高激光焊接速度可以通過使用環形和中心光斑激光照明輪廓來實現，環形能量與(yu) 光斑的比例可調，從(cong) 而優(you) 化工藝。本文 提出了一種新穎且簡單的基於(yu) 衍射的概念，以實現標準光纖激光器的這種可調整形。 該模塊在中心光斑的 100% 能量到無能量之間旋轉可調，可以與(yu) 單模和多模激光器一起工作，高度緊湊 ( 長度小於(yu) 20 mm) ，並具有被動衍射組件的高 LDT 。 這個(ge) 概念省去了特殊環形光纖激光器的需要，使焊接激光頭的設計更簡單。

激光焊接中環形和點成形的必要性

激光焊接是一種廣泛應用於(yu) 汽車、造船、電池組等行業(ye) 的許多工業(ye) 過程中的技術。在許多激光焊接應用中，焊接速度正迅速成為(wei) 最關(guan) 鍵的工藝限製之一。其中一個(ge) 例子是在不斷增長的可移動性市場中的焊接，在該市場中，激光被用於(yu) 焊接電池觸點，快速焊接可以在電池生產(chan) 中實現更高的吞吐量和成本節約。另一個(ge) 例子是，汽車行業(ye) 對快速且經濟高效的激光焊接的需求日益增長，因為(wei) 燃油效率要求鼓勵製造商使用更多鋁和先進材料，需要對車門、懸掛部件、超高強度鋼組件和鋁車身框架進行激光焊接。

對更快焊接速度的需求正在推動低成本、高功率近紅外光纖激光器的可用性增加。

這種激光器的可用性轉化為(wei) 功率，實際上不再是焊接速度的限製。相反，人們(men) 發現，激光焊接速度受到各種物理現象的限製，這些物理現象在高速焊接時占主導地位，例如飛濺、駝峰和焊縫氣孔的增加。

當使用一種特殊的照明分布時，這些現象已被證明是大大減少的，這種照明分布由一個(ge) 環包圍的中心光斑組成，中心光斑和周圍的環之間具有一定的功率比。不同的焊接工藝參數（如金屬厚度、金屬類型和幾何形狀）需要不同的比率，以在高速焊接時提供最佳工藝。因此，對於(yu) 許多係統集成商來說，一種能夠提供可控、可調的功率成形比的解決(jue) 方案是一種優(you) 勢。

基於(yu) 光纖的環形和點可調成型解決(jue) 方案：優(you) 勢和局限性

產(chan) 生環形和中心光斑照明輪廓最常用的方法是使用具有雙芯或三芯的特殊多模光纖激光器。中心磁芯由一個(ge) 或兩(liang) 個(ge) 同心環形磁芯包圍。每個(ge) 核心可以單獨設置其激光功率，從(cong) 而使中心光斑的功率與(yu) 周圍光環的功率可調。然後將光纖輸出直接成像到工作平麵上，給出所需的照明輪廓。

這種可調光斑型光纖激光器已經被包括Trumpf、Coherent、IPG、NLight等在內(nei) 的高功率光纖激光器市場上的大多數領先公司所采用。

這些光纖激光器的主要優(you) 點之一是不需要外部整形光學元件——整個(ge) 整形過程在光纖激光器級別進行控製。隻需將光纖準直器插入適配器，即可開始使用光束，其強度分布由計算機控製且實時可調，從(cong) 而實現快速、無缺陷的焊接。

然而，該方法存在一些問題，使得基於(yu) 光纖的可調環解決(jue) 方案不是最優(you) 的：

首先，與(yu) 常規多模高功率光纖激光器相比，這種激光係統具有額外的複雜性和成本。第二，這種光纖的高NA意味著必須使用特殊的準直器，與(yu) 當今光纖激光器使用的標準焊接光學元件相比，通常需要更大的光學元件。最後，中心點和光環之間的比率通常是有限的。為(wei) 了在焊接點獲得更多功率，必須增加環內(nei) 的功率，因為(wei) 中心鐵芯隻能支持小於(yu) 6–8 kW的典型極限功率。這意味著，除非使用定製的光纖芯，否則大部分功率進入中心光斑，隻有一小部分功率進入環形腔內(nei) 非常有用的配置，不能與(yu) 全激光功率一起使用。

在這篇文章中描述了一種基於(yu) 光纖的環形和光斑整形的替代方法，該方法允許完全調整功率比，同時仍然是一種相對簡單、經濟高效且直接的光學概念。該方法基於(yu) 衍射光學，由添加到係統中的外部光學模塊組成。此方法為(wei) 激光係統集成商提供了一個(ge) 很好的解決(jue) 方案，這些集成商已經擁有多千瓦光纖激光器，並希望用新功能升級其焊接係統，以及新焊接係統的設計師。他們(men) 正在尋找光纖級成型解決(jue) 方案無法提供的性能。

建議的衍射方法基於(yu) 之前在《Photonics Views》雜誌上發表的題為(wei) “可調功能光束整形方法”的出版物，在該出版物中，本研究回顧了可調光束整形的不同概念，包括基於(yu) 子孔徑的環與(yu) 中心光斑可調整形器。當前的概念是該文中所述概念的修訂版，它更優(you) 化了應用程序，具有更好的散焦行為(wei) ，與(yu) 真實的激光焊接公差兼容。

