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江苏激光联盟导读：
据悉 ， 本文探讨了通过特定工艺定制的激光强度分布 ， 提高吞吐量、接缝高度、强度和接缝边缘平滑度的方法 。
激光焊接广泛应用于汽车、航空航天、半导体、电子、医疗、电力、国防等工业领域 。 对于许多工业应用 ， 尤其是在焊接、钎焊和其他类似工艺领域 ， 原始激光束不是最佳形状 。 与其他激光材料加工应用相比 ， 这些工艺在所需激光功率（多千瓦）和经常使用的高度多模光束方面尤为突出 。 特定于工艺的定制激光强度分布可以提高吞吐量、焊缝高度、强度和接头的边缘平滑度 。
对于焊接和钎焊目的 ， 常用的成型是圆形、方形、直线和环形强度形状 ， 具有均匀的强度轮廓 。 还经常使用具有多个强度区域的图案 ， 包括高中心峰值或领先点 。
为了实现这种成形 ， 激光焊接行业采用了多种光束成形方法 。 其中包括衍射光学元件（DOE）、具有特殊排列的定制光纤束、成型光纤芯、多个激光器组合（其中每个激光器单独成型）、振镜扫描仪、数字镜设备（DMD）和折射微光学 。 与其他方法相比 ， DOE有几个关键优势：成型自由度（任何形状都可以设计）、制造灵活性、作为无源组件（无需移动机械部件或电子设备） ， 以及高激光损伤阈值 。 单个衍射光学元件与手动或自动平移/旋转台相结合 ， 可以将有限的激光机转换为多种工艺的通用解决方案 ， 而无需改变激光结构、复杂的电子设备或特殊的光纤操作 。 为了展示DOE在激光焊接成形中的潜力 ， 我们将回顾一些对这些应用有用的成形概念 。
可调函数概念可通过使用子孔径方法实现可调成形 。 在这种成形方法中 ， 光学元件的净孔径被划分为离散或连续变化的区域 ， 每个区域都有自己的光学功能 。 入射到元件上的激光束被子孔径分割成子光束 ， 每个子光束都受到其各自修正的影响 。 子孔径可以具有相同或不同的面积 ， 也可以具有不同的形状 ， 例如角线段、条纹或正方形 ， 如图1所示 。
图1
在透明孔径内移动激光束会改变入射到每个子孔径上的能量 。 此效果用于整体光学功能调整 。 带有子孔径的光学元件的一些基本配置如图2所示 。
图2清晰的孔径示意图:角段图(a)、条纹图(b)、正方形图(c) 。 第2排:常见情况下子孔径元件示意图:二点焊(d)、三点焊(e)、连续扫描(f) 。
图3所示为将光束塑造为中心点的DOE的调整技术 ， 其周围有一个环形 。 这种强度形状用于各种积分器的切割和焊接 ， 已知可提供改进的工艺结果 ， 中心点与环的比率可根据具体应用进行调整 。 同样的柔性整形可以通过将x-y平移支架和子孔径DOE光束整形器集成到激光头中 。 在DOE的透明孔径内的位置调整将控制子孔径之间的比例 ， 从而进行整形 。
图3带有集成DOE成型器和手动x工作台的激光头示意图 。 左DOE区域形成一个环 ， 而右DOE区域形成中心圆点 。 在x轴上移动元素会改变光环和中心点之间的功率比 。
这种解决方案的一个例子是广泛使用的三光斑概念 ， 其中两个条纹光束和一个主光束使用三个耦合光纤激光源实现 。 在基于DOE的模拟方法中 ， 净孔径由三个子孔径组成 。 两个具有棱镜功能的小孔径使两条条纹光束偏转 ， 一个具有光束整形功能的大中心子孔径作为主光斑 。 这个概念如图4所示 。
图4焊接用子孔径三点光束整形器工作原理示意图 ， 通过相对于入射激光束移动元件 ， 可实现可调功率比 。
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