采用新的方法進(jìn)行實(shí)時(shí)探測(cè)缺陷的存在與否對(duì)終端用戶提高材料的加工質(zhì)量、提高加工效率、減少浪費(fèi)和在制造時(shí)獲得更好的整體精益的生產(chǎn)體驗(yàn)。
從激光切割鋼板到在硅材料上打孔以及在塑料上進(jìn)行打標(biāo)，目前使用高功率激光可以在很多材料上進(jìn)行加工。每一個(gè)增加的用途都存在要求不斷提高產(chǎn)能和減少浪費(fèi)的需求，從而要求激光加工過(guò)程必須是穩(wěn)定的和可以預(yù)測(cè)的。因此，對(duì)于工業(yè)來(lái)說(shuō)，同任何其他的用于精密制造的工具一樣，必須可以高度的監(jiān)控以獲得佳的性能。
紀(jì)念激光器誕生60周年
從歷史觀點(diǎn)上說(shuō)，高功率激光的光束輪廓的測(cè)量和分析需要花費(fèi)幾萬(wàn)美元來(lái)購(gòu)買專門的設(shè)備。近期，可以替代這一傳統(tǒng)的光束分析儀的方案是高分辨率的CCD相機(jī)，這一CCD相機(jī)具有價(jià)格低廉和測(cè)量迅速的特點(diǎn)。CCD相機(jī)捕獲光束的詳細(xì)的信息，如光斑尺寸、光束質(zhì)量以及光束的穩(wěn)定性，該CCD相機(jī)是以攝像的形式進(jìn)行的，并且這一技術(shù)還可以監(jiān)控激光加工時(shí)的產(chǎn)品質(zhì)量。此外，應(yīng)用這類相機(jī)還可以減少成本和為進(jìn)行過(guò)程監(jiān)控和維修所需要的激光裝備系統(tǒng)的投資的減少和提高質(zhì)量開(kāi)辟一個(gè)新的道路。
以及激光束的束腰，包括靜態(tài)（藍(lán)色）、動(dòng)態(tài)（綠色），顯示聚焦的光斑位置n (b). 四條曲線分別表示幾個(gè)不同的測(cè)量得到的激光特征的****值 (1); 激光的1D輪廓顯示的是能量沿著工作平面的分布情況(2); 在焦平面在4 s內(nèi)向前移動(dòng)大約8.4 mm時(shí)隨時(shí)間變化測(cè)量得到的關(guān)系 (3); and the increase in the beam size at the work plane 在工作平面光斑直徑增大的結(jié)果(4). 增加光斑直徑使得其激光功率在 4-s 降低到功率密度的41%
由于高功率激光的材料加工在使用時(shí)存在巨大的挑戰(zhàn)，對(duì)OEMs和用戶來(lái)說(shuō)，積極主動(dòng)的檢查和改善光束質(zhì)量是非常重要的，并同時(shí)深刻理解以相機(jī)為基礎(chǔ)的光束輪廓分析則同樣帶來(lái)巨大的好處。
關(guān)注的光束參數(shù)
許多激光參數(shù)在整個(gè)激光設(shè)備的生命周期中都是非常重要的參數(shù)，并且存在許多不同的測(cè)量方法來(lái)進(jìn)行測(cè)量。例如，激光光束質(zhì)量的測(cè)量，像M2, BPP (光束參數(shù)乘積，beam parameter product), 瑞利長(zhǎng)度（Rayleigh length） ，都是在發(fā)展激光光源的過(guò)程中極端重要的參數(shù)。然而，這些參數(shù)的測(cè)量并不意味著在激光產(chǎn)品制造出來(lái)之后并不會(huì) 多次進(jìn)行測(cè)量。與此同時(shí)，測(cè)量諸如激光功率和光斑尺寸也是非常重要的，這對(duì)理解和掌握激光在整個(gè)生命周期的性能至關(guān)重要。這是因?yàn)殛P(guān)于激光功率密度的測(cè)量存在兩個(gè)定義。
功率密度定義為激光的量在材料加工的時(shí)候在光斑尺寸上的分布。它是激光以每平方分米面上的W數(shù)為特征的一個(gè)參數(shù)（單位為W/cm2），這一參數(shù)測(cè)量的是激光如何與材料加工時(shí)相互作用的一個(gè)量。理解了這一特征，對(duì)于激光的成功應(yīng)用非常重要。
有助于減少設(shè)備的投資
