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罩，加工質(zhì)量的好壞在很大程度上取決于防護罩的情況。如今已有專門的傳感元件用于檢測和顯示防護罩的損傷程度，這樣就避免了許多不必要的關(guān)機和防護罩清理工作。

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*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化的輕型防護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)，而且光束能夠到達普通剛性傳輸方法無法到達的工作區(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，同時保護光纖免受機械損傷，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**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)。