激光光束分析監(jiān)測(cè)器

激光光束分析監(jiān)測(cè)器（BWA-MON）系統(tǒng)，可以真正地做到對(duì)不管是低能量還是高能量的連續(xù)激光和脈沖激光的激光光束進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量、分析和監(jiān)控。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)遵循了標(biāo)準(zhǔn)ISO11146和ISO13694中對(duì)激光、激光設(shè)備以及激光光束度量的要求。

在所有激光應(yīng)用中，激光光束輪廓剖面圖對(duì)很多的激光應(yīng)用都提供有價(jià)值的信息。通過(guò)監(jiān)控這些激光束空間輪廓、圓形度、環(huán)心、象散、M平方值等，你可以提前得到關(guān)于激光及其光學(xué)傳輸系統(tǒng)任何問(wèn)題的預(yù)警。BWA-MON系統(tǒng)可以提高加工質(zhì)量，加工穩(wěn)定性以及減少?gòu)U料。另外，因?yàn)榻裹c(diǎn)位置可以實(shí)時(shí)監(jiān)控，處于閉環(huán)控制，對(duì)于易受熱透鏡效應(yīng)影響的系統(tǒng)可以通過(guò)閉環(huán)補(bǔ)償減小其影響。 BWA-MON正在申請(qǐng)，使用時(shí)連接上持有HAAS LTI的BWA-CAM（美國(guó)號(hào)8,237,922），無(wú)需移動(dòng)部件便可測(cè)量激光聚焦束腰。(而在此之前，市面上其他的激光光束分析裝置，都要使用一些移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)的配件，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)激光M平方的實(shí)時(shí)測(cè)量，它們無(wú)法滿足在線實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)應(yīng)用。) BWA-MON適用于大部分的激光波長(zhǎng)和應(yīng)用，無(wú)需移動(dòng)的配件就可以對(duì)激光束及其光學(xué)參數(shù)實(shí)時(shí)測(cè)量和分析。 BWA-MON是Hass公司的產(chǎn)品，Hass公司在這方面有三十多年的專業(yè)光學(xué)傳輸經(jīng)驗(yàn)。這套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以用在處理材料的過(guò)程中，包括切割、鉆孔、焊接、打標(biāo)或其他任何一種應(yīng)用。

圖1：基本的BWA-MON光學(xué)設(shè)計(jì) BWA-MON的工作流程如下：一束激光進(jìn)入棱鏡，少數(shù)光通過(guò)*個(gè)反射面進(jìn)入BA-CAM。大多數(shù)的激光束會(huì)通過(guò)棱鏡進(jìn)入加工鏡頭。少數(shù)光通過(guò)第二個(gè)反射面進(jìn)入BWA-CAM，形成實(shí)際加工光束的影像，被高度衰減處理過(guò)。有這種反射面的可以是道威棱鏡、里斯里棱鏡、或者一個(gè)薄的平行平板。衰減的激光束透過(guò)棱鏡進(jìn)入BWA-CAM，激光束腰可以通過(guò)一系列的主要感應(yīng)區(qū)域（ROI）觀測(cè)到。激光束腰位于一系列點(diǎn)的中間（如圖五）。每一個(gè)點(diǎn)都是激光束腰的橫截面圖，基本在同一個(gè)水平面上。軟件能夠自動(dòng)追蹤并測(cè)量ROI的大小，以精確地進(jìn)行M平方值計(jì)算。

