激光打标机预热和热透镜效应

一、激光打标机需要预热原因：

1、不预热，光线不稳定，激光器要慢慢的达到一个平衡的出光值。

2、激光热透镜效应

 

 

对于光纤激光打标设备，激光器的隔离器头输出的激光会经过振镜的偏转和场镜的聚焦后在焦点位置对材料进行打标。因此，热透镜效应主要在振镜和场镜上产生。

由于光学元件质量差、脏污、损坏等原因造成对激光吸收率增大，光学元件受激光束连续较长时间照射后，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。

由于透过型光学元件对激光吸收率更高，温度上升更大，因此热透镜效应更明显。

1、振镜热透镜效应的影响

振镜主要由驱动板、伺服电机和X-Y光学反射镜片组成。当反射镜片的反射率低、介质中有杂质、表面污染时，镜片受激光束照射会产生热变形，平面反射镜会变成凸面反射镜，激光束经过这两个反射镜片后，输出光斑变大，最后经过场镜后聚焦光斑变小，焦深变短。

2、场镜热透镜效应的影响

场镜在光纤激光打标设备中对输出光斑起到聚焦的作用，其特点是所有的焦点在一个水平面上。场镜主要有凹凸透镜组成，当透镜组的透射率低、介质中有杂质、表面污染时，镜片受激光束照射会产生热变形，透镜的聚焦能力变强，聚焦后的光斑变小、焦距和焦深变短。焦点不在一个水平面上，中心和边缘打标效果不一致。

例如，氧化铝打黑，当场镜质量不好发生热透镜效应时，焦距变短，原来参数下打标，能量不够，打标不黑，中心和边缘效果不一致，需要重新调整焦点。

热透镜效应的产生会对光纤激光打标的稳定性产生影响，特别是对于敏感材料的标记尤为明显。为了减小热透镜效应影响，可以采取如下措施：

1、选用质量好的振镜和场镜；

2、对振镜和场镜做日常的维护，防止镜片的杂质污染；

3、对损伤的振镜和场镜进行更换；

4、对打标图形置中，尽量使激光处于场镜正下方打标；

 

光纤激光切割打标焊接机热效应分析和改善

 光学透过型元件在激光连续照射时间较长后，由于温度的升高，会产生热变形，引起透射光学元件的折射率和反射光学元件的反射方向发生变化，热透镜效应会改变激光聚焦的位置，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输出后，主要经过红光合束镜片、振镜和f-θ场镜这些光学元件，由于透过型光学元件的热透镜效应更明显，下面主要针对红光合束镜片、激光器与场镜来分析一下。
 

       热透镜效应的影响

       当产生热透镜效应时，光学元件在热作用下膨胀，聚焦能力变强，聚焦光斑尺寸变小，焦距和焦距深度变短，以上这些现象会导致打标不稳定，严重影响打标效果，通过脉冲光纤激光器的几种典型应用，我们分析了热透镜效应的影响。
 

       1、氧化铝打黑：

       当热透镜效应发生时，焦距变短，材料表面的能量密度降低，氧化铝不能变黑。在严重的情况下，中心和边缘的黑度效应是不一致的。
 

       2、金属深雕：

       金属深刻一般采用焦距较短的场镜(焦深)，高功率深刻时，由于热透镜的作用，材料的能量密度迅速下降，使金属雕刻不深。因为光学元件的中心比边缘更大，所以中心很浅，周围的深度也不同。
 

       3、薄片切割：

       根据不同的材料，脉冲光纤激光切割板通常采用单个慢或多次的两种方法，在很短的时间内（<1s）会发生热膨胀和冷却收缩，因此切割的起始位置可以切割，其他位置不能切割材料。
 

       4、金属薄片焊接：

       对于高功率脉冲光纤激光焊接金属片((热透镜效应会导致焊点尺寸不一致和拉伸力不足。
 

       热透镜效应的改善

       功率越高，反光材料越高，光学元件热膨胀越快，热透镜越明显。改进热透镜可以从激光、场透镜和红光透镜三个方面入手
 

       1、激光器：

       并定期清洁激光器的输出头的激光保护镜片，以避免杂质污染，同时准直器的光学透镜使用石英材料来减小热膨胀系数。
 

       2、场镜：

       采用中、大功率（≥100W）脉冲光纤激光器，场镜建议选用复合材料或石英材料；场镜保护镜应定期检查清洗，避免杂质污染或损坏。

 

如何有效控制激光应用的热透镜效应

如何有效控制激光应用的热透镜效应

　　什么是热透镜效应？当光学镜片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，导致焦点偏移，出现激光加工不稳定的情况。

 

　　01热透镜效应在激光应用中的影响

　　在激光应用中，热透镜效应会导致焦距和焦深变短，焦点位置偏移以及聚焦光斑发生变化，从而直接影响到打标的效果特别是金属深雕、精密焊接、不锈钢打彩和划线等应用。

　　随着加工功率越高，会导致场镜受热膨胀越迅速，热透效应也越明显。从而会影响到切割以及连续焊接的效果，出现底部熔渣增多，切割不断等问题。

　　02热透镜效应的解决方案

　　由于光学元件质量差、脏污、损坏等原因都是造成的热透镜更加明显的因素。而在实际的激光应用中，除了使用前对光学器件，零部件进行检查清洁外，不同材料与质量的场镜能有效的降低热透镜效应，下面将会通过几组对比测试分析三款国产品牌的F160场镜在热透镜效应和像差上的差异。

 

　　03基于热透镜效应的场镜对比测试

　　测试方法

　　我们主要测试了以上三款场镜在单一应用环境下的对比，如下图：

　　①满功率在倾斜不锈钢板上，从左往右标刻长条矩形

　　②测量出平行于不锈钢表面方向的高度变化量F

　　③计算焦距变化L=（h2/h1）F

 

　　测试结果

　　三款场镜在相同的条件下，焦点上移的距离是不同的，使用玻璃振镜的上移距离最长，但两款石英材质的场镜上移距离短。

 

　　在实际激光应用过程中，除了更换更好石英材质场镜外，在不同的使用环境中，也应检查各光学元件（如：输出头镜片、准直器、合束镜片等）的脏污，损坏情况，进行及时的清洁与更换。