光纖傳輸系統(tǒng)在超快激光加工中的應(yīng)用研究

鄒兆安，崔龐博，朱文宇，麻丁龍

（ 1. 中國航發(fā)西安航空發(fā)動機(jī)有限公司，陜西西安 710100；2. 中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所，陜西西安710119；3. 西安中科微精光子制造科技有限公司，陜西西安710119 ）

超快激光以脈沖寬度低、瞬時功率高的特點應(yīng)用于材料加工，扮演著創(chuàng)新尖兵的角色，引領(lǐng)制造技術(shù)進(jìn)入激光制造的新時代，極大地提升了傳統(tǒng)制造業(yè)的水平，也帶來產(chǎn)品設(shè)計、制造工藝和生產(chǎn)觀念的巨大變革[1-4]。 隨著超快激光應(yīng)用的不斷擴(kuò)展，對其使用的安全、高效和靈活需求不斷增強，這對復(fù)雜系統(tǒng)的集成簡化、增強系統(tǒng)的可靠性與實用性提出要求[5]。 但對于超快激光，目前的傳輸方式大部分仍是由反射鏡及具有折返功能的鏡片組成的光學(xué)傳輸系統(tǒng)， 這種傳輸模式對外界環(huán)境要求高，且每個光學(xué)元件都有相對固定的位置，同時超快激光器的峰值功率高，傳統(tǒng)的光纖無法實現(xiàn)超快激光的柔性傳輸[6-8]。

根據(jù)導(dǎo)光機(jī)制劃分，可以將空芯微結(jié)構(gòu)光纖分為兩類：一類是利用光子帶隙效應(yīng)來導(dǎo)光的空芯光子晶體光纖（hollow core photonic crystal fibers，HCPCF）[9]，其導(dǎo)光原理、表面模、纖芯小、石英壁中的高能量耦合比例及表面散射損耗等問題限制了其無法應(yīng)用于高功率激光傳輸、非線性頻率轉(zhuǎn)換與超低損耗傳輸?shù)?；另一類是通過泄漏模導(dǎo)光的空芯反諧振光纖 （hollow core anti-resonant fiber，HC-ARF），這類光纖的研究最早源于2002 年Benabid 等[10]提出的Kagome 包層結(jié)構(gòu)的空芯光纖， 該光纖包層雖是周期排列的空氣孔，但不具有光子晶體光纖的完整帶隙特性。 空芯光子晶體光纖的出現(xiàn)，為超快激光柔性傳輸提供了可能， 自1999 年第一根空芯光子晶體光纖問世以來，空芯微結(jié)構(gòu)光纖取得飛速發(fā)展。汪瀅瑩等[11]提出了內(nèi)擺線型纖芯結(jié)構(gòu)，使近紅外波段光纖傳輸損耗降至40 dB/km 以下， 超短脈沖激光損傷閾值高達(dá)毫焦量級。 高壽飛等[12]利用無節(jié)點結(jié)構(gòu)的空芯反諧振光纖實現(xiàn)了平均功率74 W、單脈沖能量185 μJ、峰值功率10.8 MW 的超短脈沖傳輸， 且輸出激光在頻率和時域上均無明顯變化。李峰[13]開展了基于Kagome 型空芯光子晶體光纖的高能超短脈沖傳輸研究，進(jìn)行了脈寬234 fs、單脈沖能量100 μJ、 平均功率20 W 的高能量飛秒脈沖耦合傳輸試驗，耦合輸出的光束模式良好，耦合效率高達(dá)85%以上，脈沖寬度影響較小。 光纖的柔性化傳輸使光源更易與機(jī)器人手臂集成，進(jìn)而能夠?qū)崿F(xiàn)三維激光加工。

本文將Kagome 結(jié)構(gòu)空芯光子晶體光纖傳輸與五軸激光加工平臺進(jìn)行了系統(tǒng)化集成，開發(fā)出基于超快激光光纖傳輸?shù)目烧{(diào)耦合系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了光纖傳輸?shù)撵`活性與標(biāo)準(zhǔn)化，大大降低了傳統(tǒng)光學(xué)透鏡所帶來的系統(tǒng)誤差與光學(xué)損耗。 通過對其光學(xué)性能進(jìn)行一系列試驗和后期處理測試，與自由空間傳輸模式下試驗測試結(jié)果進(jìn)行對比，驗證了該方法的可行性。

