光束傳輸對于激光切割過程的可靠性具有重大意義，瑞士百超專注研發(fā)光束傳輸質(zhì)量。“光束性能與傳輸是百超激光切割系統(tǒng)的核心要素，”瑞士百超激光研發(fā)部負責(zé)人Roland St?ckli如是說，“從技術(shù)角度來看，它是我們必須掌握的技術(shù)含量最高、最耗費時間的工作之一，它就是決定機床切割是否穩(wěn)定的重要因素。”
對于光束傳輸從其定義來看都包含什么，各種理解不一而終。從最廣泛的意義上來講，光束傳輸包括從諧振腔到切割頭的完整光束通道。從更加嚴格的意義上講，例如在技術(shù)術(shù)語中，它一般只是指諧振腔的光束輸出和切割頭的光束輸入。很多激光切割系統(tǒng)中使用的元件都可以在市面上買到。光束性能與傳輸部門激光物理學(xué)者Andreas Lüdi稱：“另一方面，完整的光束傳輸概念并不存在。可以說，光束傳輸質(zhì)量是百超區(qū)別于其他競爭對手的一項要素。有了基于大量技術(shù)訣竅和能力的光束傳輸技術(shù)，百超有實力獨樹一幟。”
光束傳輸?shù)娜蝿?wù)就是保持激光束高品質(zhì)由諧振腔傳輸?shù)角懈铑^，從而保證了切割過程的連續(xù)性，確保了切割穩(wěn)定性和過程可靠性。光束傳輸根據(jù)機床的尺寸可以有幾米長，它必須根據(jù)具體的要求加以構(gòu)造，只有這樣才能有效抵消或者補償影響降低光束質(zhì)量的各種因素。
諧振腔和光束的形成
光束的形成主要是靠諧振腔中的透鏡以及擴束系統(tǒng)中的兩個遠視鏡。
圖1 光束從諧振腔輸出端到包括切割頭之間傳輸
百超應(yīng)用飛行光路技術(shù)(圖1)，激光源是固定的，緊貼機器，切割頭所在的切割橋既輕便又靈活。正是由于移動架的重量較輕，可實現(xiàn)高的加速度和高速移動。這確保了快速高效率切割，但對光束傳輸也提出了額外的要求。與激光束的自然屬性相稱，由諧振腔發(fā)出的光束呈腰形(圖2)。由于透鏡在移動，產(chǎn)生的光束長度也隨之發(fā)生變化，到達工件的光束在沒有抵消措施的情況下將呈現(xiàn)不同的特征(焦距長度和橫截面)。為了彌補這個不足，利用遠視鏡將光束放大。這確保了光束橫截面保持基本的連續(xù)性，即在事實上保持其不因長度改變而有所變化。使到達切割臺任意點的光束始終保持一致。
圖2 激光束覆蓋整個切割范圍
與其重要性相符，光束在光束傳輸?shù)钠瘘c正確成形。下一個決定性的階段是使高品質(zhì)光束傳輸?shù)竭_切割頭。這個過程可在防護罩中完成。
防護罩和光束傳輸通道
擴束和偏振作用之后，光束必須得到充分保護，以便在到達切割臺時保持其特征。百超的激光傳輸是在帶防護罩的光束通道中完成的。這個裝置非常復(fù)雜，它必須滿足質(zhì)量方面的許多需求：首先它不能是易燃的，必須是完全密封的，須有一定的使用壽命，不能透氣。密封，這就意味著它必須不透塵、不透水、不透氣。開發(fā)團隊更傾向于防護罩是真空的，因為這樣的話，光束就可以以最小的干擾傳輸。由于在技術(shù)上這樣做是行不通的，所以百超利用純凈空氣（即幾乎沒有濕度的空氣）保護光束通道，濕氣和塵垢一樣具有類似的負面作用，可改變光束的橫截面和光束特征，另外一個關(guān)鍵參數(shù)是CO2含量。為了防止上面所提及的類似雜質(zhì)進入周圍的空氣，防護罩要保持一定的壓力。
BySpeed激光切割機，切割頭以169m/min的速度移動，在空氣動力學(xué)中會出現(xiàn)巨大的差異。這時候會出現(xiàn)一定的風(fēng)險，光束通道中的某些點上會有負壓力而不是所希望的正壓力。在這些點上潛在地存在著污染的危險。所面臨的挑戰(zhàn)是通過利用精確測量的動態(tài)光束傳輸、防護罩交換器和靈活的通道避免出現(xiàn)類似的情況。所有這些措施都確保了聚焦及精確的光束到達切割臺，而不是分散的光束。
切割頭和光束聚焦
光束傳輸?shù)慕K點是切割頭。切割頭的聚焦光學(xué)元件可以確保切割工件的激光具有高強度和高度集中。由于適應(yīng)性光學(xué)元件和可調(diào)整透鏡的存在，焦點的位置也可以改變，由于材料的密度、特征以及所使用的切割氣不同，需要有不同的焦點位置。切割頭構(gòu)造的最主要挑戰(zhàn)是開發(fā)出耐用度最強重量最輕的切割頭，要能夠經(jīng)受住切割過程中產(chǎn)生的重壓以及張力。另一方面，切割頭應(yīng)該便于使用，容易更換，有盡可能多的功能。
“只有所有的部件都完美地配合時，才有可能實現(xiàn)進一步優(yōu)化，光束傳輸環(huán)節(jié)越來越被重視。”Roland St?ckli贊同地表示。只考慮光束傳輸中的某一點而忽略其他部件是遠遠不夠的。因此，百超在整個鏈條上仍然繼續(xù)做著深入開發(fā)的工作，目標(biāo)就是為客戶進一步提高過程的可靠性以及進一步提高生產(chǎn)力。任何想把系統(tǒng)推至完美使速度達到極限的人都必須確保所有的核心部件（諸如光束傳輸?shù)龋┒家愿哂跇?biāo)準(zhǔn)要求。