圖2：BWA-MON適用于大功率激光焊接 BWA-CAM能夠測(cè)量經(jīng)過(guò)所有聚焦透鏡的激光束腰。加工光束和經(jīng)過(guò)第二個(gè)反射面的光束有效焦距不同，在棱鏡和BWA-CAM中添加一個(gè)負(fù)透鏡解決了此問(wèn)題。 圖1為zui常見(jiàn)的低功率BWA-MON光路圖。在這個(gè)圖示中，道威棱鏡用來(lái)將光線分別傳輸?shù)郊庸ょR頭和BWA-CAM。 BWA-CAM能在一秒內(nèi)測(cè)量出激光的M平方值，在其zui高的分辨率下，約333到500毫秒內(nèi)，系統(tǒng)可以達(dá)到幀率為2到3幀每秒的測(cè)量結(jié)果。這使通過(guò)無(wú)光源測(cè)量激光束腰的應(yīng)用變?yōu)榭赡?。軟件能同時(shí)分析光束的空間截面，得以快速地計(jì)算出激光M平方值。圖3為一個(gè)感應(yīng)區(qū)域（ROI）的示意圖，通過(guò)軟件分析BWA探測(cè)器的數(shù)據(jù)。

圖3：在空間內(nèi)有延遲的激光束腰切片的圖解。 Figure 2圖2為一個(gè)大功率焊接BWA-MON的光路圖。在此情況下，只有一個(gè)BAW-CAM來(lái)監(jiān)控激光束腰。BA-CAM也可以被放置在*個(gè)反射面后面，這里沒(méi)有被描述出來(lái)。通過(guò)一個(gè)楔形透鏡，透過(guò)光束產(chǎn)生一個(gè)角度偏差，防止加工過(guò)程中的反射光。位于BWA-MON中的聚焦透鏡同樣地傾斜。

圖4：BWA-CAM和BA-CAM匯總數(shù)據(jù)界面 如果加工系統(tǒng)要求高功率同軸，則圖7為滿足該需求的光路圖。 圖4顯示了BWA-MON利用的兩個(gè)照相機(jī)（BA-CAM和BWA-CAM）的數(shù)據(jù)畫(huà)面。上面的畫(huà)面來(lái)自BA-CAM，用于測(cè)量原始激光束，下面的畫(huà)面是聚焦光束，顯示了15個(gè)ROI點(diǎn)。右邊的匯總數(shù)據(jù)提供了用戶選擇的剖面或M平方的參數(shù)。右邊作為質(zhì)量控制（通過(guò)或失?。┑膱D表，變?yōu)榧t色表明用戶選定的質(zhì)量控制參數(shù)超出了范圍。

圖5：BWA-CAM幀捕獲器的變焦拍了來(lái)自一束聚焦激光的15個(gè)感應(yīng)區(qū)域。 圖5顯示了BWA-CAM影像捕獲器的頁(yè)面，是來(lái)自一束聚焦激光的15個(gè)聚焦的感應(yīng)區(qū)域。從圖中可以看到聚焦激光的進(jìn)入和淡出（從左至右）。所有的這些畫(huà)面都在CMOS感應(yīng)器上同時(shí)并實(shí)時(shí)生成。正是有了這些感應(yīng)區(qū)域，軟件才能分析光斑的尺寸、發(fā)散、像散、束腰位置，瑞利長(zhǎng)度以及M平方值。

圖6：BA-CAM和BWA-CAM質(zhì)量控制設(shè)定界面 圖6為激光束剖面圖參數(shù)據(jù)的示例，用戶可以自定義選定參數(shù)值的上限和下限。如果有參數(shù)超出了用戶選定的范圍，會(huì)在對(duì)應(yīng)位置標(biāo)出，數(shù)據(jù)的顏色也會(huì)從綠色變?yōu)榧t色。如果某一項(xiàng)值超過(guò)范圍，系統(tǒng)可以通過(guò)接收一個(gè)USB輸出的信號(hào)關(guān)閉系統(tǒng)。對(duì)于需要精確控制激光的光學(xué)系統(tǒng)，系統(tǒng)參數(shù)的誤差要求非常嚴(yán)格。例如高功率光學(xué)系統(tǒng)中，如果有一些參數(shù)超出了范圍，用戶可以在其對(duì)系統(tǒng)造成致命影響之前關(guān)掉系統(tǒng)。 

