摘要：据悉，华中科技大学的科研人员报道了可调焦点高斯-环模式激光在高质焊接过程中的新型光束整形方法，相关研究以“A novel beam shaping method for adjustable focus Gaussian-ring mode laser in
长三角G60激光联盟导读
据悉，华中科技大学的科研人员报道了可调焦点高斯-环模式激光在高质焊接过程中的新型光束整形方法，相关研究以“A novel beam shaping method for adjustable focus Gaussian-ring mode laser in high-quality welding process”为题发表在《Optics & Laser Technology》上。
亮点：
• 提出了一种用于可调焦点高斯-环模式（AFGRM）激光的新型光束整形方法。
• 高斯-环功率比、环模式半径及焦距差均可任意调节。
• 光束传输系统与激光能量分布具有可分性与高可靠性。
• 初步验证表明AFGRM激光在深熔焊接中具有优化焊接质量的潜力。
本研究提出了一种全新的光束整形方法，通过将高斯模式激光与不同焦距的环模式激光相结合，能够生成可调焦点高斯-环模式（AFGRM）激光。基于所提出的环形算法，获得了定制化的单片自由曲面镜，可实现从高斯激光源到AFGRM激光的准直、整形和聚焦效果。借助该单片自由曲面镜，具有定制焦距、环模式半径和高斯-环功率比的AFGRM激光可应用于激光焊接过程。本研究设计并制造了4片单片自由曲面镜，其准直长度为125毫米，高斯模式焦距为300毫米，环模式焦距为297毫米，环模式半径为0.3毫米，功率比设置分别为8:1、8:2、8:3和8:4。进行了光传播仿真与焦点分析，匹配结果展现出良好的传播稳定性与光束质量。此外，在相同中心高斯模式功率和相同总功率条件下，对16毫米SUS304板材进行了传统高斯激光与AFGRM激光的堆焊实验。在8:2的最佳功率比下，10 kW的AFGRM激光获得的焊缝熔深和气孔比例相较于8 kW传统高斯激光分别提升了37.0%和改善了98.6%，相较于10 kW传统高斯激光分别提升了11.0%和改善了98.2%。研究团队相信，通过这种新型光束整形方法，可获得具有多种空间能量分布的激光光束，这将在激光焊接及其他加工领域展现出独特优势。
关键词：光束整形；单片自由曲面镜；AFGRM激光；光束特性；SUS304焊接
图1. AFGRM激光传播与单片自由曲面镜形态示意图
图2. 单片自由曲面镜的设计流程
图3. 四种不同参数AFGRM激光实例的功率密度分布仿真结果
图4. AFGRM焊接系统示意图：（a）实际焊接平台图示；（b）激光头描述
图5. 样品后处理：（a）线切割位置图及检测样品；（b）金相检测与焊缝尺寸测量；（c）纵截面检测与气孔比例测量
图6. AFGRM系统整形后光束传播的仿真图示
图7. 传统高斯激光与AFGRM激光所获焊缝的形貌及详细数值
图8. AFGRM激光优化深熔焊接机理示意图
本研究提出了一种用于可调焦点高斯-环模式（AFGRM）激光的新型光束整形方法，并分别在相同高斯模式功率和相同总功率条件下，通过实验验证了其在增加焊接熔深和优化焊接质量方面的效果。同时给出了光束整形元件的设计方法及其仿真与测量结果。主要结论如下：
（1）基于所提出的环形算法，设计了一种单片自由曲面镜，能够将传统高斯激光源转换为包含高斯模式激光和环模式激光的新型组合激光，其高斯-环功率比、环模式半径及焦距差均可调节。通过改进的表面设计，该镜片可在30kW激光辐射下保持其光束整形特性的稳定性。
（2）所提出的单片自由曲面镜具备精确调控激光能量分布的能力。在AFGRM激光环模式功率比的光束质量检测中，仿真结果与目标值的误差为7%，测量结果与目标值的误差为6.5%。
（3）基于单片自由曲面镜的AFGRM激光在增加焊缝熔深方面展现出优于传统高斯激光的优势。在SUS304焊接实验中，在8:2的最佳功率比下，10kW AFGRM激光的焊缝熔深相较于8kW和10kW高斯激光分别提升了37.0%和11.0%。
（4）基于单片自由曲面镜的AFGRM激光在降低气孔比例方面展现出优于传统高斯激光的优势。在SUS304焊接实验中，在8:2的最佳功率比下，10kW AFGRM激光的气孔比例相较于8kW和10kW高斯激光分别降低了98.6%和98.2%。
论文链接：
长三角G60激光联盟陈长军转载
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来源：江苏激光联盟