鋼鐵、合金鋼和其它材料的切割、焊接和打標，過去一直采用接觸式加工技術。高功率(平均功率1kW以上)CO2激光器結構設計的最新進展，節約了這些激光器的購買(mai) 和使用成本。因此，高功率CO2激光器在許多原來專(zhuan) 門留給其它技術完成的生產(chan) 過程中獲得了認可。激光焊接與(yu) 切割提供非接觸式加工所具有的優(you) 勢使之成為(wei) 可能，例如，激光焊接可以采用遙控焊接頭進行大麵積處理。同接觸式加工相比，激光加工在工件上產(chan) 生的熱影響區(HAZ)小得多，這減少了被加工材料的尺寸問題，有助於(yu) 精密零件製造。隻要光束穩定並聚焦在工件上，激光加工相對非激光加工來說就有顯著的成本優(you) 勢。

　　激光加工過程首先是一個(ge) 熱變化過程，激光器發出的能量聚焦於(yu) 很小的靶區，並將熱量傳(chuan) 遞給被加工的材料，難怪許多加工過程高度依賴於(yu) 材料所能吸收的能量。加工過程的效率往往是輻照度的平方或立方的函數。因而可以斷定，工件上的焦斑總能量和能量空間分布是加工過程的成功關(guan) 鍵，而且對激光束空間能量分布形狀的變形是非常敏感的。許多CO2激光器不僅(jin) 僅(jin) 輸出單橫模光束，因此光束模式的質量非常重要。

　　在激光焊接中，必須完全地保持零件之間的間隙調整，這就需要把激光束的能量始終對準相同的靶區而不發生焦斑漂移。如果進行高速焊接，不良光束結構可以引起焊縫不良的問題。在激光切割中，光束的質量和聚焦能力對切口本身的質量非常關(guan) 鍵。質量低劣的光束可以造成零件報廢或返修而增加成本。盡管有這些局限性，激光加工依然具有許多優(you) 勢，足以成為(wei) 未來材料加工的主流技術。

　　空間光束能量分布分析是一種測量方法，它把構成光束的所有變量合成為(wei) 一目了然的圖象。這個(ge) 方法適用於(yu) 一切激光器，而不僅(jin) 僅(jin) 是CO2激光器。CO2激光器最常用的光束能量分布分析方法是丙烯酸模式燒蝕法。這個(ge) 方法把未聚焦的光束引向一個(ge) 丙烯酸靶塊，光束能量使丙烯酸材料氣化蒸發，而且焦斑輪廓與(yu) 光束本身的空間能量分布成正比。材料氣化形成的輪廓描述了激光束在照射丙烯酸靶塊過程中(一般持續若幹秒)的空間能量分布。

　　盡管這個(ge) 方法已廣為(wei) 應用，但是精度和重複精度在很大程度上依賴於(yu) 操作者的技巧，還在車間裏產(chan) 生大量的易燃有毒蒸氣，必須抽吸出去。而且，采用這個(ge) 方法無法測量激光束在光路上的瞬時反應，例如可能掩蓋了過程最開始時的變化。總之，模式燒蝕法最多隻能算是近似描述激光光束的性能。

　　在過去10年中開發出了一些效果各異的半電子診斷法，其中大多數方法試圖對未聚焦的光束取樣，也就是將一小部分有代表性的光束引向某種傳(chuan) 感器，以此獲得主光束的空間能量分布圖。就高功率激光應用而論，取樣不是采用細小空心管上的微米級小孔，就是采用細金屬絲(si) 末端的小反射鏡，將一小部分原始光束引向一個(ge) 熱電式單元素傳(chuan) 感器，然後由這個(ge) 傳(chuan) 感器把吸收的能量轉換為(wei) 比例電信號。

　　然而，為(wei) 了對整個(ge) 光束取樣，小孔或放射鏡必須反複地通過光束，才能使整個(ge) 光束再現為(wei) 一個(ge) 複合圖象。這樣生成的圖象是對光束進行分時掃描的累加結果。掃描時間2～10秒，因儀(yi) 器而異。該方法避免了有毒氣體(ti) ，但是和丙烯酸模式燒蝕法一樣，也無法提供任何有關(guan) 激光束瞬時響應的信息。可能存在的一個(ge) 缺點是：由於(yu) 取樣器件穿過光束，因此無法肯定地判斷這種測量方法本身是否影響光束的質量。

