，中心實線光束消失，出射光為一束與光軸夾角為β的環(huán)狀斜光束。當時，出射光束為環(huán)狀斜光束。圖3為不同間隔d得到的出射光束狀態(tài)截面圖?？梢钥闯?，當d=0mm時，光束為實心光束，隨著d的增大，中心實心光束越來越小，同時在實現(xiàn)光束外面出現(xiàn)環(huán)狀光束，并且環(huán)的寬度和環(huán)內徑隨之增大。當d=230mm時，出射光束中心出現(xiàn)暗中空區(qū)域，形成環(huán)狀光束，與理論分析隋況一致。在無衍射區(qū)域內，入射光束經旋轉棱鏡組合系統(tǒng)后的變換光束基本沒有發(fā)生能量損耗，實心光束和環(huán)光束總能量與入射光束能量等同。

　　隨著d的進一步增大，其暗中空區(qū)域（即環(huán)內徑）將變大，而環(huán)的寬度則越來越小。當時，從正旋轉棱鏡出射的光束在到達負錐棱鏡時，有部分光束沒有入射到負錐棱鏡，還有部分光束經棱鏡上下界面折射而發(fā)散到像屏面外，只有部分光束能經過負錐棱鏡到達像屏面。由于負錐旋轉棱鏡的孔徑的限制，當兩旋轉棱鏡間距在 左右，將沒有光束入射到負錐棱鏡從而在像屏上檢測不到光信號。因此當正負棱鏡間隔d在此區(qū)域內調整時，出射光束相對于入射光束而言，具有能量損耗，而且能量損耗度隨著d的增大而增大。在無衍射區(qū)域內，入射光束經旋轉棱鏡組合系統(tǒng)后的變換光束沒有發(fā)生能量損耗。當  時，出射光束的能量僅為原來的93.886％。出射光束與入射光束能量相對值與間隔d的關系如圖4所示。

　　3.應用

　　基于旋轉棱鏡組合系統(tǒng)的變換特性，可把其應用于激光加工領域。在實際應用中，把聚焦透鏡放置于負錐棱鏡后方。負錐棱鏡折射后的出射光束將通過聚焦透鏡進行二次聚焦，進一步改善光束的質量和能量分布。由實驗結果分析知，當正負棱鏡間距d超過最大無衍射區(qū)域時，出射光束將發(fā)生能量損耗，因此實際應用中需要借助其他輔助元件進行補償處理。結合該光束變換技術和其他的輔助手段，可以達到改善單一的激光加工功能，有效的利用激光能量，進行集打孔、沖孔、切割、焊接等加工功能為一體的激光刀具的研究。

　　4.結論

　　基于旋轉棱鏡光學原理，研究了正負旋轉棱鏡組合光學系統(tǒng)對激光光束的變換特性。實驗中采用的正負棱鏡是一對耦合元件，具有相同的錐角和折射率。通過調整這兩者間距d以實現(xiàn)光束的不同變換。在實際激光加工應用中，可根據(jù)不同加工需求，通過調整光學元件間距，有效地對激光光束進行控制。配合其他控制系統(tǒng)可實現(xiàn)集切割、打孔、沖孔、焊接等多項加工功能。這種方法可以進一步推廣激光的應用領域，具有很好的應用價值。#p#分頁標題#e#