在傳統(tǒng)的制造過(guò)程中，準(zhǔn)備好的部件先進(jìn)行質(zhì)量檢查，然后將質(zhì)量有問(wèn)題的部件給予拋棄。隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展和當(dāng)今綠色制造的趨勢(shì)的發(fā)展，理解激光系統(tǒng)是如何工作的和對(duì)激光工作時(shí)的參數(shù)進(jìn)行經(jīng)常性的測(cè)量，如光束的參數(shù)和功率密度等就比以往任何時(shí)候顯得更為重要。CCD相機(jī)可以捕獲在部件加工過(guò)程中的這些特征并且能夠使得制造商發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，從而防止或極大的減少激光在加工過(guò)程中的性能表現(xiàn)。采用CCD相機(jī)對(duì)激光的性能進(jìn)行追蹤觀察，也可以在激光加工的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)。
即使是采用可以承擔(dān)得起費(fèi)用得測(cè)量方案，激光制造商面臨著矛盾的選擇，投入巨資在激光系統(tǒng)上，而這些激光系統(tǒng)卻在運(yùn)行得過(guò)程照顧你沒(méi)有保護(hù)，因?yàn)闆](méi)有測(cè)量技術(shù)來(lái)支持其在得狀態(tài)下運(yùn)行，因?yàn)楝F(xiàn)存在測(cè)量技術(shù)要么太過(guò)復(fù)雜、要么測(cè)量費(fèi)用太過(guò)昂貴，根本不實(shí)用?，F(xiàn)實(shí)是，然而，投資相對(duì)較少的激光測(cè)量技術(shù)又極端的脆弱，不太實(shí)用。當(dāng)從終端用戶的投資角度的保護(hù)出發(fā)，測(cè)量技術(shù)需要實(shí)實(shí)在在的具有投資省和運(yùn)行方便、穩(wěn)定的特點(diǎn)。
更多的公司正在尋找更負(fù)責(zé)任地消耗能源 的途徑。他們分析和將他們的產(chǎn)品進(jìn)入流水線以減少產(chǎn)品的制造時(shí)間和材料的消耗。然而，對(duì)于激光系統(tǒng)的測(cè)量這一塊依然存在障礙。主要原因是：1)測(cè)量設(shè)備的投資；2)測(cè)量設(shè)備的運(yùn)行比較困難以及還存在可能損毀或損壞的風(fēng)險(xiǎn)；和/或3)測(cè)量的時(shí)候還存在需要花費(fèi)時(shí)間的問(wèn)題，尤其是，當(dāng)這個(gè)花費(fèi)的時(shí)間是需要犧牲產(chǎn)品制造的時(shí)間的時(shí)間。然而，從內(nèi)心中深刻理解影響激光加工效率的因素的相關(guān)知識(shí)，并使得分析系統(tǒng)的性能變得容易和自然是非常重要的。
測(cè)量高功率激光
一般來(lái)說(shuō)，用以測(cè)量高功率激光性能的方法有三個(gè)。首先是激光光束的輪廓測(cè)量，包括兩個(gè)常見(jiàn)的使用了20多年的測(cè)量手段：利用低功率和中等功率的激光來(lái)掃描狹縫光束輪廓儀。這時(shí)樣品中會(huì)分配到一定比例的激光并代表單一元素的探測(cè)器而存在。另外該類測(cè)量方法中的另外兩個(gè)測(cè)量手段則是，旋轉(zhuǎn)或者平移掃描針孔而制造出2D的光束圖像。這一測(cè)量方法需要較大尺寸的設(shè)備并且具有可移動(dòng)的機(jī)械裝置、水冷裝置、對(duì)操作比較熟悉的操作者，同時(shí)還需要有足夠的時(shí)間來(lái)完成測(cè)試。由于這一設(shè)備相對(duì)來(lái)說(shuō)比較昂貴而且維護(hù)費(fèi)用也不低、測(cè)量的效率也比較低，使得這一技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)制造環(huán)境中并不實(shí)用。
第二個(gè)測(cè)量方法是一種新的技術(shù)，包含一個(gè)非直接或者非接觸的測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)不需要同激光束相接觸。這一技術(shù)是基于光束的瑞利散射光從側(cè)邊進(jìn)行成像的原理，并且實(shí)時(shí)測(cè)量整焦點(diǎn)周圍的光束散焦度。這一技術(shù)在工業(yè)中應(yīng)用的時(shí)候?qū)儆谑紫?，并且該技術(shù)可以測(cè)量整個(gè)光束的散焦度，而且時(shí)間分辨率比較高，采用視頻進(jìn)行采集。
