不同形状的光束匀化器在激光焊接中的应用

红外激光系统，尤其是在1μm波长范围，是激光加工的主要应用。CO₂中红外激光器是第一批工业激光器，它们已经逐渐被 ND-YAG 固体激光器和最近的光纤激光器所取代。千瓦功率级别的激光器的快速增长和成本的不断降低，使其在焊接、切割、烧结和表面处理等工业生产过程中的应用日益广泛。

一、激光焊接介绍

激光焊接是基于热力的工艺。其焊接方式主要有热传导激光焊接和深熔激光焊接，广泛应用于工业领域，包括汽车、航空航天、半导体、电子、医疗、电力、国防等。与其他激光材料加工应用相比，这些工艺在所需的激光功率(几千瓦)和典型使用的红外激光系统方面脱颖而出。

对于许多工业应用和工艺来说，原始的激光束并不是最佳的形状。在焊接、钎焊、钎焊和其他类似工艺领域，通过光束匀化器将将加工激光光束整形为可定制的强度分布可以改善其工艺性能，其中包括：吞吐量、接缝高度、强度、接缝边缘平滑度等。同时，光束匀化器激光焊接有助于避免不利影响，如热影响区(heat affected zones, HAZ)，飞溅，驼峰和焊缝孔隙率。

二、衍射光学元件基础

衍射光学元件（diffractive optical elements, DOE）是一种扁平窗口状的相位元件，刻蚀在元件表面的微结构使得通过元件照射的光束产生相位延迟，从而改变输出光束。DOE可实现任何需要的几何分布、环形或焦点整形下的平顶分布，甚至可以将同一光学元件上的多种功能结合起来，提供各种定制的解决方案，其对于激光的加工性能有很多方面的改善作用。DOE在红外系统中以实现高透射效率，并消除元件的热损耗。另外，增透膜（AR）可以承受较高的红外功率。Holo/Or公司是第一家衍射光学元件制造商，早在20世纪80年代后期，他们就提出将微电子学制造工艺应用于光学元件的商业应用。

三、光束匀化器激光焊接的定制应用

HOLO/OR提供了几种不同的固定和可调节的光束匀化器激光焊接的DOE方案，包括：

Flexishaper- 结合两个DOE的创新解决方案，可通过一个DOE相对于另一个 DOE 的简单旋转实现来自标准光纤激光器的能量的可调环光斑比。这种解决方案可应用于单模和多模激光系统，以找到最佳的加位置。

C-shaper – 一种定制的光束匀化器形状，允许氮气气泡从焊接区域逸出，从而提高宽深比，减少氧化并消除热裂纹。

T-shaper -一种对接焊的最佳解决方案，可以沿焊缝进行形状扫描，因其热点在中间，从而改善焊后退火情况，减小焊缝角度，提高焊缝强度。

Brazing Diffuser – 一种组合式的分束器和匀化器，其产生两个小光斑和一个中心光斑。当在钎焊过程中进行扫描时，该中心点将熔化两板之间的金属线，加热的同时并清洁焊缝的两侧。