光学筒长变化检测法

　　1引言

　　对于高能激光加工系统，激光器发出的光必须经过传输、发射、聚焦才能汇聚到目标物体，为了在目标上获得很好的加工质量，必须使调焦发射精度尽可能高，同时提高加工、装调精度。但高能激光加工系统在工作时，强激光在通道内传输过程中，通道内介质会吸收部分激光能量引起介质温度和折射率发生变化，从而引起通道内光学筒长发生变化，导致调焦误差，因调焦面上很小的变化都会引起目标上较大范围的变化，而使加工质量大大下降。在高能激光加工系统研制过程中，对这种由于工作中激光本身加热介质而引入的动态误差却没有考虑，这在低能量条件下误差不大，随着激光能量的提高和加工精度的提高，这种动态误差的影响也越大，因此必须加以重视。这里从理论上分析了这种动态误差的产生，并从实际使用的角度给出了一种可能的检测修正办法。对提高激光加工精度具有重要意义。

　　2计算分析

　　激光加热通道内介质引起温度场变化由控制容积的热传导方程决定:

　　对时间和半径无量刚化ξ=r/R ,r=(t·k)/R2。初始条件和边界条件为:

　　当t=0时△T=0;当ξ=1时△T=ΔTw=O;当ξ=0时使用Hankel变换:

　　3检测法

　　对激光加热引起光学筒长变化的检测是很困难的，因为激光出光时间短，在激光停止照射后又恢复原状，是一动态变化过程。为了彻底消除光学简长变化的影响，必须实时检测和实时调焦控制。这里，利用干涉原理设计了一种实时检测法。

　　图1左边双点化线内CO2主激光器发出的激光经过一套传输光路后再经过调焦和发射而聚焦到所需加工的目标上，由于高能激光热效应作用，使内传输通道上光学筒长发生变化，引起调焦误差。利用相干原理，插入一路辅助检测He-Ni激光，通过扩束器后到分光镜分成两路，一路经过补偿后到和束镜6，另一路经过主光路后也到和束镜6，进行相干合成再用CCD探测器探测像面上干涉条纹以确定光学筒长变化量。其中反透镜4和5对COz主激光高透而对He-Ni检测激光高反，这在技术上已能实现。

　　AD光程:

　　初始等光程:

　　由于激光热效应而引起光学筒长变化量:OPD=Δ(nBcLBC)=kλHe-Ni k为相干条纹数。因此通过高速CCD检测相干条纹的变化数就可确定主光路中光学筒长的变化量，进而控制调焦系统以消除热效应影响。对于两激光由于波长不一致而引起的色散效应，可作系统误差消除。