在激光加工三大應(yīng)用中，激光打標(biāo)作為一個(gè)普遍性廣、低門檻的行業(yè)，最先進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，并得到快速的發(fā)展。為了在激光打標(biāo)這片紅海區(qū)凸顯出自己獨(dú)特的產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)，創(chuàng)鑫激光繼推出一系列小于100W的脈沖光纖激光器之后，又推出了100W-300W脈沖光纖激光器。但在中高功率的脈沖光纖激光器應(yīng)用中，熱透鏡效應(yīng)是不可避免的。
一、熱透鏡效應(yīng)
熱透鏡效應(yīng)是指LD（半導(dǎo)體激光器）工作時(shí)產(chǎn)生的溫度會(huì)使晶體表面發(fā)生熱形變，造成了晶體各部分密度不同，而光在經(jīng)過(guò)不同密度的分界線時(shí)發(fā)生不同程度的折射，因此就形成了像是光線通過(guò)普通透鏡一樣的折射效果。
1、LD（半導(dǎo)體激光器）工作時(shí)產(chǎn)生的溫度會(huì)使晶體表面發(fā)生熱形變，造成了晶體各部分密度不同，而光在經(jīng)過(guò)不同密度的分界線時(shí)發(fā)生不同程度折射，因此就形成了像是光線通過(guò)普通透鏡一樣的折射效果
2、實(shí)際情況有時(shí)與理論不符光腰在諧振腔外而且隨著功率的升高光腰處光斑的尺寸逐漸縮小似乎輸出耦合鏡（平面鏡）變成了一個(gè)會(huì)聚透鏡這一現(xiàn)象通常稱為熱透鏡效應(yīng)
3、激光束通過(guò)熱不均勻介質(zhì)Nd∶YAG的情況與通過(guò)透鏡的情況相似,稱為熱透鏡效應(yīng).熱透鏡效應(yīng)主要由激光棒的溫度梯度和熱應(yīng)變光彈性導(dǎo)致的折射率不均勻分布引起
4、工作物質(zhì)由于熱效應(yīng),中心膨脹最厲害,外表面由冷卻水進(jìn)行冷卻,幾乎沒(méi)有膨脹,與透鏡的情況極為相似,故稱為熱透鏡效應(yīng).熱透鏡效應(yīng)是種種熱效應(yīng)中對(duì)光束質(zhì)量影響最大的
5、故稱為熱透鏡效應(yīng).表征熱透鏡效應(yīng)的主要參數(shù)有熱透鏡的焦距f和光焦度D(D=1f),光焦度的定義為[2]:D=1 f≈-l [a(n0-1)+dndT+εr,] d2Tdr2|r=0,(2)
式(2)中:a=1ldldT為線脹系數(shù)
光學(xué)元件受激光束連續(xù)照射較長(zhǎng)時(shí)間后，由于溫度升高產(chǎn)生熱變形，進(jìn)而引起透過(guò)型光學(xué)元件的折射率和反射型光學(xué)元件的反射方向發(fā)生變化。熱透鏡效應(yīng)會(huì)改變激光焦點(diǎn)（束腰）的位置，進(jìn)而影響應(yīng)用效果。
對(duì)于脈沖光纖設(shè)備，激光從激光器的隔離器（透過(guò)型）輸出后，主要經(jīng)過(guò)紅光合束鏡片（透過(guò)型）、振鏡（反射型）和f-θ場(chǎng)鏡（透過(guò)型）這些光學(xué)元件。由于透過(guò)型光學(xué)元件的熱透鏡效應(yīng)更明顯，因此接下來(lái)主要針對(duì)激光器、紅光合束鏡片與場(chǎng)鏡做相應(yīng)分析。
紅光合束鏡熱透鏡前后對(duì)比
場(chǎng)鏡熱透鏡前后對(duì)比
二、熱透鏡效應(yīng)的影響
產(chǎn)生熱透鏡效應(yīng)時(shí)，光學(xué)元件受熱膨脹，出現(xiàn)聚焦能力變強(qiáng)，聚焦光斑尺寸變小，焦距和焦深變短現(xiàn)象。這些現(xiàn)象的產(chǎn)生，最終會(huì)造成打標(biāo)不穩(wěn)定，影響打標(biāo)效果。通過(guò)脈沖光纖激光器的幾個(gè)典型應(yīng)用分析熱透鏡效應(yīng)的影響：
1．氧化鋁打黑：
發(fā)生熱透鏡效應(yīng)時(shí)，焦距變短，材料表面能量密度降低，氧化鋁打不黑，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)中心和邊緣效果黑度不一致現(xiàn)象。
2．金屬深雕：
金屬深雕一般使用焦距（焦深）短的場(chǎng)鏡，當(dāng)高功率深雕時(shí)，由于熱透鏡效應(yīng)，材料處能量密度迅速下降，造成金屬打雕不深。由于光學(xué)元件中心比邊緣膨脹大，出現(xiàn)中心淺，四周深現(xiàn)象（深度不一致）。
3．薄片切割：
根據(jù)不同的材料，脈沖光纖激光器切割薄片通常采用單次慢速或多次快這兩種方法。熱膨脹與冷卻回縮可以在很短時(shí)間（＜1S）內(nèi)發(fā)生，因此切割時(shí)出現(xiàn)起始位置可以切穿，其它位置切不穿材料。
4．金屬薄片焊接：
對(duì)于高功率脈沖光纖激光器焊接金屬薄片（＜0.6mm），通常采用圓形螺旋線填充的方式焊接。熱透鏡效應(yīng)會(huì)造成焊點(diǎn)大小不一致，拉拔力不夠。
三、熱透鏡效應(yīng)的測(cè)量
不同材質(zhì)的光學(xué)元件，熱膨脹系數(shù)不一樣，因此對(duì)于不同配置的激光系統(tǒng)，應(yīng)用于不同的材料，熱透鏡效應(yīng)的程度都不一樣。既然熱透鏡效應(yīng)不可避免，那么將熱透鏡程度進(jìn)行量化，設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)就顯得極其重要。焦距的變化反映出熱透鏡的程度，下面通過(guò)兩種方法去測(cè)量焦距的變化：
1．調(diào)焦法：
優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)單，可以大致測(cè)量出焦距變化量
缺點(diǎn)：由于焦深的存在，高度F1與F2存在一定的誤差，因此焦距變化量L不太準(zhǔn)確，可以通過(guò)多次測(cè)試減小誤差；高功率下打標(biāo)，光太強(qiáng)，不易重新找到焦點(diǎn)位置
2．打標(biāo)效果測(cè)量法：
測(cè)試方法示意圖
通過(guò)如下操作，可以測(cè)出各個(gè)光學(xué)元件熱透鏡的程度：
打標(biāo)效果圖
四、熱透鏡效應(yīng)的改善
功率越高或標(biāo)刻高反材料，光學(xué)元件受熱膨脹越迅速，熱透鏡越明顯。改善熱透鏡，可以在激光器、場(chǎng)鏡和紅光合束鏡片三方面著手：
1．激光器：
準(zhǔn)直器的光學(xué)透鏡使用石英材料，減小熱膨脹系數(shù)；定期清潔激光器輸出頭的保護(hù)鏡片，避免雜質(zhì)污染。
2．場(chǎng)鏡：
使用中高功率（≥100W）脈沖光纖激光器，建議場(chǎng)鏡選用復(fù)合材料或石英材料；定期檢查和清潔場(chǎng)鏡的保護(hù)鏡片，避免雜質(zhì)污染或損傷。