　　要使電子式光束能量分布測量係統比傳(chuan) 統方法優(you) 越，它必須能夠對光束進行實時分析，這樣，最終用戶可以隨時調諧或調整光束而不必坐等測量儀(yi) 器作出響應。該係統必須非常牢靠，能在產(chan) 生粉塵和煙氣的生產(chan) 環境下經受每天的嚴(yan) 峻考驗。該係統必須能夠迅速安裝就位，或者永久性地固定在光路上，而且容易操作，即便是不熟練的技工使用，也能提供傳(chuan) 統方法提供不了的詳細的量化信息。最後，該係統不能以任何形式幹擾主光束，否則就會(hui) 把一些假象引入分析過程。

　　在一些應用當中，即使周期性地評估激光束模式質量還不足夠，如在醫療器械領域，模式質量的驗證是成功生產(chan) 醫療設備零件的關(guan) 鍵。此外還包括其它因不合格零件的記錄而導致時間損失和產(chan) 量降低的操作。

　　為(wei) 了滿足市場日益對高功率CO2激光束在線監測儀(yi) 的需要，Spiricon和II-VI聯合開發了強力型、易維護的工業(ye) 用激光束監測係統。該係統采用現成的光學元件，並且可以通過激光係統信息采集卡安裝在新型激光工作站上，或根據現有的大多數工業(ye) 激光係統進行翻新改進。它為(wei) 最終用戶提供詳細的實時光束圖象，並記錄重要的激光束參數。任何一個(ge) 重要參數一旦達到預置極限時，係統便啟動警報信號，提醒操作員故障瀕臨(lin) ，使操作員能夠采取合適的行動。此外，該係統可以用來診斷一般性激光器故障，如輸出耦合器老化或激光諧振腔發生偏離。利用該係統的診斷功能，技術人員可以在較短的時間內(nei) 恢複激光器的工作狀態，從(cong) 而使激光加工的效益提高。

　　與(yu) 通常可用的其它光束分析設備不同，這種嵌入係統對照射過程來說是完全透明的，因為(wei) 沒有任何中斷光束的主動器件，全部光學元件是液冷式被動反射鏡。機箱本身與(yu) 主光路采用相同的淨化氣體(ti) ，而且該係統一旦安裝完畢，隻需跟其它光學設備一樣地進行維護。由於(yu) 儀(yi) 器實時操作，所以很適合於(yu) 在完成正常維護以後對激光器進行調諧和調節或對實際加工事件進行診斷。

　　遙控激光焊接是一種新型“使能”技術，它與(yu) 縫焊不同的是，必須把激光束的能量引向許多點，並通過快門的開關(guan) 進行焊接。對這樣的焊縫來說，最關(guan) 鍵的兩(liang) 個(ge) 測量結果是光束在焊接過程的空間能量分布和光束傳(chuan) 播的總能量。因此，新型過程監視係統最適合於(yu) 這個(ge) 用途。如果對短時持續的焊接數據進行分析，光束寬度和光束輪廓均在焊接過程中略有變化。

　　許多爭(zheng) 論出自這樣的理論：未聚焦光束的空間能量分布被“複製”到焦斑上。盡管雙方爭(zheng) 論了許多年，迄今幾乎沒有任何例證支持任一方。在這個(ge) 在線式係統的鑒定過程中，采用了兩(liang) 個(ge) 不同的儀(yi) 器同時測量未聚焦光束和焦斑。結果對照清楚地說明，該激光器的未聚焦光束和聚焦光束的空間能量分布幾乎完全一致。在鑒定過程中，還在光路上安裝和卸除該儀(yi) 器的兩(liang) 種情況下對焦點輪廓進行了測量和比較，結果證實該係統不影響焦斑結構。

　　爭(zheng) 論一方主張：研究未聚焦光束的空間輪廓對焦斑的空間能量分布是毫無實用價(jia) 值的；而另一方堅持：未聚焦光束的不良結構在聚焦後一定會(hui) 再現出來。在本例中，未聚焦光束一側(ce) 有一個(ge) “熱點”，橫模結構是一個(ge) “炸麵包圈”，即TEM 01橫模，因為(wei) 其能量分布圖形看起來像一個(ge) 典型的炸麵包圈。焦斑測量也顯示相同的橫模結構，而且“熱點”同樣出現在焦斑上。在這種情況下，原始光束的空間能量分布成了焦斑能量分布的前兆。

　　隨著激光器的長久使用，連續監測過程可以警告即將發生故障，須及時進行維修。利用係統中的連續監視器，可以在加工過程中跟蹤重要的光束參數。

　　光束能量分布給上述測量方法帶來了經濟效益，由於(yu) 生產(chan) 率增加、廢品率降低和停機時間減少而節約成本。隨著加工過程變得更加嚴(yan) 格，激光能量分布和監測技術將會(hui) 越來越有成本效益。#p#分頁標題#e#