为什么波束递送很重要
先进的工具提供，形状，并将激光束聚焦在手头上
图1：反光光学器件通过铜基材提供直接冷却。这允许这种光学器件适用于高功率的工业应用。
如今，激光已经广泛应用于金属制造领域:切割、焊接、钎焊、堆焊、热处理、钻孔等等。激光类型有所不同。那些执行传统平板切割今天有更多的选择，无论是固态光纤或磁盘激光或二氧化碳气体种类。焊接，钎焊和堆焊应用可以要求不同的激光类型，包括直接二极管，二极管泵浦，闪光灯泵浦，和其他迭代的YAG激光器。不过，这只是情况的一半。世界上最强大的激光器离不开一个有效的，微调好的光束传送系统。
它的设计铰链在应用程序上，但几个基本元素奠定了基础。它们共同提供无数选项，以找到从激光源到工件的方式携带和塑造光束的最有效方法。
光学类型
光束可以通过透射(透镜)或反射(镜子)光学的组合来传送和聚焦。最常见的是透射光学装置，它是间接冷却的，在光学装置附近有水冷却。反射光学可以处理更高的热水平，这就是为什么许多人将它们用于高功率应用。它们可以使用铜衬底，在表面下几毫米处加工出通道，允许直接水冷却图1）.
传输光学工作最佳的激光器高达4至6千瓦。除此之外，采用铜衬底的反射光学更有能力，因为它们导致的热焦点漂移更小。这种变化是由热量积累引起的。想象一个简单的凸透镜，中心比边缘厚。当激光通过时，透镜的中心比边缘温度高，因为中心是大部分激光能量集中的地方;在间接冷却系统中，它碰巧离冷却区最远。这种加热使光学器件略微膨胀，因此可以实际移动焦点一个可观的数量。这种热量转移会在几分钟内发生。
另一方面，直冷光学器件只有十分之一的热换档，它发生在磨机中而不是几分钟内。直接冷却，最小化光学器件温度变化，使其成为可能。
光束交付基础知识
在激光源和聚焦头之间，工业激光束可以通过反射光学或光纤传送。递送方法取决于涉及的激光类型和功率。CO2激光器通常需要一系列反射光学器件，而许多固态激光器 - 包括盘，光纤以及二极管泵送和闪光灯泵送的YAG品种 - 可以通过输送光纤向聚焦头行进。
仅仅因为激光器是固态的，不会自动使其通过光纤可提供所有应用。例如，用于在航空航天市场中用于钻井应用的某些高峰功率YAG激光器采用标准镜子来提供梁，如气体激光器。对于传统的光纤输送，光束能量和峰值功率太高（参见图2.）.
对于使用反射光学器件的激光器，有几个元件有助于将光束输送到聚焦头（或头部）。光束弯剂使用冷却镜从其原始路径引导激光束90度。它还略微调整以使光束对准下一阶段的旅行。
基本上是一个移动镜子。当引入光束时，它将激光束向下发送几条路径之一。在双路系统中，束梭放置在光束路径上方。要更改路径，波束班车移动进入拦截光束，将其发送到替代路径。当班车再次收回时，光束返回到其先前的路径。系统可以有许多光束梭，但只有三个是典型的。可以将光束发送到各种工作区，或者在某些情况下，诊断设备。
Shuttles和弯道不能同时向几个位置发送光束。换句话说，它们不会分开光束，只改变其方向。要立即将气体激光束发送到几个区域，横梁分离器发挥作用。这些有光学器件只有50％的反光，大致类似于双向镜子或镜像太阳镜。这种光学器件具有特殊的涂层，允许一半的激光束功率通过，同时在新方向上反射剩余的光束功率。这意味着50％的光束功率被反射到一个光束路径，50％被反射另一个。
图2:光束可以通过一系列光学或通过一根光纤传送。传输光纤通常与固态激光器有关，如光纤和磁盘品种，但并不是所有的固态激光器都适合传统的光纤传输。某些大功率YAG系统需要反射镜，因为峰值功率对于光纤传输来说太高了。
许多使用束分离器处理组件一般分开或更少的半米。分离器允许一个激光电源向两个聚焦头发送能量，这通常处理相同的部件。设置是具有成本效益的，因为激光具有两倍的功率不是昂贵的两倍。换句话说，分裂一个激光电源可以比购买两个完整的激光器便宜。这样的双组件基本上可以共享相同运动系统的元素，这也比两个单独的系统昂贵。
在光纤传输激光器中，当光束能量进入传输光纤时，大多数光束分裂发生在电源处。这大大简化了发送光束能量到多个工作领域。
梁准直
纤维输送的激光器需要准直。这从输送纤维中取出光束能量，并将其改变成光束尺寸 - 直径5至45mm的任何地方 - 可以指向和聚焦透镜和镜子（参见图3.）.
来自输送纤维的光束作为光的锥形，直到它击中将其充气到平行光束的东西。准直器的光学器件越远离输送光纤，所产生的并联光束的更宽将是。准直光学位于其焦点。如果光学器件的焦距为100毫米，则必须将100mm远离传送光纤从输送纤维出来的地方定位。
典型的光束准直器焦距为25至200毫米。高功率激光器通常受益于具有长焦距的准直器，因为这允许电源密度扩散，通过光学器件较少浓缩，延长它们的寿命。
在纤维交付的系统中，一个简单的公式给出了最终在工件上的最终点尺寸的概念：点直径=输送纤维直径x（对焦光学焦距/准直器光学焦距）。这就是为什么更长焦距准直器不仅意味着准直光束直径将更大，而且还将更小的最终聚焦点尺寸将更小（见图4.）.