衍射可調環斑整形器

衍射整形解決(jue) 方案由兩(liang) 個(ge) 相同的二元衍射元件（也稱為(wei) 相位板）組成，放置在同一光軸上。每個(ge) 元件的圓形淨孔徑被分成偶數個(ge) 方位段。其中一半是清晰區域，另一半具有衍射二元軸棱錐的光學功能，台階高度相當於(yu) π弧度。

通過旋轉一個(ge) 相位板和另一個(ge) 相位板，可以調整環和中心點之間的功率比。在板之間旋轉為(wei) 零的情況下，如圖1a所示，圖案區域重疊，導致穿過這些區域的光的相位延遲為(wei) 2π。實際上，這意味著總相位為(wei) 零，激光束不受影響，導致100%的能量流向中心光斑。

在如圖1c所示的旋轉為(wei) 完整段的情況下，這些段沒有重疊，產(chan) 生的相位是二元衍射軸棱錐的相位，從(cong) 而產(chan) 生一個(ge) 在中心點完全沒有功率的環。

圖1上行顯示了兩(liang) 個(ge) 二進製DOEs之間相對旋轉方向分別為(wei) 0、7.5、15度的3個(ge) 位置(a、b、c)。下一行顯示了與(yu) 上一行的每個(ge) 旋轉方向相關(guan) 的強度分布：所有功率集中在中心點（d），所有功率集中在環（f），一個(ge) 中間位置，其中一些功率在中心點，一些在周圍環（e）。（來源：Holo/Or）

這兩(liang) 種情況之間的中間旋轉狀態導致一部分能量流向中心環，而其餘(yu) 能量流向中心點，這是一個(ge) 由旋轉角度決(jue) 定的連續可調比率。圖1b示出了這種狀態的一個(ge) 示例。中心點和環中能量的整體(ti) 傳(chuan) 輸效率不斷變化，從(cong) 僅(jin) 在中心點的~100%變化到僅(jin) 在環中的~80%。效率損失達到更高的衍射透射級，並以更大角度出現二次環。

整個(ge) 變化範圍發生在一個(ge) 旋轉角度上，在這個(ge) 例子中是15度，並且是周期性的(即繼續旋轉將再次以同樣的方式改變比例)。中心光斑的功率隨旋轉角度呈非線性變化，如圖2所示。

圖2在中心點和周圍環的相對功率圖作為(wei) 兩(liang) 個(ge) 雙星之間的相對旋轉角的函數。（來源：Holo/Or）

可調衍射環整形方法的優(you) 點

與(yu) 目前市場上基於(yu) 光纖的解決(jue) 方案相比，基於(yu) 衍射的方法具有許多優(you) 勢。它可以對光點和光環之間的功率比進行全範圍控製，這與(yu) 基於(yu) 光纖的解決(jue) 方案不同，後者的可調諧性更有限，並且具有進一步的優(you) 勢。

由於(yu) 概念簡單，該模塊可適用於(yu) 通常與(yu) 多千瓦激光器一起使用的大光束（直徑15–22毫米）。光學元件可以安裝到現成的手動或電動旋轉支架中，以創建光學模塊。這樣的模塊可以放置在激光準直器後的光軸上，或者更好的是，直接放置在激光頭或掃描係統的入口處。這些配置允許焊接光學元件與(yu) 標準多模光纖激光器使用的元件保持一致，無需考慮更大的NA和所需的更大、更昂貴的光學元件，如環形光纖激光器。電動旋轉台的整個(ge) 調整範圍需要幾毫秒，因此在需要時可以在過程中進行強度調整。然而，在典型情況下，功率比的可調節性僅(jin) 在焊接工藝優(you) 化階段才重要。一旦定義(yi) 了工藝參數，可調環和點成形器模塊就可以被一個(ge) 具有定製環點功率比的無源DOE所取代，該功率比被認為(wei) 是特定焊接工藝的最佳選擇，這提供了一種更緊湊、更經濟的成形解決(jue) 方案。

衍射可變整形方法的另一個(ge) 優(you) 點是能夠與(yu) 單模激光器一起工作。與(yu) 環芯光纖激光器不同，在環芯光纖激光器中，環形始終是多模的，因此不能以合理的NA聚焦到一個(ge) 小光斑上，衍射模塊能夠形成一個(ge) 具有環形和中心強度形狀的小光斑，同時仍然提供可調的比率。這種能力對於(yu) 單模入射光束的微焊接特別有用，因為(wei) 過程速度限製因素通常不是單模光纖功率，而是駝峰、氣孔和其他問題，這些問題通過將部分激光功率轉移到光斑周圍的環形區域而減少。

最後，衍射解環角對輸入光束大小不敏感，因此為(wei) 整形提供了更大的靈活性。這是因為(wei) 環的直徑是恒定的，但其厚度和中心光斑大小可以通過在準直器後應用可變望遠鏡或使用不同的準直器來修改。這與(yu) 基於(yu) 光纖的環整形形成對比，環形厚度與(yu) 中心點的關(guan) 係是固定的，因為(wei) 光纖的幾何結構基本上隻是成像到工作平麵上。

正如這篇文章中所描述的，與(yu) 環形光纖激光器相比，基於(yu) 衍射的環形整形模塊在焊接方麵提供了多種優(you) 勢，同時具有簡單、低成本和堅固的特點。

來源：Photonics Views - 2021 - Brodsky - Adjustable ring shaping for laser welding applications，DOI: 10.1002/phvs.202100046