本文介紹固體激光器（SSL）的三類光束傳輸方式及加工光路，介紹了如何通過使用反射光路來減少熱焦點(diǎn)偏移；通過采用雙同軸芯光纜能使同一光纖傳輸兩種不同質(zhì)量的光束，光束質(zhì)量的改進(jìn)將如何以一種創(chuàng)造性的方法來提升激光器的靈活性；高質(zhì)量光束如何更好地利用振鏡掃描光路以完成遠(yuǎn)程焊接。 

控制熱焦點(diǎn)偏移 

       當(dāng)激光束的波長為1微米時(shí)，保持光路表面潔凈非常關(guān)鍵。由于固體激光器的波長比二氧化碳激光器短很多，光路中即便是一個很小的微粒，也會造成重大損害或者功率損耗。如果將一個帶相機(jī)的零度角（直線型）加工頭和一個帶照相機(jī)的90度角（直角）加工頭做比較，很容易看到熱焦點(diǎn)偏移的效果。在零度角配置的情況下，為了將可見光反射給相機(jī)，需要在透鏡和準(zhǔn)直儀之間增加一個穿透式光學(xué)板。而在90度角配置時(shí)，為了反射激光波長和將可見光傳遞給相機(jī)，需要涂覆呈直角形的光路。 

        在穿透式鏡片里，激光光束穿過光學(xué)材料，大約2%的能量會被疏松物質(zhì)和鏡片表面吸收，即便是潔凈且精心設(shè)計(jì)的鏡片也不例外。可以預(yù)想，1000瓦特的2%是相當(dāng)容易控制的，但是16000瓦特的2%卻難以從材料中消除，因?yàn)椴牧显跓嵯匦苑矫娌皇翘貏e易于傳導(dǎo)熱量。另一方面，反射式鏡片能夠?qū)缀跛械哪芰慷挤瓷涑鋈?，只在涂層和表面上有些許損耗，一般不超過0.3%，因此在光學(xué)材料環(huán)節(jié)中損失的熱量非常少的。 

       對于大功率高負(fù)載率激光焊接應(yīng)用來說，反射式光學(xué)加工頭是理想的選擇。準(zhǔn)直透鏡和聚焦透鏡都已經(jīng)被替換為反射式光路。而且，在反射式聚焦光路上涂覆了涂層，使可見光傳輸至位于后面的相機(jī)。這讓保護(hù)蓋滑片成為這種配置中唯一可透光的光學(xué)部件。圖1顯示了在大功率應(yīng)用中反射式光學(xué)配置和穿透式光學(xué)配置的對比結(jié)果。在圖中可以看到，熱焦點(diǎn)偏移顯著減少，特別是在與零度角（直線型）穿透式配置相比時(shí)，大功率級別減少了75%的熱焦點(diǎn)偏移。

       雙芯光纖 對于許多焊接應(yīng)用來說，期望的光束質(zhì)量是平頂形的光束波形，并使用相對大的光斑尺寸來傳輸中等質(zhì)量的光束。另一方面，激光切割應(yīng)用要求非常好的光束質(zhì)量，通常是高斯分布的波形，可以聚焦至小光斑尺寸。通過使用適合某種應(yīng)用的光束質(zhì)量，就可以在最佳的聚焦點(diǎn)進(jìn)行加工，從而能在功率級別很大時(shí)繼續(xù)保持高質(zhì)量、快速和高可重復(fù)性的焊接和切割，還能容許零件位置、高度和焦點(diǎn)偏移稍有變化。要想達(dá)到這一目的，通常必須使用兩根獨(dú)立的光纖。 

       幸運(yùn)的是，一種新型二合一光纖技術(shù)已經(jīng)成為可能，在一根光纜中包含兩個同心圓的光纖芯徑。在切割工藝中，激光光束被定向穿過正中心100微米直徑的芯，產(chǎn)生高光束質(zhì)量；而在焊接工藝中，光束被定向穿過外層的芯（目前的可用直徑是400微米或600微米），從而能將最佳質(zhì)量的光束傳輸給工件。 