高光束质量和小光纤直径的激光器需要短焦距的准直器。这是因为这些光束的散度很低;当它们从输送纤维中出现时，它们只稍微扩散。它不需要很长的焦距来校准它到平行，然后聚焦它回到所需的焦点。在一个典型的多模光纤激光器中，就像现在用于切割平板的各种机器一样，从传输光纤中发出的光束的直径可能在20到45毫米之间。单模lasers-used通常为低功耗应用程序像microwelding-might光束直径只有5到10毫米。(注意一些激光基础知识:“10微米梁产生的二氧化碳激光和“1微米”从纤维束或磁盘激光是指激光的波长,而不是它的光束直径)。
聚焦头部组件
找到并保持最佳聚焦光斑的大小和形状取决于应用程序，但所有激光器都使用一些常见的工具来获得光斑，并在整个处理周期中保持焦点尽可能一致。
自动聚焦头。在该设置中，聚焦头基于从触点或非接触式工件传感器的反馈来调整。在不接触的布置中，气体喷嘴用作电容传感器，以测量其之间的间隙和下面的导电工件。然后，即使工件表面高度意外地变化，该信号则指示调整头部高度以保持最佳聚焦的伺服系统。对于非导电材料，可以使用传统的接触感测系统，包括末端的具有辊子的悬臂。
为了执行这些调整，激光切割机可以在Z中移动头部。或聚焦头可以具有自包含的Z轴调节，这与某些应用良好，例如安装在机器人上的头部，这可能无法容纳要使足够快，以提供过程中的高度调整。
图4：简单的公式给出了最终点尺寸的想法：点直径=输送纤维直径x（焦点光学焦距/准直器光学焦距）。
特雷匠。这些光学系统将光束送入圆圈以非常快速地切割精确孔。光滑的龙眼具有一对楔形光学器件，由小距离分开。旋转其中一个楔形件偏离光束中心线，快速移动焦点。通过调整那些楔形位置并将它们旋转在一起，系统会产生可变半径和速度的圆形手段运动（参见图5.）.
另一个Trepan策略使用伺服电动机驱动的镜子来改变光束路径的长度，使其焦点在圆圈中移动。将光束横截面视为旧式蒸汽机上的车轮，以及作为杆挂在车轮外径上的杆连接点。光束位置本身不会向右或向上移动。相反，移位光束路径长度使光束的一个轴快速改变，允许焦点在圆圈中快速行进。
扫描仪和镀锌镜。放置在聚焦透镜之前或之后，这些伺服驱动镜从点到点快速引导激光束。它们特别用于远程焊接应用中，其中聚焦镜头可以是米或更多远的工件表面。
喷嘴。有数百种不同种类的喷嘴（见）图6.）.选择最佳的激光器需要权衡许多变量，包括零件特征、手边操作(切割、焊接、熔覆、热处理等)、零件和材料特征，以及激光的波长。喷嘴的选择本身就是一门科学。
用于处理具有机械障碍物的物体和工作区域访问的其他限制，长而瘦的喷嘴可能适合。具有电容性高度传感的平板切割可能需要短，粗短的喷嘴。仍然，较长而细长，更具机械脆弱的喷嘴。孔口直径也随着参数而变化。对于许多应用，加工的喷嘴足够，但是临界激光加工可能受益于冷成形喷嘴，其提供光滑，镜面状饰面。
材料类型和厚度也起作用。例如，在涉及金属箔的应用中，激光系统可以受益于淋浴喷嘴，其中小型气射孔围绕中心孔。这在喷嘴的圆周周围分配辅助气体，并防止在激光操作期间防止薄薄膜飘动。
通过镜头观看。多年来，高功率激光系统使用了可见的红外激光器来帮助操作员对焦光束。不幸的是，这些可见激光聚焦在不同的平面上比实际的加工激光。因此，对于精度工作，这可能需要精确的聚焦以及一般过程监控，许多人已经使用了镜头观看。可以设定安装在光束路径上方的相机，因此它们的焦点与激光束相同。通过这些系统，您所看到的真实是您得到的。
镜头抽屉。聚焦头可以有可接受不同焦距镜头的墨盒或透镜抽屉。一个典型的激光切割系统可能有一个5英寸的墨盒。-焦距镜头，上面是一个7.5英寸的墨盒。焦距镜头。这种双镜头系统允许快速切换镜头。喷嘴将有相同的对峙从工件，即使在镜头更换后。由于抽屉的位置，没有进一步的聚焦头调整应该是必要的(见图7.）.
碰撞保护和避免。崩溃保护系统基本上充当互锁。断开时，系统关闭，从更严重的损坏节省机器。这些可以允许机械开关，接近开关，气动和其他工具。崩溃保护只是防止了聚焦头的破坏。
他们还可以节省大型昂贵的工件。说激光切割一大片纸并在操作中途崩溃。一些碰撞保护装置允许操作员重置头部并在某个点重新开始，使整个工件不会丢失到废料堆上。
图6：提供了数百种喷嘴品种，全部针对各种操作参数进行量身定制。
某些系统还提供崩溃的避免。使用与自动聚焦功能相同的传感工具，崩溃避免技术不断将信号发送回控制器。如果工件表面不是应该的，它会发出警报，试图在发生之前停止崩溃。
考虑所有变量
激光器比其类型更多。无论您是使用二氧化碳，光纤，磁盘，闪光灯还是二极管泵送的YAG，还是选择适当的光束输送和聚焦系统都可以是至关重要的。如果没有正确交付和专注于应用，无论其质量如何 - 都可以真正有效。
This article has been adapted and updated from Laser Mechanisms’ presentation, “Advanced Solutions for Laser Beam Delivery,” presented by Fiber Systems Manager Tom Kugler at FABTECH®, Nov. 15-18, 2009, Chicago, ©2009 by the Fabricators & Manufacturers Association and Society of Manufacturing Engineers.
