激光加工系統(tǒng)中，主要使用透鏡或拋物面反射鏡作為聚焦元件。

C02激光器中，ZnSe是聚焦透鏡的主要材料，它對CQ激光波長的光束具有良好的傳輸特性o Nd:YAG激光波長的光束可以直接穿透玻璃，因此玻璃常用來做一些透光元件。功率在2kW以上光束，其光學(xué)元件主要由石英材料制成，石英不僅傳輸特性好，還有較強(qiáng)的熱載承受能力。焊接過程中，煙霧和金屬飛濺很容易污染透鏡，大多數(shù)的焊接應(yīng)用可通過噴嘴設(shè)計適當(dāng)減少這種危害。Nd：YAG激光器在切割、焊接加工頭中的聚焦透鏡經(jīng)常采用玻璃作為防護(hù)罩，加工質(zhì)量的好壞在很大程度上取決于防護(hù)罩的情況。如今已有專門的傳感元件用于檢測和顯示防護(hù)罩的損傷程度，這樣就避免了許多不必要的關(guān)機(jī)和防護(hù)罩清理工作。

雖然透鏡聚焦價格較便宜，但反射鏡聚焦卻愈來愈普及，尤其是在焊接應(yīng)用中，因為反射式聚焦鏡可與水冷元件相配合使用，而且，反射鏡式光學(xué)元件對激光加工過程的污染與損害具有一定的抵抗能力。當(dāng)加工所需的平均功率較高時(≥3.5kW)，一般均采用水冷的反射鏡式光學(xué)元件。在焊接應(yīng)用中，通常是采用帶有不同涂層的銅制拋物面狀反射鏡。如果涂層適當(dāng)，金屬制的拋物面反射鏡也能用于Nd: YAG澈光。同透鏡聚焦系統(tǒng)相比，聚焦反射鏡的價格較貴。根據(jù)幾何形狀不同聚焦反射鏡可分為圓柱形、球形、環(huán)形和拋物面形。一些具有特殊鏡面結(jié)構(gòu)的反射鏡和其他用于改變激光束能量密度分布的光學(xué)鏡片主要用于表面加工。

無論是反射式聚焦還是透射式聚焦，由于聚焦系統(tǒng)與加工頭的集成性，使得光束的作用區(qū)域及加工速度受到了一定的限制。掃描式聚焦系統(tǒng)突破了聚焦鏡在空間排布上的限制，大大提高了激光加工的效率。在圖3-28所示的掃描式聚焦焊接加工頭中，激光束通過兩個呈900排列的反射鏡傳輸?shù)焦ぜ谋砻妫瓷溏R的角度可靈活、快速變化，獲得很高的加工效率，同相應(yīng)的軟件配合，可以實現(xiàn)任何二維軌跡的焊接加工。

為擴(kuò)大激光束在工業(yè)中的應(yīng)用范圍，可將激光束分解成兩個或多個獨立的光束。如圖3-29所示的分光元件能對兩個分離焦點之間的距離進(jìn)行調(diào)整，采用這種光學(xué)元件，在對間隙較敏感的焊接應(yīng)用中，可適當(dāng)放寬焊縫的間隙，提高焊接適應(yīng)性。上產(chǎn)生一定直徑的光束，由此彌補(bǔ)光束源的j二作條件或加工系統(tǒng)中光束路徑長度變化帶來的影響。圖3-20所示為一個擴(kuò)束鏡的典型結(jié)構(gòu)示意圖。

3.7.2光束的轉(zhuǎn)向

對光束轉(zhuǎn)向元件的要求是應(yīng)當(dāng)確保

光束在經(jīng)過光路上的不同光學(xué)元件時保1 00%  持源光束的功率不變。CQ激光器和輸HIlNd：YAG激光器的傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向方法都是將

反射鏡插入在光束的傳輸路徑q1。

圖3-21所示為CQ激光器和Nd: YAG

激光器的光束轉(zhuǎn)向原理。3.7.3光束的能量分配

某些加工任務(wù)町能需要在幾個不同_L位同時使用一個光束源的能量，我們稱將光束能量以不同形式進(jìn)行分配的標(biāo)準(zhǔn)元件為能量分配元件，這類元件常用于Nd:YAG激光器中。有的能量分配元件只能提供固定的分束比，也有一些可由用戶來選擇分束比。圖3-22所示為兩個不同設(shè)計原理的能量分配元件．每個能量分配元件都有兩個輸出路徑。3.7.4反射鏡傳輸

c02激光器是通過反射鏡將光束傳輸至工件表面。如果要使加工區(qū)域內(nèi)所有點的光束質(zhì)量都保持恒定，在與精密機(jī)械導(dǎo)軌相配合的同時，反射鏡必須具有很高的反射度和表面光沽度(精度≤A/20)o圖3-23所示為一種無需調(diào)整的柔性臂式光束傳輸系統(tǒng)，這種柔性臂式光束傳輸系統(tǒng)允許的L作距離達(dá)Sm左右。

