激光应用热透镜效应测量与改善
2018-03-07
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一、热透镜效应
光学元件受激光束连续照射较长时间后，由于温度升高产生热变形，进而引起透过型光学元件的折射率和反射型光学元件的反射方向发生变化。热透镜效应会改变激光焦点（束腰）的位置，进而影响应用效果。
对于脉冲光纤设备，激光从激光器的隔离器（透过型）输出后，主要经过红光合束镜片（透过型）、振镜（反射型）和f-θ场镜（透过型）这些光学元件。由于透过型光学元件的热透镜效应更明显，因此接下来主要针对激光器、红光合束镜片与场镜做相应分析。
红光合束镜热透镜前后对比
场镜热透镜前后对比
二、热透镜效应的影响
产生热透镜效应时，光学元件受热膨胀，出现聚焦能力变强，聚焦光斑尺寸变小，焦距和焦深变短现象。这些现象的产生，最终会造成打标不稳定，影响打标效果。通过脉冲光纤激光器的几个典型应用分析热透镜效应的影响：
1．氧化铝打黑：
发生热透镜效应时，焦距变短，材料表面能量密度降低，氧化铝打不黑，严重时出现中心和边缘效果黑度不一致现象。
2．金属深雕：
金属深雕一般使用焦距（焦深）短的场镜，当高功率深雕时，由于热透镜效应，材料处能量密度迅速下降，造成金属打雕不深。由于光学元件中心比边缘膨胀大，出现中心浅，四周深现象（深度不一致）。
3．薄片切割：
根据不同的材料，脉冲光纤激光器切割薄片通常采用单次慢速或多次快这两种方法。热膨胀与冷却回缩可以在很短时间（＜1S）内发生，因此切割时出现起始位置可以切穿，其它位置切不穿材料。
4．金属薄片焊接：
对于高功率脉冲光纤激光器焊接金属薄片（＜0.6mm），通常采用圆形螺旋线填充的方式焊接。热透镜效应会造成焊点大小不一致，拉拔力不够。
三、热透镜效应的测量
不同材质的光学元件，热膨胀系数不一样，因此对于不同配置的激光系统，应用于不同的材料，热透镜效应的程度都不一样。既然热透镜效应不可避免，那么将热透镜程度进行量化，设定标准就显得极其重要。焦距的变化反映出热透镜的程度，下面通过两种方法去测量焦距的变化：
1．调焦法：
优点：操作简单，可以大致测量出焦距变化量
缺点：由于焦深的存在，高度F1与F2存在一定的误差，因此焦距变化量L不太准确，可以通过多次测试减小误差；高功率下打标，光太强，不易重新找到焦点位置
2．打标效果测量法：
测试方法示意图
通过如下操作，可以测出各个光学元件热透镜的程度：
打标效果图
四、热透镜效应的改善
功率越高或标刻高反材料，光学元件受热膨胀越迅速，热透镜越明显。改善热透镜，可以在激光器、场镜和红光合束镜片三方面着手：
1．激光器：
准直器的光学透镜使用石英材料，减小热膨胀系数；定期清洁激光器输出头的保护镜片，避免杂质污染。
2．场镜：
使用中高功率（≥100W）脉冲光纤激光器，建议场镜选用复合材料或石英材料；定期检查和清洁场镜的保护镜片，避免杂质污染或损伤。