第三種測(cè)量技術(shù)則屬于將高功率激光束的測(cè)量給進(jìn)一步的進(jìn)行了發(fā)展，增加了測(cè)量速度和降低了測(cè)量成本。這一先進(jìn)的激光束測(cè)量技術(shù)可以直接、快速、低成本、低功率、一次照射，而且采取的是同CCD光束輪廓儀相類似的辦法，結(jié)合光強(qiáng)衰減的程度來(lái)進(jìn)行測(cè)量。這一辦法包括專門用于光束分析的光強(qiáng)衰減測(cè)量系統(tǒng)，整合雙取樣光學(xué)元件和在聚焦的光束到達(dá)相機(jī)之前的光束衰減的中性密度濾光鏡。這一系統(tǒng)的光束分離器設(shè)計(jì)成為高功率激光所用，測(cè)量范圍為NIR (1000 to 1100 nm)聚焦或準(zhǔn)直激光束輪廓 ，可以高達(dá) 5 kW or 15 MW/cm2。
使用這一技術(shù)，這一低成本的系統(tǒng)可以提供常用的 2D 和 3D光束輪廓，同時(shí)具有在一定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行圖形的圖像集成 和獲得動(dòng)態(tài)的、視頻速率的全光束輪廓方面具有快速測(cè)量的能力。
工業(yè)4.0技術(shù)的發(fā)展需要在制造的過(guò)程中將產(chǎn)品從兩個(gè)或者更多的工藝流程中進(jìn)行移動(dòng)，包括定位和在后階段對(duì)低質(zhì)量的產(chǎn)品進(jìn)行分離。在實(shí)際生產(chǎn)中，例如焊接的缺陷，就比較難以發(fā)現(xiàn)。并且，如果存在焊接缺陷，就會(huì)對(duì)部件的使用造成災(zāi)難和 經(jīng)濟(jì)損害。而且，此時(shí)拋棄該部件還存在巨大的經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)。隨著近的數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，新的技術(shù)將會(huì)簡(jiǎn)化排除質(zhì)量不佳的部件的過(guò)程。因此，在優(yōu)化的性能的條件下操作激光器對(duì)所有的質(zhì)量改善來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，如部件的質(zhì)量、整個(gè)產(chǎn)品的制造能力、次品率的下降、成本的節(jié)約等。
更緊密的過(guò)程 控制需要更多的更高頻率的捕獲工藝數(shù)據(jù)。測(cè)量功率密度是理解激光材料工藝過(guò)程中光束性能的關(guān)鍵。焦平面的遷移對(duì)輸送的激光能量密度具有十分重要的影響。因此，快速的測(cè)量系統(tǒng)來(lái)捕獲數(shù)據(jù)就是非常必要的。這一實(shí)時(shí)的測(cè)量和快速的捕獲數(shù)據(jù)將會(huì)在保證產(chǎn)品制造周期同一和改善提高這些方面非常必要。
CCD相機(jī)是一款非常低廉同時(shí)也是快速的解決激光光束輪廓的利器，對(duì)波長(zhǎng)為UV到NIR范圍內(nèi)的激光在測(cè)量系統(tǒng)的低功率的輸出前提下進(jìn)行測(cè)量均十分方面。結(jié)合光束衰減的影像技術(shù)可以制造出快速和容易的光束輪廓分析儀器，可以克服激光光束監(jiān)控的主要障礙，如時(shí)間設(shè)置、測(cè)量的時(shí)間等。該技術(shù)支撐著高質(zhì)量的監(jiān)控。監(jiān)控功率密度的趨勢(shì)對(duì)保證加工在窄的工藝窗口進(jìn)行穩(wěn)定工作和在優(yōu)化的工藝條件下工作非常有益。這節(jié)約了能源和提高了產(chǎn)品質(zhì)量。相機(jī)為基礎(chǔ)的輪廓技術(shù)開(kāi)辟了一個(gè)新的自動(dòng)測(cè)量技術(shù)。