荷兰特文特大学|使用振镜扫描器或变形镜对动态高功率激光束整形进行数学分析

来自荷兰的特文特大学研究人员在Optics & Laser Technology国际期刊上发表文章Mathematical analysis of dynamic high power laser beam shaping using Galvanometer Scanners or Deformable Mirrors。

在各种高功率激光材料加工中（如激光切割、焊接、表面处理等），光束整形对加工质量和生产效率的具有优化作用。研究指出，通过调节激光光束的空间强度分布，可以改善焊缝几何形状、减少飞溅并提高接头的稳定性。目前，适用于动态光束整形的两种主要设备是振镜扫描器（GS）和变形镜（DM）。然而，缺乏对两种方法在分辨率、成形能力和误差分布上的系统比较。本研究提出了一个新的数学框架，以量化和比较GS和DM在动态光束整形中的性能。

Laser & Electron Beam Processing

本文研究了高功率激光加工中动态光束整形技术的性能，通过数学模型量化了两种主要设备（振镜扫描器和变形镜）的光束成形能力和误差分布。研究设计了三种典型目标光束形状（分裂、马蹄形和方形），并通过实验和模拟评估了设备性能的差异。结果表明，振镜扫描器在分裂光束和马蹄形光束整形中表现较好，能够通过高频路径扫描实现目标光束，但因频率限制，存在路径误差和强度波动。两种设备在不同目标光束上的性能差异，反映了其动态控制能力的局限性。研究为动态光束整形在激光加工中的应用提供了理论支持，并指出了未来优化方向，包括提升振镜扫描速度和变形镜的精度，以进一步满足复杂激光加工需求。

Laser & Electron Beam Processing

图1显示了形状函数空间与未整形光束的顶视图，定义了形状函数的区域和整形光束的空间。

图1. 使用 (a) 振镜扫描仪或 (b) 可变形反射镜的动态光束整形装置的光学布局示意图。

图2与图3显示了，振镜扫描器通过周期性路径实现分裂光束形状。通过误差分析表明，理想振镜可完全复现目标光束，但实际振镜因频率限制存在轻微误差。

图2. (a)形函数的可视化 S 和不定形梁 IU (b) 异形梁 IS 对于光束形状“分裂”和分辨率 D/df=3

图3. 模拟成形激光强度分布以及与使用 (b)、(c) 理想电扫描器、(d)、(e) 实用电扫描器、(f)、(g) 理想的 (a) 所需“分裂”激光强度分布的差异变形镜和(h),(i)实用变形镜。

图4显示了，马蹄形光束由曲线形状函数定义，模拟表明振镜和变形镜在复现曲线形状方面性能相当，但误差分布有所不同。

图4. (a)形函数的可视化 S 和不定形梁 IU (b) 异形梁 IS 对于光束形状“马蹄形”和分辨率 D/df=3。

图5与图6表明了，变形镜在方形光束整形中表现优越，但因镜面曲率限制，边角强度略有偏差，振镜扫描路径的限制导致x方向的强度波动。

图5. (a)形函数的可视化 S 和不定形梁 IU (b) 异形梁 IS 对于光束形状“方形”和分辨率 D/df=3。

图6. 使用 (b)、(c) 理想电扫描仪、(d)、(e) 实用电扫描仪、(f)、(g) 理想变形镜和 ( h),(i) 实用的变形镜。

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本文结论如下：

1、数学分析表明振镜扫描器的分辨率与入射光束的波长和光束质量成反比，振镜扫描器的分辨率与振镜的角度以及准直光束的直径成正比。然而，两者都仅限于实现更高的扫描频率。对于更高的扫描频率，需要对激光源进行更快的功率调制，以获得焦平面中所需的激光强度分布。

2、与振镜扫描器一样，变形镜的分辨率与入射激光束的波长和光束质量成反比。研究表明，振镜扫描仪和变形镜都能够在焦平面上创建分裂、马蹄形和方形激光强度分布。两个光束整形装置与所需强度分布的平均偏差相似，但焦平面中的误差分布不同。由于其光束形状特性，振镜扫描仪在曲线形状功能中表现最佳。

https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2024.112356