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(duì)齊，出射的光束相位被改變，附加一個(gè)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?fù)浜蓴?shù)，影響渦旋光束能量較低區(qū)域的大小。螺旋相位板的臺(tái)階高度通常為微米量級(jí)，并且初始光束都是通過(guò)擴(kuò)束系統(tǒng)擴(kuò)束的，基本沒(méi)有發(fā)散，因此，螺旋相位板對(duì)光束光強(qiáng)基本沒(méi)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(wèn)題，同時(shí)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(diǎn)，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?fù)鋽?shù)渦旋光束的光場(chǎng)分布。

圖3 產(chǎn)生渦旋光束的光路圖

表1 不同拓?fù)鋽?shù)渦旋光束的光場(chǎng)分布

本成果設(shè)計(jì)加工了產(chǎn)生渦旋光束的衍射光學(xué)元件，通過(guò)組合獲得了不同拓?fù)鋽?shù)的渦旋光束，圖4給出實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)的渦旋光束，相對(duì)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(kāi)焦面還能保持環(huán)狀光強(qiáng)分布。除了在激光增材制造有用外，這種光束未來(lái)在切割、焊接、打孔等方式都有應(yīng)用，可以獲得更好的溫度場(chǎng)分布和更好的激光加工效果。

圖4實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)的渦旋光束

（2）基于折射光學(xué)元件的環(huán)形光斑或點(diǎn)環(huán)光斑產(chǎn)生方法

（a）三鏡方案

（b）兩鏡方案

（c）單鏡方案

圖5 基于折射光學(xué)元件的環(huán)形光斑的產(chǎn)生方法

【技術(shù)成熟度】

 精準(zhǔn)能量調(diào)控的點(diǎn)環(huán)光斑激光加工頭完成了理論仿真設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)了基于透射式和反射的點(diǎn)環(huán)光斑原理樣機(jī)，并進(jìn)行了部分工藝實(shí)驗(yàn)，后期僅需要根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)鏡進(jìn)行工藝優(yōu)化。

【應(yīng)用場(chǎng)景】

1.新能源領(lǐng)域的銅材、鋁材等高反材料的激光焊接；

2.汽車(chē)零部件和車(chē)身的高質(zhì)量激光焊接；

3.對(duì)焊接質(zhì)量要求高的不銹鋼等金屬材料的激光焊接；

4.船舶、核電等行業(yè)的厚板激光焊接。

【市場(chǎng)前景】

精準(zhǔn)能量調(diào)控的激光加工系統(tǒng)，不僅可以大幅降低激光焊接過(guò)程中的飛濺空洞缺陷，而且能夠穩(wěn)定熔池，提高焊接過(guò)程的工藝穩(wěn)定性。目前，眾多激光廠家都是通過(guò)研發(fā)芯環(huán)多層光纖來(lái)獲得點(diǎn)環(huán)光斑用于焊接，設(shè)備成本高，使用維護(hù)困難。本成果在普通切割版光纖激光器上，通過(guò)開(kāi)發(fā)精準(zhǔn)能量調(diào)控點(diǎn)環(huán)光斑激光加工頭，不僅大幅降低設(shè)備成本，而且可以通過(guò)更換光學(xué)鏡片，調(diào)節(jié)點(diǎn)環(huán)光斑的尺寸參數(shù)，適應(yīng)性更強(qiáng)。未來(lái)在汽車(chē)制造、新能源、3C電子、船舶、核電等行業(yè)有廣泛的應(yīng)用前景。

【知識(shí)產(chǎn)權(quán)】