圖7：同軸高功率BWA-MON配置

圖8：BWA-CAMM平方面曲線界面 圖8為BWA-CAM的M平方測(cè)量，在這個(gè)界面，可以看到由BA-CAM和BWA-CAM共同測(cè)量的M平方值，或者單獨(dú)由BWA-CAM測(cè)量的M平方值。X軸顯示了已知使用聚焦透鏡的聚焦位置，Y軸是激光束腰直徑的值。激光束腰的位置和瑞利長(zhǎng)度有注解以供參考，透鏡上的激光像散和激光光斑尺寸顯示在曲線右方的數(shù)據(jù)欄中。

圖9：BA-CAM和BWA-CAM數(shù)據(jù)記錄界面 圖9為數(shù)據(jù)記錄的界面，用戶可以實(shí)時(shí)地選擇符合ISO11146和ISO13694要求的激光束參數(shù)進(jìn)行追蹤。記錄的數(shù)據(jù)可以幫助用戶在[頁(yè)面設(shè)定]參數(shù)的上限值和下限值，同樣也為其他類型的測(cè)量提供了zui原始的數(shù)據(jù)。

圖10：光纖直徑為200微米的4KW連續(xù)光纖激光。 BWA-CAM不僅適用于低功率的激光，也適用于大功率幾千瓦的激光設(shè)備。圖10顯示的BWA-CAM的屏幕點(diǎn)功率為4Kw連續(xù)波光纖激光，傳輸光纖為200μm，聚焦透鏡焦距200mm。

圖11：BWA-CAM上顯示傳輸光纖（左圖）與激光源光纖沒(méi)有對(duì)準(zhǔn)，產(chǎn)生包層模Cladding Mode，右圖為千瓦級(jí)的100μm激光光纖，光纖耦合對(duì)準(zhǔn)很好。 BWA-CAM不僅可被用于測(cè)量關(guān)鍵的M平方參數(shù)，還可以作為幫助檢查激光器、光學(xué)系統(tǒng)或者兩者組合時(shí)光路是否正確的診斷工具。圖11顯示了一個(gè)千瓦級(jí)連續(xù)光纖激光系統(tǒng)，傳輸光纖與激光源光纖沒(méi)有對(duì)準(zhǔn)。左圖為包層模Cladding Mode在100微米直徑的光纖中。右圖為同一個(gè)光纖，利用BWA-CAM將其扭動(dòng)調(diào)節(jié)，使達(dá)到*的對(duì)齊位置。

圖12：變焦拍攝直徑532納米光纖激光，顯示了一個(gè)三軸檢流計(jì)系統(tǒng)的嚴(yán)重缺陷。 在某些情況下，一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)可能會(huì)意外地顯示出一個(gè)很大的圖像點(diǎn)。圖12便是這樣，它是一個(gè)三軸掃描系統(tǒng)，利用532nm的傳輸光纖，在加工過(guò)程中光斑的尺寸應(yīng)該比圖示的小兩倍才正確。BWA-CAM清晰的展示它的慧差，光斑的嚴(yán)重慧差表明這個(gè)三軸系統(tǒng)光路沒(méi)有調(diào)準(zhǔn)。

圖13：1064nm光纖激光，顯示三軸掃描系統(tǒng)的散光現(xiàn)象。 圖13展現(xiàn)了另一種情形，1064nm光纖激光，通過(guò)三軸掃描系統(tǒng)聚焦，焦點(diǎn)比標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)大兩倍。在這種情況下，可以看出偏差緣于像散，原因是3軸掃描系統(tǒng)未對(duì)準(zhǔn)。 無(wú)論是基本的激光M平方值測(cè)量，還是制造業(yè)中嚴(yán)格的材料加工應(yīng)用，或是激光光學(xué)系統(tǒng)的故障排除，HAAS激光技術(shù)公司現(xiàn)在正在申請(qǐng)的BWA-CAM是一款簡(jiǎn)單、易于集成、易于使用并解決這些問(wèn)題的產(chǎn)品！