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衍射光学元件在红外激光加工系统的应用

作者: 时间:2022-03-29

衍射光学元件广泛用于红外激光加工系统,尤其是涉及工业过程的地方。本文重点介绍激光焊接应用,并展示其独特的定制解决方案,提高了拥有衍射光学元件的红外系统激光器的竞争优势。

红外激光器的发展趋势

红外激光器,特别是在1064nm波长,是激光材料加工行业的主力军。最早的工业激光器是CO2中红外激光器,在许多应用中逐渐被ND-YAG固态激光器取代,最近又被光纤激光器所取代。随着功率的快速增长和成本的降低,多千瓦激光器在焊接、切割、烧结和表面处理等许多工业过程中都得到了广泛的应用。

本文将重点介绍激光焊接,这是高功率NIR激光器应用的一个案例研究。

激光焊接简介

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,这些激光工艺通常使用红外激光器,因为这些激光工艺加工需要较大的激光功率(多千瓦)

在许多工业应用和工艺中,原始激光束并不是最优形状。在焊接、钎焊、软钎焊接和其他类似工艺领域,将激光束塑造成特定工艺的强度分布可以提供宝贵的优势,并改善工艺性能,其中包括:

加工效率

焊缝高度

焊接强度

焊接接缝的边缘平滑度

同时有助于避免不好的物理影响,如热影响区(HAZ),飞溅,驼峰和焊接气孔。


衍射光学元件基础知识

衍射光学元件(DOEs)是平面的窗口片状的相位元件,它使用蚀刻改变元件表面的微观结构,以便在通过元件照明的光剂中产生相位延迟,从而修改输出光束。

一个好的衍射光学元件设计可以将光束塑造成几乎任何想要的强度轮廓,从将光束分裂成具有与输入光束相似特性的多光束,到任何想要的几何分布、环形形状或焦整形的平顶分布,甚至在同一光学元件上结合多种功能,提供定制的解决方案。

Holo/Or是第一家衍射光学元件制造商,在20世纪80年代末,他们提出将微电子制造工艺应用于商业应用的光学元件。从那时起,衍射光学元件市场日益增长,今天,他们可以为各种各样的激光应用提供的改进。

对于红外系统中使用的衍射光学元件,DOE将制作在一种对红外光谱透明的材料上,以实现高传输效率,并消除吸收。吸收会使元件升温,导致缺陷,降低其功能。增透(AR)涂层也具有高质量,以维持高红外功率。

HOLO/OR为激光焊接提供了几种不同的固定和可调DOE解决方案,包括:

Flexishaper–一种创新的解决方案,结合了2DOE,可调节来自标准光纤激光器的能量的环光比,只需简单地旋转一个DOE即可。这种独特的解决方案可应用于单模和多模激光系统,以找到每个过程的最佳工作点。

C-shaper,C–形状-一种定制的扩散器形状,允许氮气气泡从焊接区域的缺口逸出,从而提高宽度/深度比,减少氧化和消除热裂纹。


T-shaper,T–形状-对接焊接的最佳解决方案,可沿焊缝扫描形状,中心为热点,从而改善焊后退火,减小焊缝角度并提高焊缝强度。(图一)


BrazingDiffuser,钎焊扩束器-一种组合式分束器和漫射器,可产生2个前导光斑和一个中心光斑,在钎焊过程中扫描时会熔化两个板之间的线材,同时预热和清洁钎焊缝的两侧。

关于衍射光学元件的一些问题

什么是衍射光学元件?

一种轻薄、紧凑、坚固的光学元件,它能操纵光束进行塑形、分裂和聚焦。


什么是衍射光学透镜?

一种轻薄且紧凑的镜片,其功能与设计波长的传统折光透镜相同,但要薄得多,热膨胀小得多。


在红外系统中使用衍射光学元件的优点是什么?

DOE能够在精确的高端应用中对光进行整形,同时相对于折射解决方案具有低热吸收和极低的热膨胀,并且可以承受许多红外激光系统中使用的非常高功率的材料制成。

衍射光学元件设计有什么定制解决激光焊接的方案?

将激光轮廓转换为C形强度轮廓可以减少氧化并消除热裂。另一种解决方案是DOE可变环和光斑强度分布,无需更改激光器结构即可实现。





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