1 Kagome 結(jié)構(gòu)空芯光子晶體光纖傳輸特性

空芯光子晶體光纖通過在纖芯中引入空氣缺陷、在包層中引入由石英薄壁和空氣孔周期性排列的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)一定波長的光被束縛在空氣纖芯中傳輸。 這種傳輸兼具光纖的波導(dǎo)性和自由空間光路的無介質(zhì)性， 與傳統(tǒng)實芯光纖相比具備明顯優(yōu)勢：①光傳輸?shù)慕橘|(zhì)是利用空氣的透過窗口，因此能量耦合時不存在端面反射損耗；②傳輸介質(zhì)具有高度的均勻性，大大減少了光傳輸時因介質(zhì)不均勻而發(fā)生的散射幾率，散射損耗??；③傳輸介質(zhì)高度的均勻性又能使光束分散性小，保證了優(yōu)異的光斑輸出質(zhì)量；④由于采用空氣作為傳輸介質(zhì)，避開了實芯光纖中引入金屬離子、OH-離子及其他雜質(zhì)，大大減少了吸收損耗，而且空芯光纖芯徑較大，空氣介質(zhì)散熱效率高，其組成材料的化學(xué)性能和光學(xué)性能都比較穩(wěn)定，能夠承受高溫、紫外線，這使空芯光纖具有較高的能量損傷閾值；⑤通過對空芯光纖內(nèi)部氣壓的控制， 可有效實現(xiàn)光纖傳輸過程中的非線性，抽真空情況下可實現(xiàn)極低的非線性，完成高達(dá)平均功率50 W、 單脈沖能量500 μJ 的高功率高能量超短脈沖傳輸。

隨著國內(nèi)外對HC-PCF 的深入研究，Kagome結(jié)構(gòu)HC-PCF 引發(fā)了研究者的廣泛關(guān)注。 這種光纖具有較寬通頻帶和較低損耗，可以避免帶隙型光子晶體光纖傳輸帶寬窄、 基模與界面模交疊等缺陷，且這種光纖易于制備，在高能量激光傳輸方面具有較大的應(yīng)用潛力。 相比自由空間傳輸系統(tǒng)， 采用Kagome 結(jié)構(gòu)HC-PCF 傳輸高能激光束在激光加工領(lǐng)域具有耦合效率高、輸出光斑模式好、安全性能高等優(yōu)點，為實現(xiàn)超快激光加工機(jī)床小型化及復(fù)雜的大曲面加工提供有效的途徑。

2 Kagome 結(jié)構(gòu)空芯光子晶體光纖傳輸試驗

2.1 空芯光纖耦合系統(tǒng)

圖1 是空芯光纖耦合系統(tǒng)光路結(jié)構(gòu)圖。 首先，激光束通過衰減模塊， 使光束以最小功率進(jìn)入光纖，防止耦合程度不高的情況下，大功率激光直接造成光纖損傷；然后，由經(jīng)一組反射鏡進(jìn)行光束調(diào)節(jié)，可快速地將激光束調(diào)整到與光纖纖芯同心的狀態(tài)；最后，通過擴(kuò)束鏡組調(diào)節(jié)入射最終光束角度及光斑大小，可將準(zhǔn)直光束進(jìn)行最終角度調(diào)節(jié)，達(dá)到最佳耦合效率，并且可在最短空間內(nèi)對不同光束直徑激光進(jìn)行耦合。 系統(tǒng)中空芯光子晶體光纖纖芯直徑為 40 μm，波長為 900～1100 nm。

圖1 空芯光纖耦合系統(tǒng)

2.2 試驗設(shè)備

試驗采用為航天領(lǐng)域關(guān)鍵零部件制造而研制的五軸超快激光微加工設(shè)備， 該設(shè)備可在金屬、非金屬、復(fù)合材料或梯度材料上實現(xiàn)通孔、異形孔、盲孔、微腔、溝槽等各種復(fù)雜形貌微結(jié)構(gòu)的加工，其關(guān)鍵參數(shù)見表1。 試驗所用的激光器功率為20 W，脈沖寬度為200 fs，波長為1030 nm。

此外，試驗中采用的其他儀器包括：掃描振鏡、光束質(zhì)量分析儀、紅外反射鏡、聚焦鏡、二次元影像測量儀等。

表1 設(shè)備關(guān)鍵參數(shù)

2.3 試驗材料

試驗材料包括：0.15 mm 厚打標(biāo)鋁片、0.35 mm厚304 不銹鋼薄片。

3 結(jié)果與討論

3.1 光纖耦合系統(tǒng)

圖2 是采用CCD 光束質(zhì)量分析儀測量經(jīng)光纖傳輸系統(tǒng)耦合的光斑，可見光斑呈高斯分布，橢圓度大于87%。

圖2 耦合后的光斑

為了保證后期試驗數(shù)據(jù)的可靠性與準(zhǔn)確性，對光纖擺動、 圓盤折疊和激光能量突變進(jìn)行了研究，并觀察了這些行為對傳輸效率的影響，具體見表2?？梢娫诓煌瑮l件的輸入功率和輸出功率下，傳輸數(shù)據(jù)幾乎未受影響，光束經(jīng)過該耦合系統(tǒng)后效率可以達(dá)到80%以上，說明光纖耦合傳輸系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性。

