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深圳海納光學有限公司
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輸出光斑可調(diào)的DOE
2020-7-3 閱讀(876)
激光焊接被廣泛用于工業(yè)領(lǐng)域，包括汽車、航天、半導體、電子、醫(yī)療、電力、國防等。對于許多工業(yè)應用來說，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較理想的。與其他激光材料加工應用相比，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度分布可以提高吞吐量、接縫高度、強度和接縫邊緣平滑度。
對于焊接和釬焊，常用的形狀是圓形、方形、線形和環(huán)形強度形狀，具有均勻的強度輪廓。具有多個強度區(qū)域的圖案也經(jīng)常被使用，包括具有高中心峰點的。
為了實現(xiàn)這種成形，激光焊接行業(yè)采用了多種光束成形方法。其中包括衍射光學元件（DOE）、特殊排列的定制光纖束、成形光纖芯、每個激光器單獨成形的多激光組合、振鏡場鏡、數(shù)字反射鏡設備（DMD）和折射微光學。
與其他方法相比，DOE有幾個關(guān)鍵的優(yōu)點：可以設計任何形狀、制造靈活、是無源元件（不需要移動的機械零件或電子元件）和高損傷閾值。單個衍射光學元件與手動或自動平移/旋轉(zhuǎn)工作臺相結(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)、增加復雜的電子設備或進行特殊的光纖操作。
為了展示DOE在激光焊接成形中的潛力，我們將回顧一些對這些應用有用的成形概念
功能可調(diào)的衍射光學元件概念
利用子孔徑方法可以實現(xiàn)形狀可調(diào)。在這種成形方法中，光學元件的有效孔徑被劃分為離散的或連續(xù)變化的區(qū)域，每個區(qū)域都有自己的光學功能。入射到該元件的激光束被子孔徑分割為子光束，每個子光束都受到其單獨修正的影響，進而產(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)移動激光束會改變?nèi)肷涞矫總€子孔徑上的能量。此效果用于整體光學功能調(diào)整。具有子孔徑的光學元件的一些基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。
對于圖3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。這種強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的工藝結(jié)果，根據(jù)具體應用調(diào)整中心點與環(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。
圖4所示的DOE是被廣泛使用的三點光斑整形器原理，即使用三個耦合的光纖激光源實現(xiàn)了兩個條紋光束和一個主光束。 在基于DOE的模擬方法中，有效孔徑由三個子孔徑組成。 具有棱鏡功能的兩個小孔徑使兩個條紋光束偏轉(zhuǎn)，一個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。
另一個有趣的可調(diào)成形解決方案是使用如圖5所示的兩個或多個有效孔徑孔徑的徑向擴展區(qū)域。
如圖6所示，可使用手動或電動擴束器/可變軸錐望遠鏡調(diào)整光束相對于孔徑的位置，進而調(diào)整DOE徑向子孔徑上的能量大小。如果使用普通擴束器，該方法可用于中心孔徑始終具有一定功率的形狀（靜態(tài)形狀和多點）。如果使用軸錐望遠鏡，則可以通過增大和減小環(huán)直徑（即改變軸角距離）來*切換形狀。
目前討論的子孔徑方法，可以適用于以下四種主要焊接應用。我們根據(jù)它們的造型需求來定義這些類別，具體見表1。
功能可調(diào)的光束整形方法——M型光斑（π型光斑）
對于焊接應用，傳熱功能取決于許多參數(shù)，例如暴露時間，材料的電導率，環(huán)境條件等。
形狀均勻的光束對于焊接面積較大的區(qū)域的焊接應用不是較佳的。 通常，中心區(qū)域過熱，而拐角加熱不足。這個問題可以通過產(chǎn)生與熱圖成反比的光照分布來解決，其中中心的強度zui低，拐角的強度zui高–這稱為正方形M型光斑。 中心和拐角之間的強度比可以通過上面子孔徑部分中所述的相同方法即時調(diào)整以適應特定的工藝需求。 實時控制和閉環(huán)反饋可以使此過程更加精確。 圖9顯示了方形M型光斑的強度分布示例。
功能可調(diào)的衍射光學元件DOE——調(diào)整M2整形
除了將激光輸出到一個特定空間強度分布的標準光束整形外，還有另一個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。 對于光纖耦合kW激光器，功率與非相干性之間存在內(nèi)在關(guān)聯(lián)——通常，功率越高，光纖數(shù)值孔徑（NA）越大，M2越高。 因此，當以非常高的功率工作時，通過標準整形無法實現(xiàn)具有良好焦深的緊密聚焦。
一種實現(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，以使其中一個軸變得非常相干而第二個軸變得非常不相干?？傮w而言，空間連貫性僅略微增加。當前，M2轉(zhuǎn)換有兩種已知的形式——x-y坐標和R-θ坐標。
我們在圖11中演示了如何在M2變換之后使用當前使用的形狀。左下角的小圖形表示現(xiàn)有的形狀，而大圖像表示使用M2變換可能會改善的形狀。
圖11a中展示出了用于釬焊和焊接的三點激光整形方法。在這種方法中，通常沿箭頭方向掃描斑點。通過M2變換，可以在保持與當前形狀相同的功率密度的同時，實現(xiàn)更窄的中心點和環(huán)繞點。這樣可以釬焊具有更窄和更小接縫的特征。
圖11b描述了類似的概念，但是以極坐標表示。 與中心點相比，環(huán)形光束具有相同的功率密度，并且環(huán)形厚度更窄。
圖11c顯示，可以通過M2轉(zhuǎn)換實現(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，對于較小的環(huán)直徑，環(huán)將重疊，而對于轉(zhuǎn)換后的光束，環(huán)可具有較小的分離角度。
在本文中，我們回顧了一些用于焊接應用的激光功率整形方法。 引入了使用子孔徑的可調(diào)功能成形方法，并討論了各種方案，從而可以通過相對于成形器DOE上的子孔徑移動光束，使用子孔徑進行主動動態(tài)成形。 這些方法無需場鏡振鏡即可進行掃描，無需進行主動形狀切換，甚至可以連續(xù)改變激光分布。
我們討論了M形成形有利于焊接應用的具體情況，以及如何將此方法與子孔整形相結(jié)合，以提供可調(diào)整的邊緣與中心點的強度比。
總而言之，我們討論了M2變換在焊接中的優(yōu)勢，即即使在高度多模輸入激光器下也能使用緊密聚焦的線/環(huán)的能力
