今天研習光束整形技術(shù)，該技術(shù)主要是解決傳統(tǒng)高斯光束的不足，使激光適用于更多的應(yīng)用場景，克服工藝缺陷，擴大工藝窗口，滿足高端制造需求。

01

應(yīng)用背景

在金屬激光增材制造領(lǐng)域，傳統(tǒng)高斯光束的能量呈中心高、邊緣低分布。使得熔池溫度梯度大、穩(wěn)定性差，易產(chǎn)生孔隙與粗大晶粒，如孔隙會降低零件力學性能、降低產(chǎn)品的疲勞壽命，嚴重影響最終的打印質(zhì)量。同時高斯光束的能量利用率低、工藝窗口狹窄，限制了產(chǎn)品生產(chǎn)效率與質(zhì)量優(yōu)化。目前常通過調(diào)整激光功率、掃描速度等參數(shù)進行改善，但因光束物理極限，效果不佳。

光束整形技術(shù)通過調(diào)制激光束的能量分布，精準調(diào)控熔池溫度與流動行為，可有效抑制孔隙、飛濺等缺陷，提高能量利用率及打印質(zhì)量與效率。同時也為產(chǎn)品設(shè)計帶來更大選擇空間，有力推動了金屬激光增材制造技術(shù)發(fā)展，成為解決傳統(tǒng)高斯光束難題，滿足高端制造需求的關(guān)鍵技術(shù)與路徑。

02

高斯光束（Gaussian beam）

定義：

高斯光束是激光束在自由空間傳播時的一種典型模式，其電場強度分布遵循高斯函數(shù)形式。從波動光學角度，它是麥克斯韋方程組在特定邊界條件下的解。 特點： 在激光產(chǎn)生過程中，激光器諧振腔內(nèi)的光學模式?jīng)Q定了輸出光束具有高斯分布特性。 例如，在由兩塊反射鏡構(gòu)成的簡單諧振腔中，光在腔內(nèi)往返傳播，滿足共振條件的模式形成穩(wěn)定的高斯光束分布，其光強在光束橫截面呈中心強、邊緣弱的高斯分布。 *傳統(tǒng)圓形高斯光束

在激光增材應(yīng)用的不足： ①激光能力呈高斯分布，導(dǎo)致溫度梯度大； ②熔池中心溫度過高，使得低熔點金屬汽化，改變了設(shè)計組分，增加了熔池的不穩(wěn)定性； ③孔隙率增加，疲勞壽命降低； ④激光能量利用率低，能量浪費多。 *激光增材應(yīng)用＆光束整形：Gaussian、Bessel、Inverse Gaussian、Elliptical、Top-Hat

03

典型光束整形方法

原理：

光束整形是指對入射光束的輻照度和相位分布進行重分配的過程，其中輻照度分布決定了光束的輪廓，如高斯形、環(huán)形、圓形或矩形，相位決定了輸出光束的傳播特性。 非球面透鏡組整形（Aspheric lens group shaping） 依據(jù)能量守恒定律構(gòu)建輸入-輸出光線映射函數(shù)，實現(xiàn)激光束能量再分配。 優(yōu)勢： 能量利用率高、耐高溫性能卓越，特別契合大功率激光束整形需求。 不足： 對輸入激光光強穩(wěn)定性要求嚴苛，光強波動易干擾整形效果。 *非球面透鏡組整形：a)具有雙自由曲面的光學透鏡組設(shè)計；b)由兩個具有自由曲面的透鏡組成的光學系統(tǒng)；c)輻照強度分布模擬

液晶空間光調(diào)制器整形（Liquid crystal spatial light modulator shaping） 控制液晶分子的雙折射與扭曲向列效應(yīng)，靈活調(diào)控輸入光束的相位及幅度。通過精準編程改變電壓，可實時動態(tài)調(diào)控多種光斑形狀，如方形、環(huán)形、星形等，以滿足復(fù)雜零件加工對光斑形狀的定制訴求。 特點： 可以用于動態(tài)光束整形，與靜態(tài)光束整形技術(shù)相比，將更好地滿足復(fù)雜零件的加工。 *反射式液晶空間光調(diào)制器的原理

微透鏡陣列整形（Microlens array shaping） 核心系統(tǒng)由微透鏡陣列結(jié)構(gòu)與聚焦透鏡組成，針對多模激光束，能有效重新分配光束強度，優(yōu)化輸出光束均勻性，確保加工能量分布均勻穩(wěn)定。 不足： 系統(tǒng)復(fù)雜度與制造成本顯著提升，在成本敏感場景應(yīng)用受限，需權(quán)衡性能與成本因素。 *微透鏡陣列整形原理：a)微透鏡陣列整形系統(tǒng) b) 均質(zhì)器

衍射光學元件整形（Diffraction Optical Element） 基于衍射理論設(shè)計的純相位型調(diào)制元件。元件設(shè)計過程是已知入射光場與目標光場復(fù)振幅分布，通過衍射傳輸理論，求解需要補償?shù)难苌湎辔弧Ｍㄟ^刻蝕的方式將求解的衍射相位添加到一定厚度的光學元件上，當光束通過整形DOE時，實現(xiàn)光束的波前變換，達到整形目的。 應(yīng)用情況： 在金屬焊接領(lǐng)域表現(xiàn)卓越，可優(yōu)化鋁合金焊接熔池穩(wěn)定性、減少焊接缺陷、提升表面質(zhì)量，推動了焊接工藝升級。 *衍射光學元件整形系統(tǒng)

04

不同光束能量對熔池的影響

橢圓光束（Elliptical beam）

由圓形高斯光束整形而來，分為縱向與橫向橢圓光束。

①縱向橢圓光束：加熱時間長、效率低但熔池穩(wěn)定利于晶粒生長； ②橫向橢圓光束：效率高、晶粒細化但熔深淺、冶金結(jié)合力弱。 二者能量梯度低均利于減少飛濺、穩(wěn)定熔池，相比高斯光束更易生成等軸晶，以提高零件的性能。 *橢圓激光束的能量分布與熔池狀態(tài)

平頂光束（Flat-top beam） ①能量均勻分布，能大幅減小熔池溫度梯度，促進晶粒生長與能量高效利用； ②提高打印效率、零件密度與表面質(zhì)量，可抑制金屬蒸發(fā)與飛濺； ③不足：在光束傳輸中形狀難以保持，且均勻分布的范圍較窄。 *高斯光束與平頂光束

貝塞爾光束（Bessel beam） ①點-環(huán)光強分布； ②中心光斑無衍射、焦深長、具有自修復(fù)特性； ③可形成深窄熔池，增強層間連接； ④減少缺陷，利于生成等軸晶，提升零件質(zhì)量。 *高斯光束與貝塞爾光束

逆高斯光束（Inverse Gaussian beam） ①能量中心低邊緣高，呈環(huán)形分布； ②形成的熔池較淺、兩次加熱冷卻過程； ③降低了粉末未熔風險，但同時也減弱了層間連接。 *高斯光束與逆高斯光束