與傳統(tǒng)光束傳輸系統(tǒng)相比，這種光束傳輸幾乎不需要任何調(diào)整，光束路徑長度恒定，因此在聚焦光學(xué)元件中的輸入光束直徑也恒定，不必再要用于彌補(bǔ)光束發(fā)散的復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)。若剛性不夠，還可使用玻璃或碳纖維強(qiáng)化的輕型防護(hù)管完全可以保證光束的精確傳輸。

Nd：YAG激光器除了可采用反射鏡進(jìn)行光束傳輸外，也可采用光纖傳輸。光纖傳輸簡化r系統(tǒng)的復(fù)雜運動結(jié)構(gòu)，而且光束能夠到達(dá)普通剛性傳輸方法無法到達(dá)的工作區(qū)域，如汽車車身的內(nèi)部。光纖傳輸?shù)牧硪弧€優(yōu)點是可以將激光源放在離加工系統(tǒng)較遠(yuǎn)的地方‘(>50m)，以適應(yīng)不同的工作條件。

要將光束耦合入光纖，必須將光束聚焦到小于纖芯直徑的程度，如K 3-24所示。聚焦元件fl將進(jìn)入光纖的光束聚焦列較小直徑，激光束在光纖中傳出時是發(fā)散的，必須通過光學(xué)是切割應(yīng)用來說，需要較小的焦點直徑，可以采用小直徑和數(shù)值孔徑低的光纖，這種光纖能同光束產(chǎn)生可靠的內(nèi)耦合。圖3-24光纖傳輸?shù)幕驹?/span>

光纖傳輸?shù)墓β蕮p耗主要來自光纖端面的反射和耦合散射。由于功率密度高，光纖的兩端面一般是不鍍膜的，以保持此二面的高純凈，因而在耦合過程中大約會有1096的能量損失。不過，一些大公司也生產(chǎn)端面帶鍍膜的大功率光纖，激光功率的傳輸效率可達(dá)9896以上，在一些特定的應(yīng)用場合中，只有使用這種光纖，才有可能制造出經(jīng)濟(jì)的加工系統(tǒng)。

激光加工用的光纖由石英纖芯和包層組成，光纖有兩種折射率分布形式，即階躍分布和梯度分布，階躍分布式光纖的折射率從中心到邊緣呈階梯狀遞減，梯度分布式光纖的折射率從中心到邊緣是呈拋物線狀遞減的，有些類似透鏡傳輸，但其光纖的設(shè)計同折射率階躍分布式光纖是一樣的。圖3-26光纖的全反射原理

折射率階躍分布式光纖，由于包層中含有某些添加成分，折射率相對較低。光束在光纖中是通過完全反射傳輸?shù)焦ぜ砻娴模鐖D3-26所示。纖芯與包層之間折射率的差異限制了進(jìn)入到光纖內(nèi)的光束入射角大小。將激光聚焦至光纖端面耦合進(jìn)入光纖，焦斑直徑應(yīng)小于光纖芯徑，光束會聚角(纖孔徑角y，方可在芯部與包層的界面上實現(xiàn)全內(nèi)反射。一般采用NA來描述光式中，NA稱為光纖波導(dǎo)的數(shù)值孔徑，門l為芯部折射率，rz2為包層折射率。

目前，工業(yè)中應(yīng)用的光纖內(nèi)芯直徑一般在0.3～1.5mm之間，折射率階躍分布式光纖是目前應(yīng)用較為普遍的一種，其價格較低，且能保證較高的可靠性。傳輸大功率光束時，也可以采用¨光纖束”的傳輸方式，雖然這一方法已經(jīng)通過了實驗室測試，但由于成本較高、光束傳輸質(zhì)量差，在目前的激光器和加工中并不被看重。

為保證光纖的彎曲半徑大于要求的較低值，同時保護(hù)光纖免受機(jī)械損傷，通常將光纖裝入硬塑料套管中，這樣，光纖的外徑一般會到Smm左右。

    借助不同的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，可以成倍地增加輸出光纖的數(shù)量，大幅度地提高多工位系統(tǒng)的激光加工效率o在實際生產(chǎn)中，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)可以將一個激光源所產(chǎn)生的光順序地或同時提供給幾個光學(xué)元件。圖3-27所示為Nd: YAG激光器開發(fā)的多路轉(zhuǎn)接器，它能夠以很高的轉(zhuǎn)向頻率，依次給超過20根的光纖提供光源，這種設(shè)計為“多點”或“多工位”技術(shù)的系統(tǒng)方案解決莫定了基礎(chǔ)。