光束整形技术:原理、特点和应用

 

今天研习光束整形技术，该技术主要是解决传统高斯光束的不足，使激光适用于更多的应用场景，克服工艺缺陷，扩大工艺窗口，满足高端制造需求。

 

01

 

应用背景

在金属激光增材制造领域，传统高斯光束的能量呈中心高、边缘低分布。使得熔池温度梯度大、稳定性差，易产生孔隙与粗大晶粒，如孔隙会降低零件力学性能、降低产品的疲劳寿命，严重影响最终的打印质量。同时高斯光束的能量利用率低、工艺窗口狭窄，限制了产品生产效率与质量优化。目前常通过调整激光功率、扫描速度等参数进行改善，但因光束物理极限，效果不佳。

光束整形技术通过调制激光束的能量分布，精准调控熔池温度与流动行为，可有效抑制孔隙、飞溅等缺陷，提高能量利用率及打印质量与效率。同时也为产品设计带来更大选择空间，有力推动了金属激光增材制造技术发展，成为解决传统高斯光束难题，满足高端制造需求的关键技术与路径。

 

02

 

高斯光束（Gaussian beam）

定义：

高斯光束是激光束在自由空间传播时的一种典型模式，其电场强度分布遵循高斯函数形式。从波动光学角度，它是麦克斯韦方程组在特定边界条件下的解。 特点： 在激光产生过程中，激光器谐振腔内的光学模式决定了输出光束具有高斯分布特性。 例如，在由两块反射镜构成的简单谐振腔中，光在腔内往返传播，满足共振条件的模式形成稳定的高斯光束分布，其光强在光束横截面呈中心强、边缘弱的高斯分布。 *传统圆形高斯光束

在激光增材应用的不足： ①激光能力呈高斯分布，导致温度梯度大； ②熔池中心温度过高，使得低熔点金属汽化，改变了设计组分，增加了熔池的不稳定性； ③孔隙率增加，疲劳寿命降低； ④激光能量利用率低，能量浪费多。 *激光增材应用＆光束整形：Gaussian、Bessel、Inverse Gaussian、Elliptical、Top-Hat

 

 

03

 

典型光束整形方法

原理：

光束整形是指对入射光束的辐照度和相位分布进行重分配的过程，其中辐照度分布决定了光束的轮廓，如高斯形、环形、圆形或矩形，相位决定了输出光束的传播特性。 非球面透镜组整形（Aspheric lens group shaping） 依据能量守恒定律构建输入-输出光线映射函数，实现激光束能量再分配。 优势： 能量利用率高、耐高温性能卓越，特别契合大功率激光束整形需求。 不足： 对输入激光光强稳定性要求严苛，光强波动易干扰整形效果。 *非球面透镜组整形：a)具有双自由曲面的光学透镜组设计；b)由两个具有自由曲面的透镜组成的光学系统；c)辐照强度分布模拟

液晶空间光调制器整形（Liquid crystal spatial light modulator shaping） 控制液晶分子的双折射与扭曲向列效应，灵活调控输入光束的相位及幅度。通过精准编程改变电压，可实时动态调控多种光斑形状，如方形、环形、星形等，以满足复杂零件加工对光斑形状的定制诉求。 特点： 可以用于动态光束整形，与静态光束整形技术相比，将更好地满足复杂零件的加工。 *反射式液晶空间光调制器的原理

微透镜阵列整形（Microlens array shaping） 核心系统由微透镜阵列结构与聚焦透镜组成，针对多模激光束，能有效重新分配光束强度，优化输出光束均匀性，确保加工能量分布均匀稳定。 不足： 系统复杂度与制造成本显著提升，在成本敏感场景应用受限，需权衡性能与成本因素。 *微透镜阵列整形原理：a)微透镜阵列整形系统 b) 均质器

 

 

衍射光学元件整形（Diffraction Optical Element） 基于衍射理论设计的纯相位型调制元件。元件设计过程是已知入射光场与目标光场复振幅分布，通过衍射传输理论，求解需要补偿的衍射相位。通过刻蚀的方式将求解的衍射相位添加到一定厚度的光学元件上，当光束通过整形DOE时，实现光束的波前变换，达到整形目的。 应用情况： 在金属焊接领域表现卓越，可优化铝合金焊接熔池稳定性、减少焊接缺陷、提升表面质量，推动了焊接工艺升级。 *衍射光学元件整形系统

 

 

 

04

 

不同光束能量对熔池的影响

椭圆光束（Elliptical beam）

由圆形高斯光束整形而来，分为纵向与横向椭圆光束。

①纵向椭圆光束：加热时间长、效率低但熔池稳定利于晶粒生长； ②横向椭圆光束：效率高、晶粒细化但熔深浅、冶金结合力弱。 二者能量梯度低均利于减少飞溅、稳定熔池，相比高斯光束更易生成等轴晶，以提高零件的性能。 *椭圆激光束的能量分布与熔池状态

平顶光束（Flat-top beam） ①能量均匀分布，能大幅减小熔池温度梯度，促进晶粒生长与能量高效利用； ②提高打印效率、零件密度与表面质量，可抑制金属蒸发与飞溅； ③不足：在光束传输中形状难以保持，且均匀分布的范围较窄。 *高斯光束与平顶光束

贝塞尔光束（Bessel beam） ①点-环光强分布； ②中心光斑无衍射、焦深长、具有自修复特性； ③可形成深窄熔池，增强层间连接； ④减少缺陷，利于生成等轴晶，提升零件质量。 *高斯光束与贝塞尔光束

逆高斯光束（Inverse Gaussian beam） ①能量中心低边缘高，呈环形分布； ②形成的熔池较浅、两次加热冷却过程； ③降低了粉末未熔风险，但同时也减弱了层间连接。 *高斯光束与逆高斯光束