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實際上是在DOE表面設(shè)立不同的衍射功能區(qū)（子孔徑），每個DOE分區(qū)通過表面結(jié)構(gòu)的設(shè)計都能獨立產(chǎn)生特定的衍射圖案。這樣在使用具有多個子孔徑的DOE時，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于DOE中心的位置，實現(xiàn)不同的衍射圖案輸出，例如不同衍射圖案的獨立輸出、衍射圖案組合、組合圖案的相對強弱轉(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，每個子光束都受到其單獨修正的影響，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)移動激光束會改變?nèi)肷涞矫總€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。這種強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的工藝結(jié)果，根據(jù)具體應(yīng)用調(diào)整中心點與環(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光斑整形器原理，即使用三個耦合的光纖激光源實現(xiàn)了兩個條紋光束和一個主光束。 在基于DOE的模擬方法中，有效孔徑由三個子孔徑組成。 具有棱鏡功能的兩個小孔徑使兩個條紋光束偏轉(zhuǎn)，一個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。

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

如圖6所示，可使用手動或電動擴束器/可變軸錐望遠鏡調(diào)整光束相對于孔徑的位置，進而調(diào)整DOE徑向子孔徑上的能量大小。如果使用普通擴束器，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）。如果使用軸錐望遠鏡，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）

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

形狀均勻的光束對于焊接面積較大的區(qū)域（在這個區(qū)域最常進行光束整形）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，其中中心的強度zui低，拐角的強度最高–這稱為正方形M型光斑。 中心和拐角之間的強度比可以通過上面子孔徑部分中所述的相同方法即時調(diào)整以適應(yīng)特定的工藝需求。 實時控制和閉環(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特定空間強度分布的標(biāo)準(zhǔn)光束整形外，還有另一個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，通過標(biāo)準(zhǔn)整形無法實現(xiàn)具有良好焦深的緊密聚焦。

一種實現(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，以使其中一個軸變得非常相干而第二個軸變得非常不相干?？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)。

我們在圖11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變換可能會改善的形狀。

圖11a中展示出了用于釬焊和焊接的三點激光整形方法。在這種方法中，通常沿箭頭方向掃描斑點。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，實現(xiàn)更窄的中心點和環(huán)繞點。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，對于較小的環(huán)直徑，環(huán)將重疊，而對于轉(zhuǎn)換后的光束，環(huán)可具有較小的分離角度。