衍射光學(xué)元件 光束整形器 輸出光斑可調(diào)，輸出光斑可調(diào)的DOE實(shí)際上是在DOE表面設(shè)立不同的衍射功能區(qū)（子孔徑），每個(gè)DOE分區(qū)通過表面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)都能獨(dú)立產(chǎn)生特定的衍射圖案。這樣在使用具有多個(gè)子孔徑的DOE時(shí)，就可以通過改變光束與DOE之間的位置、光束直徑的大小或者改變光束相對(duì)于DOE中心的位置，實(shí)現(xiàn)不同的衍射圖案輸出，例如不同衍射圖案的獨(dú)立輸出、衍射圖案組合、組合圖案的相對(duì)強(qiáng)弱轉(zhuǎn)化或衍射圖案的大小變化。這種衍射調(diào)制的方法也稱為功能可調(diào)的光束整形方法，能夠在很大的自由度范圍內(nèi)調(diào)制輸出圖案或圖案的組合。輸出光斑可調(diào)的DOE又稱為功能可調(diào)的衍射光學(xué)元件，多功能DOE，多合一DOE。

功能可調(diào)的DOE概念

利用子孔徑（分區(qū)）方法可以實(shí)現(xiàn)形狀可調(diào)。在這種成形方法中，光學(xué)元件的有效孔徑被劃分為離散的或連續(xù)變化的區(qū)域，每個(gè)區(qū)域都有自己的光學(xué)功能。入射到該元件的激光束被子孔徑分割為子光束，每個(gè)子光束都受到其單獨(dú)修正的影響，最終產(chǎn)生不同的效果。子孔徑可以具有相等或不同的面積，并且具有不同的形狀，例如角段、條紋或正方形。在有效孔徑內(nèi)移動(dòng)激光束會(huì)改變?nèi)肷涞矫總€(gè)子孔徑上的能量。此效果用于整體光學(xué)功能調(diào)整。具有子孔徑的光學(xué)元件的一些基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

對(duì)于圖3所示的DOE，子孔徑具有兩種不同的功能，可以將光束整形為帶有周圍環(huán)的中心點(diǎn)。這種強(qiáng)度形狀用于各種組件的切割和焊接，并且已知可以提供改進(jìn)的工藝結(jié)果，根據(jù)具體應(yīng)用調(diào)整中心點(diǎn)與環(huán)的比率。同樣的柔性整形也可以通過將x-y平移支架和子孔徑DOE光束整形器集成到激光頭中來實(shí)現(xiàn)。在DOE的有效孔徑內(nèi)調(diào)整位置可以控制子孔徑之間的比率，從而控制形狀。

圖4所示的DOE是被廣泛使用的三點(diǎn)光斑整形器原理，即使用三個(gè)耦合的光纖激光源實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)條紋光束和一個(gè)主光束。 在基于DOE的模擬方法中，有效孔徑由三個(gè)子孔徑組成。 具有棱鏡功能的兩個(gè)小孔徑使兩個(gè)條紋光束偏轉(zhuǎn)，一個(gè)具有光束整形功能的大中心子孔徑使主光斑偏轉(zhuǎn)。在DOE的有效孔徑內(nèi)調(diào)整位置可以控制子孔徑之間的比率，從而控制形狀。

另一個(gè)有趣的可調(diào)成形解決方案是使用如圖5所示的兩個(gè)或多個(gè)有效孔徑的徑向擴(kuò)展區(qū)域。

如圖6所示，可使用手動(dòng)或電動(dòng)擴(kuò)束器/可變軸錐望遠(yuǎn)鏡調(diào)整光束相對(duì)于孔徑的位置，進(jìn)而調(diào)整DOE徑向子孔徑上的能量大小。如果使用普通擴(kuò)束器，該方法可用于中心孔徑始終具有一定功率的形狀（靜態(tài)形狀和多點(diǎn)）。如果使用軸錐望遠(yuǎn)鏡，則可以通過增大和減小環(huán)直徑（即改變軸角距離）來*切換形狀。

目前討論的子孔徑方法，可以適用于以下四種主要焊接應(yīng)用。我們根據(jù)它們的造型需求來定義這些類別，具體見表1。

M型光斑（π型光斑）

對(duì)于焊接應(yīng)用，傳熱功能取決于許多參數(shù)，例如暴露時(shí)間，材料的電導(dǎo)率，環(huán)境條件等。

形狀均勻的光束對(duì)于焊接面積較大的區(qū)域（在這個(gè)區(qū)域最常進(jìn)行光束整形）的焊接應(yīng)用不是最佳的。 通常，中心區(qū)域過熱，而拐角加熱不足。這個(gè)問題可以通過產(chǎn)生與熱圖成反比的光照分布來解決，其中中心的強(qiáng)度zui低，拐角的強(qiáng)度最高–這稱為正方形M型光斑。 中心和拐角之間的強(qiáng)度比可以通過上面子孔徑部分中所述的相同方法即時(shí)調(diào)整以適應(yīng)特定的工藝需求。 實(shí)時(shí)控制和閉環(huán)反饋可以使此過程更加精確。 圖9顯示了方形M型光斑的強(qiáng)度分布示例。

衍射光學(xué)元件 光束整形器 輸出光斑可調(diào)，調(diào)整M2的光束整形方法

除了將激光輸出到一個(gè)特定空間強(qiáng)度分布的標(biāo)準(zhǔn)光束整形外，還有另一個(gè)非常有趣的想法是多模激光的合成光束整形（或M2變換）。

通常，焊接應(yīng)用中使用的高度多模激光器由于M2值高而無法緊密聚焦。 對(duì)于光纖耦合kW激光器，功率與非相干性之間存在內(nèi)在聯(lián)系——通常，功率越高，光纖數(shù)值孔徑（NA）越大，M2越高。 因此，當(dāng)以非常高的功率工作時(shí)，通過標(biāo)準(zhǔn)整形無法實(shí)現(xiàn)具有良好焦深的緊密聚焦。

一種實(shí)現(xiàn)縮小聚焦和增加聚焦深度的方法是在正交軸上操縱激光光束質(zhì)量，以使其中一個(gè)軸變得非常相干而第二個(gè)軸變得非常不相干?？傮w而言，空間連貫性僅略微增加。當(dāng)前，M2轉(zhuǎn)換有兩種已知的形式——x-y坐標(biāo)和R-θ坐標(biāo)。

我們?cè)趫D11中演示了如何在M2變換之后使用當(dāng)前使用的形狀。左下角的小圖形表示現(xiàn)有的形狀，而大圖像表示使用M2變換可能會(huì)改善的形狀。

圖11a中展示出了用于釬焊和焊接的三點(diǎn)激光整形方法。在這種方法中，通常沿箭頭方向掃描斑點(diǎn)。通過M2變換，可以在保持與當(dāng)前形狀相同的功率密度的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)更窄的中心點(diǎn)和環(huán)繞點(diǎn)。這樣可以釬焊具有更窄和更小接縫的特征。

圖11b描述了類似的概念，但是以極坐標(biāo)表示。 與中心點(diǎn)相比，環(huán)形光束具有相同的功率密度，并且環(huán)形厚度更窄。

圖11c顯示，可以通過M2轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)非常態(tài)分布，而這在高度多模激光器的正常成形中是不可能的。如果沒有M2變換，對(duì)于較小的環(huán)直徑，環(huán)將重疊，而對(duì)于轉(zhuǎn)換后的光束，環(huán)可具有較小的分離角度。