衍射光学元件DOE用于高功率激光切割

目前人们对使用激光切割进行核设施退役应用很感兴趣。在此应用中使用激光的好处包括速度高、公差低、切割头重量轻、被切割的零件用力小以及激光切割过程的自动化程度。当然，激光切割是一种热加工过程，潜在的危害是残留的激光束穿过切口，可能会损坏或确实烧蚀位于被切割零件后面的东西。

英国TWI 公司、Laser Optical Engineering 公司和Loughborough大学的Paul A. Hilton, Daniel Lloyd和John R. Tyrer采用衍射光学元件和透镜组合用于高功率激光加工，对C-Mn钢板切割。该实验采用的DOE为定制型号，将一个匀化片与250mm焦距的透镜结合为一体，以及单独DOE与聚焦镜使用作对比，减少了像差的组合透镜性能更好。衍射光学元件，简称DOE，可以用于光束整形，将高斯光或者类高斯光整形为平顶光，包括光束整形器和匀化片。

本文介绍了在激光束形成光学器件中使用衍射光学元件，旨在扩展系统的焦深，而不增加聚焦光学器件的焦距。这样，对于厚材料的切割，目标是达到长焦距镜头的切割性能，同时具有短焦距镜头的光束发散角。介绍了一种衍射光学元件的设计，当与5kW光纤激光器一起使用时，结合一组传统的光束形成光学元件，包括250mm焦距聚焦透镜，能够以50毫米/分钟的速度切割40mm厚的C-Mn钢板，同时将喷嘴尖端与板的间隔距离改变100毫米。对于聚焦光束中相同的激光功率，通过移除衍射光学元件和250mm透镜并仅用500mm透镜替换它们，此性能相当。然而，与使用500mm透镜的光学装置相比，使用衍射光学元件时，剩余光束中的功率密度降低了四倍。

一、匀化片制备与测试

入射光功率密度在降低加工伤害和加工温度中扮演了一个重要角色，对于给定的传输光纤孔径和准直透镜，残留激光功率密度取决于光束聚焦元件的焦距。较长的焦距会产生一个更长的瑞利长度，有利于厚材料的切割但是会在焦点处产生更高的功率密度。为了处理传统的折射元件形成光束的极限，选择采用衍射光学元件去生成二维或者三维能量分布。衍射光学元件被广泛用在低功率激光器，通常是可见光光谱范围的波段，比如光学互联，多重聚焦和图像处理。然而，在高功率激光器的有效使用上一直受到限制。

衍射光学元件使用电脑生成的全息图样，用相干光源照明时，能量会转化为数学上特定的分布。许多数学模型可以通过电脑生成全息图样以及将光重新分配的方法。一个DOE由可以衍射的孔径阵列组成。传输光束通过每个像素前进，通过干涉相长和干涉相消作用在像平面得到想要的成像。提出两种DOE设计，一种是beam shaper，即光束整形器，通过尽可能小的入射角用优化算法是入射光发生衍射。另一种是diffuser/homogenizer，即匀化片。操作略有不同，因为输入光束为分散在输出图像上，意味着有更多设计自由，允许潜在的更高效率和通常导致较大的衍射角。这项工作生产的DOE是扩散型，被认为比整形型更能容忍输入光束的变化。当光束的精确模式可能改变时，这是有利的，如本工作中使用的高功率多模激光器的情况。

DOE的设计是基于入射光束和期望得到的像平面光斑需求为基准而考虑的。这个决定了DOE全息图的尺寸和每个孔径的尺寸。一种迭代傅里叶变换算法被用作计算全息图。这种情况下，使用了一种相图（一种仅在光束相位上工作的全息图），目的是减小所需要的计算功率且需简化制作流程。迭代算法将图像光束向后传播到全息图平面，直到所得输出与所需设计匹配。在这个在这种情况下，跟传统的光束相比，所需的波束形状是“平顶光”分布，束腰处直径是0.6mm，有一个扩展的焦深。通过在DOE下方额外引入250mm标准聚焦透镜来满足该条件。这种单独聚焦元件的使用意味着DOE可以与不同的传统聚焦透镜一起使用，以产生不同的能量分布。生成的相图由灰度表示图像，其中每个像素形成最终全息图的孔径。颜色的深度表示孔径的相对高度，或产生光束的相位变化。在这种情况下单个像素表示具有边的正方形孔径长度为112um。2.4um的最大像素高度为：作为波长和折射率的函数计算DOE基板材料的索引。定位每个孔径的三维尺寸对于良好的光学性能至关重要。

用于做测试的DOE被设计用于和一个分离的聚焦镜连接起来，（而不是在单个光学元件中包含菲涅尔聚焦函数）额外的透镜只会由于表面数量的增加而增加额外的传输损耗；特定激光波长的增透膜不会应用于这种DOE，与传统光学相比，衍射效率会降低。尽管如此，测试表明传输功率损耗与传统的无涂层光学器件相当，DOE被证明在光照下是稳定的，最高可达5kW的外加功率，用于扩展诊断和切割实验，通过使用这样的涂层可以提高光学效率。此外，内部还存在一些功率损耗输出图像的噪声项是具有小于100%衍射效率的相图的结果。

实验中用匀化片生成的能量分布是均匀的，像大多数加工中用的激光光束一样。使用DOE可以生成更多复杂的光斑形状，可以改善切割的表现效果。然而，这样会导致光束有一个优先的切割方向。这种形状的设计，尤其是分辨率的设计，需要考虑多模激光的影响，因为多模激光光束边缘的质量会明显降低。这个问题只要使用单模激光器就可以避免，功率至少要达到5000W。

二、平顶光整形用于高功率激光切割实验结论

这篇文章的工作展示了DOE用在切割领域，尤其是核设施退役方面有潜在的优势。根据建模，寻找切割参数的更进一步的配置会进一步提高实际表现，DOE和透镜的组合在实际应用中会提供优化的方案。

根据实验结论，我们可以得出衍射光学元件的一些特性：

-衍射光学元件可以设计为与会聚透镜结合使用，在增加束腰直径和聚焦光束的瑞利长度同时保持焦距；

-匀化片即使没有防反射涂层，但是在没有明显损伤的情况下用于5千瓦激光器完成了切割实验。

-就切割40毫米的C-Mn钢板而言，匀化片与250mm透镜的组合镜片与单独使用500mm透镜有着同样的性能，即光学表面的减少可以提高性能。

参考文献

Use of a diffractive optic for high power laser cutting

Paul A. Hilton

TWI Ltd., Granta Park, Great Abington, Cambridge CB21 6AL, United Kingdom

Daniel Lloyd

Laser Optical Engineering Ltd., Building 72a The Air Cargo Centre, Argosy Road,

East Midlands Airport DE74 2SA, United Kingdom

John R. Tyrer

Loughborough University, Loughborough, Leicestershire LE11 3TU, United Kingdom

Citation: Journal of Laser Applications 28, 012014 (2016); doi: 10.2351/1.4938279