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(dá)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(shè)備單一的加工功能，有效利用激光器，提高生產(chǎn)效率，對激光光束變換技術(shù)的研究尤其重要。

　　目前對光束變換已有多種實(shí)現(xiàn)方法，旋轉(zhuǎn)棱鏡由于其結(jié)構(gòu)簡單，并可在一定范圍內(nèi)產(chǎn)生近似的無衍射光束而備受關(guān)注。利用旋轉(zhuǎn)棱鏡光學(xué)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多種形式的光束傳輸變換，例如，將實(shí)心橫截面光束變換為環(huán)狀光束、平面或徑向細(xì)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(zhǔn)直技術(shù)等激光加工應(yīng)用領(lǐng)域都具有非常誘人的價(jià)值。

　　基于旋轉(zhuǎn)棱鏡幾何光學(xué)特性，采用正負(fù)旋轉(zhuǎn)棱鏡及聚焦透鏡組成的光學(xué)系統(tǒng)對激光光束進(jìn)行變換研究。通過調(diào)整正負(fù)旋轉(zhuǎn)棱鏡間距實(shí)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(jìn)行打孔、切割、焊接等多項(xiàng)加工。

　　1.旋轉(zhuǎn)棱鏡的原理

　　旋轉(zhuǎn)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(fù)旋轉(zhuǎn)棱鏡的幾何結(jié)構(gòu)。

　　當(dāng)一束準(zhǔn)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(dāng)旋轉(zhuǎn)棱鏡的錐角α較小時(shí)，發(fā)散角β近似為（n-1）α。在聚焦區(qū)域內(nèi)，出射光線在空間上相互重疊，形成無衍射區(qū)域。當(dāng)錐角較小，不計(jì)棱鏡厚度時(shí)，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(nèi)，光束為實(shí)心光束，其半徑為：

　　當(dāng)時(shí)，出射光線不再重疊，形成環(huán)狀光束，環(huán)內(nèi)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(dāng)一束準(zhǔn)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(nèi)徑為：

　　環(huán)的寬度與傳輸距離z無關(guān)，為一常數(shù)。

2.組合系統(tǒng)的光束變換特性及實(shí)驗(yàn)分析

　　當(dāng)正負(fù)旋轉(zhuǎn)棱鏡及球面透鏡相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)多種光束的變換。如圖2所示，采用正錐棱鏡在前，負(fù)錐棱鏡在后的組合方式。該組合系統(tǒng)中兩正負(fù)棱鏡具有相同的錐角和折射率。在理論上具有嚴(yán)格的耦合特性。一束經(jīng)過準(zhǔn)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(jīng)過與正錐透鏡距離為的負(fù)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(shí)驗(yàn)中，通過改變光闌的孔徑來改變?nèi)肷涞藉F棱鏡上的通光半徑。選擇由BK7玻璃材料制成的旋轉(zhuǎn)棱鏡，錐角為  ，光學(xué)折射率n=1.4。入射孔徑為10mm，用幾何光學(xué)法估計(jì)最大無衍射距離。當(dāng)d=0時(shí)，出射光束是與入射光束相同的實(shí)心光束，此時(shí)旋轉(zhuǎn)棱鏡組合相當(dāng)于普通的透射光闌。當(dāng)時(shí)，出射光束分成兩個(gè)部分，一束與光軸平行的實(shí)心光束和一束旋轉(zhuǎn)對稱斜光束。當(dāng)時(shí)，中心實(shí)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(dāng)時(shí)，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(dāng)d=0mm時(shí)，光束為實(shí)心光束，隨著d的增大，中心實(shí)心光束越來越小，同時(shí)在實(shí)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(nèi)徑隨之增大。當(dāng)d=230mm時(shí)，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(nèi)，入射光束經(jīng)旋轉(zhuǎn)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(shí)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(jìn)一步增大，其暗中空區(qū)域（即環(huán)內(nèi)徑）將變大，而環(huán)的寬度則越來越小。當(dāng)時(shí)，從正旋轉(zhuǎn)棱鏡出射的光束在到達(dá)負(fù)錐棱鏡時(shí)，有部分光束沒有入射到負(fù)錐棱鏡，還有部分光束經(jīng)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(jīng)過負(fù)錐棱鏡到達(dá)像屏面。由于負(fù)錐旋轉(zhuǎn)棱鏡的孔徑的限制，當(dāng)兩旋轉(zhuǎn)棱鏡間距在 左右，將沒有光束入射到負(fù)錐棱鏡從而在像屏上檢測不到光信號。因此當(dāng)正負(fù)棱鏡間隔d在此區(qū)域內(nèi)調(diào)整時(shí)，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(nèi)，入射光束經(jīng)旋轉(zhuǎn)棱鏡組合系統(tǒng)后的變換光束沒有發(fā)生能量損耗。當(dāng)  時(shí)，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(guān)系如圖4所示。

　　3.應(yīng)用

　　基于旋轉(zhuǎn)棱鏡組合系統(tǒng)的變換特性，可把其應(yīng)用于激光加工領(lǐng)域。在實(shí)際應(yīng)用中，把聚焦透鏡放置于負(fù)錐棱鏡后方。負(fù)錐棱鏡折射后的出射光束將通過聚焦透鏡進(jìn)行二次聚焦，進(jìn)一步改善光束的質(zhì)量和能量分布。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析知，當(dāng)正負(fù)棱鏡間距d超過最大無衍射區(qū)域時(shí)，出射光束將發(fā)生能量損耗，因此實(shí)際應(yīng)用中需要借助其他輔助元件進(jìn)行補(bǔ)償處理。結(jié)合該光束變換技術(shù)和其他的輔助手段，可以達(dá)到改善單一的激光加工功能，有效的利用激光能量，進(jìn)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(jié)論

　　基于旋轉(zhuǎn)棱鏡光學(xué)原理，研究了正負(fù)旋轉(zhuǎn)棱鏡組合光學(xué)系統(tǒng)對激光光束的變換特性。實(shí)驗(yàn)中采用的正負(fù)棱鏡是一對耦合元件，具有相同的錐角和折射率。通過調(diào)整這兩者間距d以實(shí)現(xiàn)光束的不同變換。在實(shí)際激光加工應(yīng)用中，可根據(jù)不同加工需求，通過調(diào)整光學(xué)元件間距，有效地對激光光束進(jìn)行控制。配合其他控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)集切割、打孔、沖孔、焊接等多項(xiàng)加工功能。這種方法可以進(jìn)一步推廣激光的應(yīng)用領(lǐng)域，具有很好的應(yīng)用價(jià)值。#p#分頁標(biāo)題#e#