摘要 研究了数控激光切割机在进行金属板切割时激光束经凸透镜聚焦的聚焦光束传播方向的偏转问题。找出了当激光束中心入射线与聚焦镜（凸透镜）光轴异面时影响聚焦光束方向的几个入射物理量，并运用几何光学原理给出了聚焦光束方向与它们之间的关系式，同时提出了一个调节聚焦光束方向并使聚焦光束垂直于待切割板材板面的方法。切割实验表明，在一定的调节范围内，采用此方法可以方便地调整聚焦光束方向。这一方法也适用于其他采用透镜聚焦的激光加工设备，并为此类设备的聚焦光束方向调节设计提供了一个新的选择和依据。
关键词 激光技术；聚焦光束方向；几何光学；聚焦镜
１ 引 言
激光加工技术是涉及光、机、电、材料加工及检测等学科的复合型先进制造技术。在能源、交通运输、钢铁冶金、船舶与汽车制造等国民经济支柱产业，激光加工技术正发挥着不可替代的作用［１］。激光切割是激光加工中最主要的一项应用技术，占整个激光加工业产值的７０％以上［２］。激光切割加工过程非常复杂，影响因素又很多，如果加工工艺参数选择不当，切割质量必然会受到很大影响［３］。在采用透镜聚焦的数控激光切割机中，聚焦光束入射到板面的角度是切割过程中最重要的参数之一［４，５］，在一般的激光切割工艺研究中，如无特别说明［６］，都默认了聚焦光束是垂直入射到被加工板材表面的［７，８］。然而，在实际生产过程中这一条件很难精确满足，即使经过精心调整的光路也仍然可能存在不可忽略的偏差，这给激光切割工艺研究用于指导生产实践带来了一定的障碍。本文以ＳＬＣＭ１２２５ 数控激光切割机［９］为例，从聚焦镜光路分析入手来研究与聚焦光束方向有关的因素。
２ 聚焦镜光路分析
在进行聚焦镜光路分析之前，先假设激光器送到数控激光切割机的激光束是发散角为零且能量均匀呈轴对称分布的圆光斑；另外，考虑到激光热加工的特点，可以用入射激光束与聚焦光束的能量中心线走向来指示激光束和聚焦光束方向，分别称为入射激光束方向线与聚焦光束方向线。显然，符合假设条件的入射激光束能量中心线就是其几何中心线。
２．１ 数控激光切割机外光路概述
如图１所示［９］，ＳＬＣＭ１２２５数控激光切割机在工作过程中，最理想的外光路是从激光器出来的激光束几何能量中心线以４５°角入射到圆偏振镜的圆心，并以４５°角反射出来，垂直入射到聚焦镜以光心为圆心的圆面内，并最终垂直入射到被切割板材表面。然而，在实际生产中，光路总会有偏差，当然，这些偏差最终都会集中在最后一块镜片聚焦镜上，于是入射到聚焦镜上的入射激光束方向与经聚焦镜聚焦后的聚焦光束方向便成了本文的主要研究对象。
２．２ 聚焦镜入射光路分类
为研究方便，依据入射激光束方向线与聚焦镜主轴所在直线的关系可将入射光路分为共面入射光路和异面入射光路。其中共面入射又包含垂直入射和斜入射［９］，它们也可看作是异面入射的特殊情况，即当入射角为零时就变成了垂直入射，当入射角不为零但两异面直线距离为零时就变成了斜入射。关于共面垂直入射和斜入射光路的问题此处不再深入讨论，而是重点研究激光束异面入射聚焦镜后影响聚焦光束方向的因素。
3 实验验证
3．１ 聚焦镜的热效应影响
ＳＬＣＭ１２２５数控激光切割机一般配用美国ⅡⅥ公司生产的焦距为１９０ｍｍ 的平凸透镜，镜座有水冷等散热设计，因而在使用过程中能够使镜片保持良好的工作状态，实现激光束的有效聚焦，进而完成数控激光切割机的切割加工工作。在此过程中，散热设计很好地消除了大功率激光束对聚焦镜的热影响。当然，即使存在一点热影响，也只能是其焦距大小有一点变化，而不会是其聚焦性能有变化（如散焦等），否则数控激光切割机便不能正常工作。也就是说，在激光切割过程中，聚焦镜的热影响可以忽略。
3．２ 实验光源选择
由于用于加工的激光束功率很高，不便于采用仪表对入射激光束和聚焦激光束进行测量；另外，如配套使用的激光器是ＣＯ２ 激光器，则其发出的１０．６μｍ 的激光是不可见的，也不便于测量。为此，采用６５０ｎｍ的红色可见激光作为实验光源。由3．１分析知，可以用此光源代替大功率激光光源进行实验，来验证能使聚焦光束折射角θ２＝０°的聚焦镜的平移量。
3．３ 实验结果
如图５所示，选用三轴位置控制系统承载聚焦镜和光源，以聚焦镜初始位置的光心犗点为原点建立空间立体坐标系，实验中选择几个特定的光源坐标位置和入射角度，则激光束在聚焦镜上的入射点犆的坐标位置不变，聚焦镜在狓轴、狔轴方向上的位移量分别由狓轴、狔轴方向上的丝杠旋转角度与丝杠螺距决定。在焦平面位置放置带刻度的光屏，于是便建成了我们所需要的实验装置。这个实验装置能够使聚焦镜在狓狔平面内做平运动，从而使聚焦光束落在焦平面上的光点在焦平面内跟着平移；由于入射点犆的坐标位置不变，所以聚焦光束方向也就因此而发生了变化。
4 结 论
根据讨论分析及实验可知，聚焦光束方向（聚焦光束折射角）与入射激光束入射参数犱、θ１、α 以及聚焦镜焦距犳有关，控制聚焦光束方向可以通过聚焦镜的平移来实现。在切割钢板时，主要靠视觉观察打孔时火花向四周溅射是否均匀来判断光束是否垂直于被切割板材表面。当采用系统控制自动平移凸透镜来调节聚焦光束方向时，应当考虑凸透镜的光学误差对凸透镜平动位移量的影响。本文根据入射激光束方向线与聚焦镜主轴异面导出的公式也包含了激光束方向线与聚焦镜主轴共面的斜入射和垂直入射情况。从理论上讲，对于所有用到透镜聚焦的激光加工设备（如激光热处理机、激光焊接机、激光成形机等），都可以通过聚焦镜的平移来实现对聚焦光束方向的控制。只要偏差不大，使用这一方法进行聚焦光束方向的修正是既方便又快捷的，当然，这也需要设计并使用相应的调节机构才能实现。