光束整形開創新一代超快激光加工應用

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

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

能夠在x、y、z軸三個方向調整光束強度分布，將為應用帶來最大的靈活性。除了能夠調整光束強度外，還可以產生多個光斑。這種方法具有一定的成本優勢，因為該技術能使用標準的激光產品，這意味著可以使用標準的激光源（如連續激光器）和標準的傳導光纖，無需進行任何特定的調整或改造。

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

切割人造藍寶石和玻璃

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，當使用脈寬在皮秒或飛秒范圍的超快脈沖激光加工玻璃時，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間密度，有利于一個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制，使得利用激光加工人造藍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部，在玻璃內部，超快脈沖激光束能夠沿著想要的切割線，改性一個狹窄的區域。隨后，玻璃會沿著這個由激光產生的特定狹窄改性區而斷裂。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，切割精度可達到0.01mm。

這項技術是專門為切割堅硬的薄玻璃而開發的，例如智能手機顯示屏的蓋板玻璃。切割智能手機顯示屏玻璃蓋板時，利用通快的Top Cleave光束整形鏡組，可以獲得高達1m/s的切割速度。激光強度沿著光束的傳輸方向z軸均勻分布，因此，焦點被拉長，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部分割表面（見圖1）。

圖1：利用通快的Top Cleave光束整形鏡組切割堅硬的薄玻璃（a）。激光強度沿著光束的傳輸方向z軸均勻分布，形成一條長寬比大于1000:1的聚焦線（b）。激光脈沖一次性改性完整的內部分割表面。

根據脈沖能量和材料的不同，可切割的玻璃厚度可厚達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硬的透明材料藍寶石，也是如此。例如，TruMicro 5080激光器（重復率高達1000kHz、脈沖能量高達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

汽車行業越來越熱衷于使用熱鍍鋅材料。除了如耐腐蝕性增強的實際差別之外，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（與機器人配合實現4.5m/s)和令人滿意的加工質量，光滑的材料表面上完全沒有飛濺和氣孔（見圖2）。

圖2：使用光束整形鏡組，將光束分成多個光斑，從而使釬焊熱鍍鋅材料成為可能（a），并且利用機器人獲得了4.5m/s的釬焊速度和令人滿意的加工質量，包括完全沒有飛濺和氣孔的光滑材料表面（b）。

這個釬焊加工過程是利用一臺標準的6kW光纖傳導的碟片激光器TruDisk 6002實現的。該激光器配備了標準傳導光纖，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，在這該應用中僅需要稍作調整即可使用。

在釬焊熱鍍鋅材料時，材料表面上的三個光斑，具有不同的直徑和功率密度。小光斑發揮著至關重要的作用。鋅涂層可以預處理，零件表面也被預熱。全新的釬焊加工技術，實現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，不受加工頭的機械手臂在旋轉和定位時的影響。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或終結點，加工機器人需要進行較大重新定位的情況（見圖3）。

圖3：在釬焊熱鍍鋅材料時，材料表面上的三個光點（a），具有不同的直徑和功率密度（b）。利用光束整形鏡組，確保各個光斑彼此之間的位置和相對于焊絲的位置，不受加工頭的機械手臂在旋轉和定位時的影響。

光束整形可以實現釬焊加工，并且如果需要更換光纖，也非常簡便。從標準維護流程中也能看出其優勢，用戶只需一個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度分布，尤其是各個光斑之間的能量分布，都在該光束整形元件中標明。此外，光斑的方向相對于整形元件是固定的，不受其他任何參數的影響。

對于利用這種光束整形技術的定制光束而言，這是第一個多千瓦范圍內的應用，還有可能實現其他光束整形機制，這將為小型應用打開無限潛能，比如可以加工出不同尺寸的焊縫。（文章來源：激光中國）