另一个有趣的可调成形解决方案是使用两个或多个透明孔径的径向扩展区域 ， 如图5所示 。
图5具有两个径向区域（左）和三个区域（右）的整形器透明孔径示意图 。
可使用手动或电动扩束器/轴棱锥望远镜调整光束相对于光圈的位置 。 基本配置如图6所示 。 DOE径向子孔径上的能量可以由扩束器/轴棱锥望远镜输出光束的形状和大小控制 。 如果使用普通扩束器 ， 该方法可用于中心孔径始终具有一定功率的形状（静态形状和多点） 。 如果使用axicon望远镜 ， 则可以通过增加和减少环直径（即改变axicon距离）来实现形状的完全切换 。
图6安装示意图 ， 包括带径向孔径的DOE 。 可变轴棱锥望远镜（左）和扩束器（右） 。 望远镜控制输出光束/环直径 ， 并调整每个子孔径的强度分布 。
根据目前讨论的子孔径方法 ， 可以为四种主要焊接应用类别中的任何一种提供解决方案 。 我们根据它们的造型需求定义了这些类别 ， 表1对它们进行了详细说明 。
表1激光焊接的主要应用类别 ， 根据成型需求定义 。
图7正弦扫描路径（左）、锯齿扫描路径（右）
图8从左到右：上线：具有可调亮点的叠加形状、T形、角形、半圆形、I形 。 下线：三点、三点配置、双点、环形
M-shapers
对于焊接应用 ， 热传递函数取决于许多参数 ， 如暴露时间、材料导电性、环境条件和其他 。
对于面积较大的焊接应用而言 ， 均匀成形的光束并不是最优的 ， 因为在这些区域 ， 光束整形是最常用的 。 通常情况下 ， 中心区域温度过高 ， 而角落温度过低 。 这个问题可以通过与热图相反的照明分布来解决 ， 在热图中 ， 中心有最低的强度 ， 而角落有最大的强度 ， 这被称为正方形的M形 。 中心和角落之间的强度比可以根据特定的工艺需要 ， 通过上述子孔径部分中描述的相同方法进行动态调整 。 实时控制和闭环反馈可以使这个过程更加精确 。 图9右上角显示了方形M形整形器强度分布的示例 。
图9 不断改变形状（从左上角顺时针方向）：增加方形形状的大小 ， 中间水平可调的方形M形 ， 两个相对强度变化的方形 ， 方形形状的大小增加并变为圆形 。
图10切换配置示例 ， 其中每次仅激活一个形状（从左到右）：圆形到方形再到交叉 ， 点阵列2×2到3×3 ， 两个正交方向的三角形 。
M2变换整形
通常 ， 焊接应用中使用的高度多模激光器由于其高M2值而无法紧密聚焦 。 对于光纤耦合千瓦激光器 ， 功率和非相干之间存在内在联系——一般来说 ， 功率越高 ， 光纤数值孔径（NA）越大 ， M2越高 。 因此 ， 当使用非常高的功率时 ， 通过标准整形无法实现具有良好聚焦深度的紧密聚焦 。
实现窄聚焦和增加聚焦深度的一种方法是在正交轴上操纵激光束质量 ， 使其中一个轴变得非常相干 ， 第二个轴变得非常不相干 。 总体而言 ， 空间连贯性仅略有增加 。 目前已知的M2变换主要有两种配置——x-y坐标和R-θ坐标 。 在图11中展示了M2变换后如何使用当前使用的形状 。 左下角的小图形表示现有的形状 ， 大图像表示通过使用M2变换可以改进的形状 。
图11通过M2变换优化焊接成形 。 主图片经过变换后 ， 在左下角的版本中没有变换 。 x-y变换后的三点点焊形状（a） ， R-θ变换后中心点强的环形梁形状（b） ， 以及两个单独R-θ变换的环形梁形状（c） 。
在图11a中 ， 显示了用于钎焊和焊接的三点激光成形方法 。 在这种方法中 ， 斑点通常按箭头方向扫描 。 通过应用变形M2变换 ， 可以实现更窄的中心瓣和旁斑 ， 同时保持与电流整形相同的功率密度 。 这使得钎焊更窄的特征和更小的接缝成为可能 。
图11b描述了类似的概念 ， 但采用极坐标 。 环形梁具有相同的功率密度 ， 与中心光斑相比 ， 环形梁的厚度要窄得多 。
图11c显示 ， 可以通过M2变换实现非平凡分布 ， 这在高度多模激光器的正常成形中是不可能的 。 在没有M2变换的情况下 ， 对于较小的环直径 ， 环将重叠 ， 而对于变换后的光束 ， 环可以具有较小的角分离 。
总结
本文对焊接用激光功率的成形方法进行了综述 。 介绍了利用子孔径进行可调功能整形的方法 ， 讨论了各种方案 ， 通过在整形器DOE上相对于子孔径移动光束 ， 从而实现主动动态整形 。 这些方法可以在不使用振镜扫描仪的情况下进行扫描 ， 在过程中进行主动形状切换 ， 甚至可以连续改变激光分布 。
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