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平顶光和高斯光有什么区别?切割效果有何不同?
材料来源:光惠激光          

激光一般都是高斯光束,即光束强度在空间上呈现高斯分布,这样的光束具有中间强度十分高,往外沿着高斯轮廓逐渐下降。 

而在实际的应用中,往往不仅需要高斯光束,针对特定的应用需求,还会对激光光束具有特定的要求。比如:在能量分布上,具备环形分布;在光束形状上,具有方形,圆形等形状。

高斯光束的能量分布较为不均匀,中间能量过高,会引起局部温度过高从而影响激光与物质间的相互作用;两翼能量过低,降低了利用率。因此,在某些场合,需要将高斯光束整形成能量均匀分布的平顶光束,以改善激光加工效果。

下图所示分别为高斯激光轮廓和平顶激光轮廓的特点:

光束可用中心区域两侧的低强度部分称为“两翼”,其强度低于激光加工应用所需的灼烧阈值,这些两翼的能量通常会被浪费掉,导致能量利用率大大降低;同时,两翼的能量也会损伤目标区域以外的周围区域,从而扩展热影响区。另一方面,高于灼烧阈值的高强度部分称为“过剩能量”,这些过剩能量有可能损坏基材;更有甚者,中心部分能量过于集中,很容易将光学器件损坏。

与高斯激光束相比,平顶激光束能更有效地利用能量。在高斯光束轮廓中,中间高于应用要求的强度阈值的过剩能量和两翼中低于阈值要求的能量,都被浪费掉了。平顶光束轮廓中没有两翼,但具有较陡的边缘过渡,因此能量利用效率更高,并且对周围区域的损伤也会减少。

从上图可以看出,与高斯光束相比,平顶光束的能量能够更清晰地包含在给定区域中。使用平顶光束焊接或切割,都将更加准确,并且对周围区域的损伤也会减少。

利用平顶光束进行切割时,可以产生更干净的切口和更锐利的边缘。

利用平顶光束进行焊接时,焊接的缝隙将会比高斯光束情形下更加匀滑。

平顶光束有哪些缺点?

与高斯光束不同的是,在自由空间中传播时,强度形状会发生变化,所以不利于长距离传播。而高斯光束在传播过程中,即使光束大小改变,光束轮廓仍然是高斯。

通常激光器发出的都是高斯光束,然后需要采用一些合适的光学元件改变其强度形状才能得到平顶光束。

光惠激光独有的HBF技术(High Brightness Flat-top),通过光纤输出高亮度平顶光,光斑边缘锐利,高能量阈值,可以提高激光能量利用率的同时降低热影响区和损伤,有效提高激光加工速度和精度。

以光惠激光的5M-12000W激光器为例,相比同功率段的其他激光器,可以大幅度提高能量利用率,最直观的体现就是切割速度大大加快。

在切割厚板时(下图所示为氧气切割16mm碳钢),使用HBF技术的平顶光斑切割相比高斯光斑来说,切割面更加光滑,切口边缘更加锐利。

高斯和平顶是激光束的一个重要特性,了解它们的区别之后,今后的激光加工中,就可以根据这些区别合理地选择。

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