功效可调的衍射光教元件DOE

激光焊接被遍及用于产业范畴，包罗汽车、航空航天、半导体、电子、医疗、电力、国防等。对付很多产业应用来说，尤其是在焊接、钎焊、锡焊和其他雷同工艺范畴中，原始激光束的形状并不是最抱负的。与其他激光质料加工应用相比，这些工艺在所需的激光功率（数千瓦）和每每利用的高度多模光束方面很突出。而由特定工艺定制的激光强度漫衍可以进步吞吐量、接缝高度、强度和接缝边沿腻滑度。

对付焊接和钎焊，常用的形状是圆形、方形、线形和环形强度形状，具有匀称的强度表面。具有多个强度地区的图案也每每被利用，包罗具有高中间峰或领先点。为了实现这种成形，激光焊接行业采纳了多种光束成形要领。此中包罗衍射光学元件（DOE）、特别分列的定制光纤束、成形光纤芯、每个激光器单独成形的多激光组合、振镜场镜、数字反射镜设置装备摆设（DMD）和折射微光学。与其他要领相比，DOE有几个要害的长处：可以设计任何形状、制造机动、是无源元件（不必要移动的机器零件或电子元件）和高伤害阈值。单个衍射光学元件与手动或主动平移/扭转事情台相联合，可以将有限的激光器转换为多种工艺的通用办理方案，并且不必要转变激光布局、增添庞大的电子设置装备摆设或举行特别的光纤操纵。在这种成形要领中，光学元件的有用孔径被分别为分离的或一连改变的地区，每个地区都有本身的光学功效。入射到该元件的激光束被子孔径支解为子光束，每个子光束都受到其单独修正的影响，终极孕育发生差别的成效。子孔径可以具有相称或差别的面积，而且具有差别的形状，比方角段、条纹或正方形。在有用孔径内移动激光束会转变入射到每个子孔径上的能量。此成效用于团体光学功效调解。具有子孔径的光学元件的一些根本布局如图所示。

对付下图所示的DOE，子孔径具有两种差别的功效，可以将光束整形为带有四周环的中间点。这种强度形状用于种种组件的切割和焊接，而且已知可以提供革新的工艺效果，依据详细应用调解中间点与环的比率。同样的柔性整形也可以通过将x-y平移支架和子孔径DOE光束整形器集成到激秃顶中来实现。在DOE的有用孔径内调解位置可以操纵子孔径之间的比率，从而操纵形状。

下图中的DOE是被遍及利用的三点光斑整形器道理，纵然用三个耦合的光纤激光源实现了两个条纹光束和一个主光束。 在基于DOE的模仿要领中，有用孔径由三个子孔径构成。 具有棱镜功效的两个小孔径使两个条纹光束偏转，一个具有光束整形功效的大中间子孔径使主光斑偏转。在DOE的有用孔径内调解位置可以操纵子孔径之间的比率，从而操纵形状。

对付焊策应用，传热功效取决于很多参数，比方袒露时间，质料的电导率，情况条件等。形状匀称的光束对付焊接面积较大的地区（在这个地区最常举行光束整形）的焊策应用不是最佳的。 通常，中间地区过热，而拐角加热不敷。这个题目可以通过孕育发生与热图成反比的光照漫衍来办理，此中中间的强度最低，拐角的强度最高–这称为正方形M型光斑。 中间和拐角之间的强度比可以通过上体面孔径部门中所述的雷同要领即时调解以顺应特定的工艺需求。 及时操纵和闭环反馈可以使此历程越发准确。功效可调的衍射光学元件DOE——调解M2整形除了将激光输出到一个特定空间强度漫衍的尺度光束整形外，另有另一个非常有味的想法是多模激光的合成光束整形（或M2变更）。通常，焊策应用中利用的高度多模激光器因为M2值高而无法精密聚焦。 对付光纤耦合kW激光器，功率与非干系性之间存在内涵联络——通常，功率越高，光纤数值孔径（NA）越大，M2越高。 是以，当以非常高的功率事情时，通过尺度整形无法实现具有精良焦深的精密聚焦。一种实现缩小聚焦和增添聚焦深度的要领是在正交轴上利用激光光束质量，以使此中一个轴变得非常干系而第二个轴变得非常不干系。总体而言，空间连贯性仅略微增添。当前，M2转换有两种已知的情势——x-y坐标和R-θ坐标。我们在以下图中可以看到怎样在M2变更之后利用当前利用的形状。左下角的小图形表现现有的形状，而大图像表现利用M2变更大概会改进的形状。在这种要领中，通常沿箭头偏向扫描雀斑。通过M2变更，可以在连结与当前形状雷同的功率密度的同时，实现更窄的中间点和围绕点。如许可以钎焊具有更窄和更小接缝的特性。与中间点相比，环形光束具有雷同的功率密度，而且环形厚度更窄。图中c表现：可以通过M2转换实现非常态漫衍，而这在高度多模激光器的正常成形中是不行能的。假如没有M2变更，对付较小的环直径，环将重叠，而对付转换后的光束，环可具有较小的分散角度。

通过成形器DOE上的子孔径移动光束，利用子孔径举行自动动态成形。这些要领无需场镜振镜即可举行扫描，无需举行自动形状切换，乃至可以一连转变激光漫衍。依据M形成形有利于焊策应用的详细情形，以及怎样将此要领与子孔整形相联合，以提供可调解的边沿与中间点的强度比。

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