表2 光纖耦合系統(tǒng)傳輸效率

3.2 點加工測試

設(shè)置激光器的輸出功率5 W、頻率250 kHz，在光路狀態(tài)相同、 僅改變光路傳輸模塊的條件下，對含涂層鋁板表面進(jìn)行連續(xù)打點加工，通過觀察激光在材料表面形成的損傷形貌，分析光斑的質(zhì)量及能量分布情況。 圖3 是激光器分別經(jīng)過傳統(tǒng)光學(xué)原件與光纖耦合系統(tǒng)兩種條件下在材料表面加工形成的焦斑形態(tài)，使用二次元影像測量儀對焦斑的圓度進(jìn)行測量，測得數(shù)據(jù)見表3。

表3 點加工圓度測量結(jié)果

圖3 激光點加工測試結(jié)果

由圖表可看出，經(jīng)傳統(tǒng)光學(xué)鏡片傳輸后的光束作用于材料上的焦斑形態(tài)不圓、 邊緣參差不齊，而通過光纖耦合系統(tǒng)的超快激光傳輸形成的焦斑圓度整體較高、一致性較好。 分析造成這種差異的原因是傳統(tǒng)光學(xué)鏡片使用環(huán)境密封程度不夠、傳輸效果差，影響了光斑能量分布，造成了加工焦斑的差異；采用光纖耦合系統(tǒng)傳輸后，光束受外界因素影響小，光斑能量分布均勻，聚焦后形成的光斑質(zhì)量好，從而改善了加工效果。

3.3 線加工測試

線加工測試常被用來觀察和研究光束經(jīng)系統(tǒng)傳輸后的像散情況。 設(shè)置激光功率5 W、激光頻率250 kHz， 在焦點附近±2 mm 范圍內(nèi)于不銹鋼板上進(jìn)行線加工測試，得到的結(jié)果見圖4。

圖4 激光線加工測試結(jié)果

表4 是采用傳統(tǒng)光學(xué)傳輸和通過光纖耦合系統(tǒng)的超快激光傳輸在不同離焦量下得到的線寬結(jié)果。 可見，采用傳統(tǒng)光學(xué)元件傳輸?shù)墓馐诓煌碾x焦量下， 圓環(huán)線在不同方向上的線寬存在差異，這說明光束存在像散現(xiàn)象， 且在距焦點2 mm 處不同方向的線寬差異最大，達(dá)到21 μm；超快激光傳輸下的聚焦光束在不同離焦量下像散程度不明顯，在距焦點±1 mm 以內(nèi)的線寬差異在 1～2 μm， 在距焦點±2 mm 處的線寬差僅在 6～8 μm。 這主要是由于相較于光纖耦合系統(tǒng)傳輸條件，傳統(tǒng)光學(xué)鏡片條件下鏡片的安裝環(huán)境、鍍膜差異、鏡片變形等原因會更高概率產(chǎn)生光束像散現(xiàn)象，直接導(dǎo)致加工結(jié)果的差異。

表4 線加工線寬測量結(jié)果

3.4 孔加工測試

為了驗證光束在連續(xù)加工條件下的影響，設(shè)置激光器功率5 W、頻率250 kHz，在0.35 mm 厚的不銹鋼板上進(jìn)行圓孔加工，通過測量圓孔前后表面的圓度，分析激光制孔的質(zhì)量，得到的結(jié)果見圖5 和圖6，其圓度測量結(jié)果見表5。

圖5 傳統(tǒng)鏡片傳輸下制孔效果

表5 孔加工圓度測量結(jié)果

圖6 光纖耦合系統(tǒng)傳輸下制孔效果

由圖表可見，在傳統(tǒng)鏡片傳輸模式下，由于激光束的像散、污染等不穩(wěn)定因素影響，導(dǎo)致光斑在圓周方向上的加工焦點及能量密度存在差異，因此孔前后的表面圓度普遍較差，整體呈橢圓型；而通過光纖耦合系統(tǒng)后，孔的圓度效果均較好，這再一次證明了光束經(jīng)光纖耦合系統(tǒng)后在材料表面連續(xù)加工所取得的結(jié)果要優(yōu)于傳統(tǒng)透鏡傳輸模式。

4 結(jié)論

通過開發(fā)基于超快激光光纖傳輸?shù)目烧{(diào)耦合系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)下與傳統(tǒng)鏡片傳輸光路下的加工質(zhì)量對比試驗，得出以下結(jié)論：

（1）基于超快激光光纖傳輸?shù)目烧{(diào)耦合系統(tǒng)傳輸效率更高，在不同功率的情況下，光束經(jīng)過該耦合系統(tǒng)后效率可達(dá)80%以上，并且輸出效率長期保持穩(wěn)定。

（2）采用光纖耦合傳輸系統(tǒng)分別進(jìn)行點加工、線加工、孔加工，加工結(jié)果相比傳統(tǒng)光學(xué)鏡片傳輸，點加工形成的焦斑整體圓度高、一致性好，線加工后像散現(xiàn)象明顯減小，孔加工時加工出的孔圓度均好于傳統(tǒng)光學(xué)鏡片傳輸。 證明了光束經(jīng)光纖耦合系統(tǒng)后在材料表面連續(xù)加工所取得的結(jié)果要優(yōu)于傳統(tǒng)透鏡傳輸模式。