文/Yvonne Guertler，Max Kahmann；通快公司

多年來，光束整形不僅使用戶制造出了更好的產(chǎn)品，同時(shí)還幫助他們有效控制一些具有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用。隨著工業(yè)激光器和加工用光學(xué)元件的最新進(jìn)展，光束整形技術(shù)也隨之向前邁進(jìn)，使得用戶能以一種非常靈活的方式，通過調(diào)整光束形狀來滿足特定應(yīng)用的需求。作為優(yōu)化材料加工的最佳前提條件，在過去的幾年里，通快已經(jīng)完全掌握了在工件上形成任意光束的技術(shù)，從而改進(jìn)材料加工。

光束整形技術(shù)基于優(yōu)化的波動光學(xué)設(shè)計(jì)和對熔融石英透射元件制造方法的改進(jìn)。光束整形技術(shù)不但適用于超快（也就是超短）脈沖激光器，也適用于多千瓦級連續(xù)（CW）激光器。光束整形技術(shù)在帶來高效率和功率處理能力的同時(shí)，還能為各種不同的應(yīng)用提供靈活的光束整形方法，從基模到多模、從超快到連續(xù)發(fā)射，且能覆蓋較寬的光譜范圍。

能夠在x、y、z軸三個(gè)方向調(diào)整光束強(qiáng)度分布，將為應(yīng)用帶來最大的靈活性。除了能夠調(diào)整光束強(qiáng)度外，還可以產(chǎn)生多個(gè)光斑。這種方法具有一定的成本優(yōu)勢，因?yàn)樵摷夹g(shù)能使用標(biāo)準(zhǔn)的激光產(chǎn)品，這意味著可以使用標(biāo)準(zhǔn)的激光源（如連續(xù)激光器）和標(biāo)準(zhǔn)的傳導(dǎo)光纖，無需進(jìn)行任何特定的調(diào)整或改造。

利用這種光束整形技術(shù)，通快公司已經(jīng)開發(fā)出了一些優(yōu)化的新加工方式。最近新開發(fā)的兩項(xiàng)應(yīng)用分別是：用超短脈沖激光器切割玻璃和人造藍(lán)寶石；以及提高汽車應(yīng)用中熱鍍鋅鋼材的釬焊能力。這兩項(xiàng)新發(fā)展，使生產(chǎn)流程更加有效靈活，打開了進(jìn)入新市場的大門。此外，它們既能應(yīng)用于單模激光源，也能用于多模激光源，這充分顯示了光束整形技術(shù)的潛力。

切割人造藍(lán)寶石和玻璃

由于玻璃對可見光和近紅外光是透明的，因此用波長位于這些透射波段的激光器來加工玻璃，好似并不合乎邏輯。但是，當(dāng)使用脈寬在皮秒或飛秒范圍的超快脈沖激光加工玻璃時(shí)，光并不是簡單地穿過被加工材料。相反，脈沖中光子的巨大空間和時(shí)間密度，有利于一個(gè)生成自由電子的非線性、多光子吸收過程。隨后，這些電子吸收更多的光子。這種透明材料中改良的吸收機(jī)制，使得利用激光加工人造藍(lán)寶石和玻璃成為可能。

這種加工的成功，主要取決于材料的改性。不同于使用逐個(gè)脈沖直接穿過材料（即消融），超快脈沖激光束被聚焦于玻璃的內(nèi)部，在玻璃內(nèi)部，超快脈沖激光束能夠沿著想要的切割線，改性一個(gè)狹窄的區(qū)域。隨后，玻璃會沿著這個(gè)由激光產(chǎn)生的特定狹窄改性區(qū)而斷裂。無論是直線切割還是曲線切割，這種方法都能獲得光滑的切割表面，切割精度可達(dá)到0.01mm。

