微透镜焊接实例光斑及其参数的相关计算

随着科技进步，精小加工、高集成加工日益与人们的生活相融。激光焊接具有利于自动化，形变小，美观，深熔深等诸多优点。反之，也相应着其苛刻的构成。其中最首要，也是无法绕开的关键问题之一就是激光焊接匀化。将入射的高斯光，匀化成平顶光。高斯光能量分布不匀，会严重影响焊接的质量。常见的平顶光整形，主要分为DOE和ROE两类。而ROE激光匀光中，又以微透镜阵列为出众的黑马。其廉价、优异激光匀化效果带来高性价比。本文主要以实例介绍微透镜阵列用于激光焊接微透镜，将高斯光匀化成平顶光的相关激光焊接光学计算。

下图光路为本文所讲激光匀化的核心光路：

LA1，LA2 同型号微透镜阵列   FL：聚焦镜   FP：接收屏面   dn：入射准直光直径  D_PT：匀光大小

f_LA1=f_LA2：微透镜阵列的焦距   a₁₂：微透镜间距离   S：阵列2与聚焦镜间距    f_FL：聚焦镜焦距

微透镜阵列激光焊接匀化实例应用中，通常使两个微透镜之间的距离为其焦距，两个微透镜为同型号同参数的微透镜。成像在FP上的光斑形状以及对应的尺寸比例与微透镜真理的子口形状、尺寸比例相关。即，子口经的形状为圆，焦面上的匀光光斑为圆；若想得到相应比例的矩形光斑，就需要更换想应比例的矩形子口经的微透镜阵列。激光焊接光学计算中，主要影响的参数是阵列的焦距f，聚焦镜的焦距F以及阵列的子口经大小p。简化后粗略的计算公式如下：

D_FT= p_LA·f_FL/ f_LA2

下图是我司激光焊列行业龙头企业客户的测试样品，测试所使用的微透镜阵列为ML-R500*300-F6.7——矩形口径微透镜阵列，子单元尺寸为0.5mm*0.3mm，焦距为6.7mm。（我司微透镜阵列的命名方式：ML-形状+子单元尺寸-子单元焦距，其中子单元尺寸单位为μm，焦距单位为mm。R代表矩形子单元口径，H为六边形，S为方形，C为圆形。）。聚焦镜的焦距为100mm。其中，d为测试中PT距离聚焦镜FL的距离。当d=100mm=F的时候，在PT面形成了较好的矩形光斑，光斑尺寸约为7.5mm*4.5mm，与口径的5：3比例矩形十分相合。讲p=0.5*0.3μm，F=100mm，f=6.7mm带入上面简化的式子，计算的光斑尺寸应为7.46*4.78mm，与实际结果较为接近。

客户在日常元器件的选择中，可以根据上述的简化公式进行激光焊接光学计算。日常的应用中，客户的工作距离（一般工作距离，以聚焦镜开始计算。为了保持较好的匀化效果，应使聚焦镜的焦距=工作距离）和所希望的光斑尺寸较为固定。所以，可以由这两个已经确定的条件，反推出所需要的微透镜阵列p/f比值，在根据p/f在我司的标准品手册中筛选。

例如，客户需要在聚焦镜后100mm的工作距离上，实现4*3mm的光斑。则相应的计算为F=100mm，S=4*3mm。由S/F，等，相应的p/f比值应该为0.04*0.03。对应到我司的标准品，就是ML-R400*300-F10这款型号。激光焊接匀光光路即为：ML-R400*300-F10阵列组+F=100mm的聚焦镜，以此类推。

从上图中也可以看出，随着工作距离d的缩小，光斑尺寸开始产生变形，逐渐椭圆，向圆形靠近。针对这种情况，可以选用小焦距的聚焦镜，以防止激光焊接匀化光斑变形，确保光斑成型比例不变。