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精準能量調(diào)控點環(huán)光斑激光加工頭

【研究背景】圖1所示高斯光斑、平頂圓光斑和環(huán)形光斑作用在材料上的光強與溫度場分布示意圖，常規(guī)高斯光束能量分布不均勻，中心能量強邊緣能量弱，使用高斯分布聚焦光斑進行激光焊接時，由于光斑中心部分吸收的激光能量高，材料容易熔化氣化蒸發(fā)，從而產(chǎn)生飛濺、形成凹陷和空洞等缺陷。平頂光斑作用在材料上時，用于熱傳導的作用，還是會造成中心與邊緣的溫度場分布不均勻，焊接熔深呈現(xiàn)月牙分布。控制飛濺、凹陷和空洞等缺陷的關鍵因素是控制激光束的能量分布，減少中心材料溫度和以及焊點中心和邊緣的溫度差。合理設計的環(huán)形光斑，有利于獲得相對均勻性的溫度場分布和相對均勻的熔深分布，減少飛濺、凹陷和空洞等焊接缺陷，是目前高端激光焊接應用的一個技術(shù)發(fā)展方向。圖1 不同光斑的光強分布和在材料上的溫度場分布【痛點問題】現(xiàn)有基于擺動掃描方式和點環(huán)形模式可調(diào)光纖激光器，在一定程度上解決了激光焊接的飛濺問題，但是存在結(jié)構(gòu)復雜，設備制造成本和維護成本高，而且不太適合高精密或大功率厚板的激光焊接。【解決方案】本成果從激光光學聚焦頭的設計上，提出了申請專利技術(shù)的基于衍射光學元件和折射光學元件的環(huán)形光斑或點環(huán)產(chǎn)生方法，結(jié)構(gòu)設計靈活方便，可適用于高精密激光焊接、高反射材料加工和高功率厚板激光焊接。（1）基于衍射光學元件的環(huán)形光斑產(chǎn)生方法為了解決能量分布不均勻以及光束敏感性的問題，本成果通過螺旋相位板產(chǎn)生渦旋光束來獲得環(huán)形光斑進行焊接。螺旋相位板是一種具有固定折射率的透明板，其一面是平面結(jié)構(gòu)，相對面具有螺旋形狀結(jié)構(gòu)，類似于旋轉(zhuǎn)臺階，如圖2所示。圖2 螺旋相位板結(jié)構(gòu) 螺旋相位板其厚度隨著方位角的變化而變化。高斯分布的激光束從螺旋相位板平面端面入射，光束中心與螺旋相位板中心對齊，出射的光束相位被改變，附加一個螺旋相位因子，能量分布變?yōu)榄h(huán)形分布，出射的光束變?yōu)闇u旋光束，其中l(wèi)為渦旋光束的拓撲荷數(shù)，影響渦旋光束能量較低區(qū)域的大小。螺旋相位板的臺階高度通常為微米量級，并且初始光束都是通過擴束系統(tǒng)擴束的，基本沒有發(fā)散，因此，螺旋相位板對光束光強基本沒有衰減，而只是改變光束的相位。利用螺旋相位板產(chǎn)生的渦旋光束解決了能量分布均勻性的問題，同時用螺旋相位板產(chǎn)生的渦旋光束的穩(wěn)定性好，環(huán)形的能量分布特點，不容易受到外界其他因素影響，可以較為穩(wěn)定地保持光斑均勻性。本成果具體產(chǎn)生渦旋光束的光路圖如圖3所示。表1給出了不同拓撲數(shù)渦旋光束的光場分布。圖3 產(chǎn)生渦旋光束的光路圖表1 不同拓撲數(shù)渦旋光束的光場分布本成果設計加工了產(chǎn)生渦旋光束的衍射光學元件，通過組合獲得了不同拓撲數(shù)的渦旋光束，圖4給出實驗生產(chǎn)的渦旋光束，相對其他方法產(chǎn)生的環(huán)形光斑，采用渦旋光束方式產(chǎn)生環(huán)形光斑的好處是，離開焦面還能保持環(huán)狀光強分布。除了在激光增材制造有用外，這種光束未來在切割、焊接、打孔等方式都有應用，可以獲得更好的溫度場分布和更好的激光加工效果。圖4 實驗生產(chǎn)的渦旋光束（2）基于折射光學元件的環(huán)形光斑或點環(huán)光斑產(chǎn)生方法圖5為基于折射光學元件的環(huán)形光斑的產(chǎn)生方法，包括透射式的和全反射式的結(jié)構(gòu)，后面根據(jù)不同的焊接溫度場分布設計不同組合的環(huán)形光斑。（a）三鏡方案（b）兩鏡方案（c）單鏡方案圖5 基于折射光學元件的環(huán)形光斑的產(chǎn)生方法

華中科技大學 2022-09-27

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