這項(xiàng)技術(shù)是專門為切割堅(jiān)硬的薄玻璃而開發(fā)的，例如智能手機(jī)顯示屏的蓋板玻璃。切割智能手機(jī)顯示屏玻璃蓋板時(shí)，利用通快的Top Cleave光束整形鏡組，可以獲得高達(dá)1m/s的切割速度。激光強(qiáng)度沿著光束的傳輸方向z軸均勻分布，因此，焦點(diǎn)被拉長，光斑變成了一條長寬比大于1000:1的聚焦線。激光脈沖不再一層層地將玻璃消融，取而代之的是一次性改性完整的內(nèi)部分割表面（見圖1）。

根據(jù)脈沖能量和材料的不同，可切割的玻璃厚度可厚達(dá)2mm。如果用配備Top Cleave光束整形鏡組的TruMicro激光器切割2mm厚的玻璃，切割速度可達(dá)1m/s，該速度是不配備Top Cleave的100倍。即使是切割世界上第二堅(jiān)硬的透明材料藍(lán)寶石，也是如此。例如，TruMicro 5080激光器（重復(fù)率高達(dá)1000kHz、脈沖能量高達(dá)500μJ、平均功率大于150W）配備Top Cleave光束整形鏡組，可以形成一條激光聚焦線，能切割厚度超過1mm的玻璃。

熱鍍鋅材料的釬焊

汽車行業(yè)越來越熱衷于使用熱鍍鋅材料。除了如耐腐蝕性增強(qiáng)的實(shí)際差別之外，熱鍍鋅金屬的成本比電鍍鋅更低，并且在全球各地更容易獲得。

不過，采用釬焊方法來焊接熱鍍鋅材料確實(shí)有些難度。在加工過程中，由于材料上存在涂層，通常會在加工后的材料上形成飛濺、氣孔以及表面不平整等問題。然而，使用光束整形鏡組，可以將光束分成多個(gè)光斑，從而使釬焊熱鍍鋅材料成為可能，并且獲得了驚人的釬焊速度（與機(jī)器人配合實(shí)現(xiàn)4.5m/s)和令人滿意的加工質(zhì)量，光滑的材料表面上完全沒有飛濺和氣孔（見圖2）。

這個(gè)釬焊加工過程是利用一臺標(biāo)準(zhǔn)的6kW光纖傳導(dǎo)的碟片激光器TruDisk 6002實(shí)現(xiàn)的。該激光器配備了標(biāo)準(zhǔn)傳導(dǎo)光纖，將光束傳送至Scansonic公司的接觸式焊縫跟蹤鏡頭。Scansonic公司的Adaptive Laser Optic ALO3作為激光加工頭，在這該應(yīng)用中僅需要稍作調(diào)整即可使用。

在釬焊熱鍍鋅材料時(shí)，材料表面上的三個(gè)光斑，具有不同的直徑和功率密度。小光斑發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。鋅涂層可以預(yù)處理，零件表面也被預(yù)熱。全新的釬焊加工技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了更加光滑的焊接表面和更快的焊接速度。

通過這種方法，有望確保各個(gè)光斑彼此之間的位置和相對于焊絲的位置，不受加工頭的機(jī)械手臂在旋轉(zhuǎn)和定位時(shí)的影響。因此Scansonic ALO3 在使用上沒有任何限制，特別有利于汽車后擋板加工，以及在在焊縫的起始點(diǎn)或終結(jié)點(diǎn)，加工機(jī)器人需要進(jìn)行較大重新定位的情況（見圖3）。

光束整形可以實(shí)現(xiàn)釬焊加工，并且如果需要更換光纖，也非常簡便。從標(biāo)準(zhǔn)維護(hù)流程中也能看出其優(yōu)勢，用戶只需一個(gè)激光加工頭作為備件，用于鋁焊接和釬焊。光斑的幾何形狀和強(qiáng)度分布，尤其是各個(gè)光斑之間的能量分布，都在該光束整形元件中標(biāo)明。此外，光斑的方向相對于整形元件是固定的，不受其他任何參數(shù)的影響。

對于利用這種光束整形技術(shù)的定制光束而言，這是第一個(gè)多千瓦范圍內(nèi)的應(yīng)用，還有可能實(shí)現(xiàn)其他光束整形機(jī)制，這將為小型應(yīng)用打開無限潛能，比如可以加工出不同尺寸的焊縫。