        這種二合一光纖非常適合激光加工系統(tǒng)，只需單根光纖就能夠?qū)⒐馐樦S線傳送到加工頭。這樣就可以快速更換整個加工頭，還可以將切割噴嘴快速替換為焊接噴嘴。在切割時(shí)，適當(dāng)配置切割組件，激光光束就能進(jìn)入中間的芯。在焊接時(shí)，相應(yīng)地配置加工頭，激光器中的光學(xué)開關(guān)就會將光束轉(zhuǎn)移到二合一光纖的外芯環(huán)。 

圖2 顯示了光纖開關(guān)如何工作，并顯示了分別在內(nèi)芯（直徑100微米）和與外芯環(huán)（直徑400微米）條件下，測定的光強(qiáng)分布。

       德國通快公司已經(jīng)完成了新型二合一光纖與標(biāo)準(zhǔn)單芯階躍光纖之間的對比試驗(yàn)。在切割試驗(yàn)中，二合一光纖內(nèi)芯的切割速度、邊緣質(zhì)量與直徑相同的標(biāo)準(zhǔn)階躍光纖完全一樣。在通過外芯環(huán)進(jìn)行深度焊接時(shí)，與直徑相同的常規(guī)階躍光纖的輸出相比，焊縫和焊根的質(zhì)量以及焊縫形狀完全一樣。無論是切割還是焊接，二合一光纖都能安全可靠地獲得與常規(guī)階躍光纖一樣的加工結(jié)果。 

      遠(yuǎn)程掃描焊接 如今， 在激光材料加工領(lǐng)域，多年來振鏡掃描技術(shù)已經(jīng)廣受歡迎，主要應(yīng)用于二氧化碳激光打標(biāo)系統(tǒng)和固定頭系統(tǒng)。隨著高光束質(zhì)量碟片激光器和光纖激光器的進(jìn)步，掃描振鏡已經(jīng)快速擴(kuò)展至工業(yè)應(yīng)用，伴隨而來的是生產(chǎn)周期的縮減，系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡化帶來的成本降低以及大型的工作通道和更大的靈活性。 

     激光通過光纖纜線傳輸?shù)娇删幊叹劢圭R組（PFO），隨后和其他類型的加工鏡片一樣，激光穿過準(zhǔn)直儀生成最佳直徑的準(zhǔn)直光束，從而能夠使工件獲得高質(zhì)量工藝特性，并使反射鏡和聚焦透鏡上的能量密度最小。 

        二維PFO的基本操作如下：在光束被準(zhǔn)直后，會被鏡片反射偏離，同時(shí)鏡片能將可見光回傳至可選配的相機(jī)系統(tǒng)。接下來，安裝在精密振鏡馬達(dá)上的雙鏡組合會操控偏離的激光光束，將其對準(zhǔn)工件，每個鏡片分別對應(yīng)X軸和Y軸進(jìn)行運(yùn)動，而被處理的部件保持靜止不動。接下來，偏離的激光光束會穿過一系列透鏡（稱為平場透鏡組合）。通過使用不同類型的焦距，就可以創(chuàng)造一個區(qū)域，在這個區(qū)域里激光光束焦點(diǎn)平面保持不變。如果在準(zhǔn)直儀和第一個振鏡鏡片之間加入馬達(dá)透鏡，還可以調(diào)節(jié)Z軸的焦點(diǎn)，從而創(chuàng)建一個三維的工作區(qū)域。 

       為什么使用PFO？對于小的部件，可以使用固定的部件，將PFO安裝在固定的位置，從而簡化總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)——除了PFO外，沒有其它運(yùn)動的部件。對于大小超過工作通道的工件，可以將工件安裝在固定裝置上，提供一個簡單的臺面，允許一次焊接半個甚至一個象限，接著轉(zhuǎn)移工件，或者可以將PFO安裝在機(jī)械手上，能夠覆蓋很大的區(qū)域和不同的角度。與傳統(tǒng)的固定鏡片加工頭相比，焊接速度是一樣的，由于免去了定位時(shí)間（見圖3），工作效率得以提升。當(dāng)今最常應(yīng)用PFO的行業(yè)是汽車工業(yè)。