激光钻孔的新方法

激光钻孔的新方法

激光钻孔能被划分为三类：冲孔、机械穿孔和光学穿孔。冲孔采用脉冲激光束，其光斑直径等于被加工孔的直径。机械穿孔利用了微聚焦的激光束，光斑直径比被加工孔小得多。微光斑随后沿着环形或螺旋轨迹切割出所需的形状。光斑移动的轨迹主要通过光学设备、激光聚焦镜或工件的旋转得以维持。另一方面，光学穿孔采用的是静态环形光束，通过聚焦在工件上产生热量、熔化及气化环形圆周附近的材料以产生穿孔，减少了能量的浪费。

以上三种钻孔技术中的任何一种都能通过采用辅助气体去除熔化材料或加快金属燃烧速度来提升钻孔速度。光学穿孔中的关键步骤是将激光系统发出的高斯光束或多模式激光束转换成环形光束。各种光束整形元件能帮助获得环形光束，此类元件的设计主要依据几何或光线传播的衍射原理。激光束整形包括了激光光强的重新分布，包括激光束横截面几何形状的修整。光强分布决定了光束具有不同形状，如高斯、多模式、环形、矩形、椭圆或圆形。

光束整形元件和衍射

轴棱镜元件能产生集中的非衍射光束，通常被称为Bessel光束，即使光束在空间行进较长距离，其横断面的光强模式依然不会改变。此类光束的中央衍射模式是激光光斑具有非常小（以波长计）的直径、无限的场深，应用于光学成像、激光测量、不发散光学系统的设计和等离子体波导的产生等。

产生环形光束的轴棱镜光学系统，在设计中必须最小化衍射现象的产生，并且考虑到光学元件的偏差。光学相差的产生主要源于不精确的制造工艺所引起的有缺陷环形光束，聚焦镜引起的衍射转换了沿着光束扩散路径的强度分布。根据有缺陷的环形光束中多个衍射环的存在，Arago点存在于焦点周围某特定轴向距离的区域，而不是象理论所预测的那样：Arago点只存在于焦平面。有缺陷的环形光束也成为另一种判断是否存在设计问题或异常光学元件的标志，具体来说，一个环形光束带有多个衍射环，出现在试验中的焦平面之后。另一方面，理论上的完美环形光束出现，是因为入射于聚焦镜上的环形光束是无缺陷的。

当衍射效应被最小化，光学穿孔能为许多方面带来柔性，比如提高孔的质量，通过工件的传导降低激光能耗，相对传统的圆形光束激光来说增加了钻孔的速度，因为激光能量可以通过环形光束以多种方式传递给工件。而且，光学穿孔比机械穿孔更为简单，因其利用了光学元件生成环形光束，而没有移动部件。

在冲孔和机械穿孔过程中，光束的光强分布通常是高斯分布或均匀分布。但对于光学穿孔来说，光强分布可以是高斯分布、半高斯分布、均匀分布，或在环形区域内的任何其他形状。半高斯光束在环形半径方向的最内和最外侧有最大的强度，它们又被分别称为内半高斯分布和外半高斯分布，能被用来实现更好的钻孔效果，原因是相对全高斯分布光束在环形区域内都有最大强度来说，它们减少了材料中的热效应。

光学穿孔的应用

对于均匀和三角脉冲来说，外半高斯光束相比内半高斯分布光束和全高斯分布光

束能够产生更大的熔深。外半高斯光束在环形的外圆周处产生最高温度，使该处热传导朝向圆环的中心，以产生更大熔深。另一方面，内半高斯光束在环形的内圆周处得到最高温度，因此，一部分能量被传导向背离中心区域的外圆周方向。

全高斯环形光束生成更小的熔深，因为它在环形区域内部产生了最高温度，从而热量同时向环形区域的两侧传导（内环和外环）。因此，对于全高斯光束来说，热传导更多发生于径向而朝工件内部传递。

光学穿孔同样使得修改孔的锥度成为可能。例如，通常被用于燃油喷嘴的内锥孔或外锥孔，能通过使用不同的光强分布很容易地加工出来。轴棱镜中镜片的圆锥表面能产生拥有不同光强分布的环形光束。此类分布同样能被用来控制重铸层厚度和热影响区的大小。

光学穿孔提供了一种创新的方法，它能通过环形光束的圆周向工件传输能量，使得大范围的钻孔成为可能，免去了熔化和/或气化孔内所有材料的必要。这一机制能被用于钻大直径孔或切割金属宽槽，混凝土结构或墙壁。它同样能被用来进行隧道挖掘，采矿以及石油开采的应用。

除了钻孔之外，环形光束在一些其它应用如激光冷却、捕获中子、圆形切线以及生物医药域也引起人们的兴趣。大焦深，即在一段很长的距离之内维持一定的激光光强的能力，对于包括钻孔在内的所有应用都很重要。