功能可調(diào)的衍射光學(xué)元件DOE

激光焊接被廣泛用于工業(yè)領(lǐng)域，包括汽車、航空航天、半導(dǎo)體、電子、醫(yī)療、電力、國(guó)防等。對(duì)于許多工業(yè)應(yīng)用來說，尤其是在焊接、釬焊、錫焊和其他類似工藝領(lǐng)域中，原始激光束的形狀并不是最理想的。與其他激光材料加工應(yīng)用相比，這些工藝在所需的激光功率（數(shù)千瓦）和經(jīng)常使用的高度多模光束方面很突出。而由特定工藝定制的激光強(qiáng)度分布可以提高吞吐量、接縫高度、強(qiáng)度和接縫邊緣平滑度。

對(duì)于焊接和釬焊，常用的形狀是圓形、方形、線形和環(huán)形強(qiáng)度形狀，具有均勻的強(qiáng)度輪廓。具有多個(gè)強(qiáng)度區(qū)域的圖案也經(jīng)常被使用，包括具有高中心峰或領(lǐng)先點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)這種成形，激光焊接行業(yè)采用了多種光束成形方法。其中包括衍射光學(xué)元件（DOE）、特殊排列的定制光纖束、成形光纖芯、每個(gè)激光器單獨(dú)成形的多激光組合、振鏡場(chǎng)鏡、數(shù)字反射鏡設(shè)備（DMD）和折射微光學(xué)。與其他方法相比，DOE有幾個(gè)關(guān)鍵的優(yōu)點(diǎn)：可以設(shè)計(jì)任何形狀、制造靈活、是無源元件（不需要移動(dòng)的機(jī)械零件或電子元件）和高損傷閾值。單個(gè)衍射光學(xué)元件與手動(dòng)或自動(dòng)平移/旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)相結(jié)合，可以將有限的激光器轉(zhuǎn)換為多種工藝的通用解決方案，而且不需要改變激光結(jié)構(gòu)、增加復(fù)雜的電子設(shè)備或進(jìn)行特殊的光纖操作。在這種成形方法中，光學(xué)元件的有效孔徑被劃分為離散的或連續(xù)變化的區(qū)域，每個(gè)區(qū)域都有自己的光學(xué)功能。入射到該元件的激光束被子孔徑分割為子光束，每個(gè)子光束都受到其單獨(dú)修正的影響，最終產(chǎn)生不同的效果。子孔徑可以具有相等或不同的面積，并且具有不同的形狀，例如角段、條紋或正方形。在有效孔徑內(nèi)移動(dòng)激光束會(huì)改變?nèi)肷涞矫總€(gè)子孔徑上的能量。此效果用于整體光學(xué)功能調(diào)整。具有子孔徑的光學(xué)元件的一些基本結(jié)構(gòu)如圖所示。

對(duì)于下圖所示的DOE，子孔徑具有兩種不同的功能，可以將光束整形為帶有周圍環(huán)的中心點(diǎn)。這種強(qiáng)度形狀用于各種組件的切割和焊接，并且已知可以提供改進(jìn)的工藝結(jié)果，根據(jù)具體應(yīng)用調(diào)整中心點(diǎn)與環(huán)的比率。同樣的柔性整形也可以通過將x-y平移支架和子孔徑DOE光束整形器集成到激光頭中來實(shí)現(xiàn)。在DOE的有效孔徑內(nèi)調(diào)整位置可以控制子孔徑之間的比率，從而控制形狀。

下圖中的DOE是被廣泛使用的三點(diǎn)光斑整形器原理，即使用三個(gè)耦合的光纖激光源實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)條紋光束和一個(gè)主光束。 在基于DOE的模擬方法中，有效孔徑由三個(gè)子孔徑組成。 具有棱鏡功能的兩個(gè)小孔徑使兩個(gè)條紋光束偏轉(zhuǎn)，一個(gè)具有光束整形功能的大中心子孔徑使主光斑偏轉(zhuǎn)。在DOE的有效孔徑內(nèi)調(diào)整位置可以控制子孔徑之間的比率，從而控制形狀。

對(duì)于焊接應(yīng)用，傳熱功能取決于許多參數(shù)，例如暴露時(shí)間，材料的電導(dǎo)率，環(huán)境條件等。形狀均勻的光束對(duì)于焊接面積較大的區(qū)域（在這個(gè)區(qū)域最常進(jìn)行光束整形）的焊接應(yīng)用不是最佳的。 通常，中心區(qū)域過熱，而拐角加熱不足。這個(gè)問題可以通過產(chǎn)生與熱圖成反比的光照分布來解決，其中中心的強(qiáng)度最低，拐角的強(qiáng)度最高–這稱為正方形M型光斑。 中心和拐角之間的強(qiáng)度比可以通過上面子孔徑部分中所述的相同方法即時(shí)調(diào)整以適應(yīng)特定的工藝需求。 實(shí)時(shí)控制和閉環(huán)反饋可以使此過程更加精確。功能可調(diào)的衍射光學(xué)元件DOE——調(diào)整M2整形除了將激光輸出到一個(gè)特定空間強(qiáng)度分布的標(biāo)準(zhǔn)光束整形外，還有另一個(gè)非常有趣的想法是多模激光的合成光束整形（或M2變換）。通常，焊接應(yīng)用中使用的高度多模激光器由于M2值高而無法緊密聚焦。 對(duì)于光纖耦合kW激光器，功率與非相干性之間存在內(nèi)在聯(lián)系——通常，功率越高，光纖數(shù)值孔徑（NA）越大，M2越高。 因此，當(dāng)以非常高的功率工作時(shí)，通過標(biāo)準(zhǔn)整形無法實(shí)現(xiàn)具有良好焦深的緊密聚焦。一種實(shí)現(xiàn)縮小聚焦和增加聚焦深度的方法是在正交軸上操縱激光光束質(zhì)量，以使其中一個(gè)軸變得非常相干而第二個(gè)軸變得非常不相干?？傮w而言，空間連貫性僅略微增加。當(dāng)前，M2轉(zhuǎn)換有兩種已知的形式——x-y坐標(biāo)和R-θ坐標(biāo)。我們?cè)谝韵聢D中可以看到如何在M2變換之后使用當(dāng)前使用的形狀。左下角的小圖形表示現(xiàn)有的形狀，而大圖像表示使用M2變換可能會(huì)改善的形狀。在這種方法中，通常沿箭頭方向掃描斑點(diǎn)。通過M2變換，可以在保持與當(dāng)前形狀相同的功率密度的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)更窄的中心點(diǎn)和環(huán)繞點(diǎn)。這樣可以釬焊具有更窄和更小接縫的特征。與中心點(diǎn)相比，環(huán)形光束具有相同的功率密度，并且環(huán)形厚度更窄。圖中c顯示：可以通過M2轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)非常態(tài)分布，而這在高度多模激光器的正常成形中是不可能的。如果沒有M2變換，對(duì)于較小的環(huán)直徑，環(huán)將重疊，而對(duì)于轉(zhuǎn)換后的光束，環(huán)可具有較小的分離角度。

通過成形器DOE上的子孔徑移動(dòng)光束，使用子孔徑進(jìn)行主動(dòng)動(dòng)態(tài)成形。這些方法無需場(chǎng)鏡振鏡即可進(jìn)行掃描，無需進(jìn)行主動(dòng)形狀切換，甚至可以連續(xù)改變激光分布。根據(jù)M形成形有利于焊接應(yīng)用的具體情況，以及如何將此方法與子孔整形相結(jié)合，以提供可調(diào)整的邊緣與中心點(diǎn)的強(qiáng)度比。