光束整形扩散器案例研究

光束整形扩散器是一种光学元件，它可将通过其传播的光束的照明模式改变为所需的光强度分布。本文介绍了一些利用激光束整形优势进行增材制造的创新方法。

增材制造简介

增材制造（AM）是指各种技术，其中材料层在计算机控制的过程中相互叠加，以在通过CAD建模软件或以其他方式生成的三维模型中形成三维对象，而传统制造中的“减材制造”通常则是去除材料。
与传统方法相比，AM处理方法具有一些固有的优势，可以制造出更轻便、更坚固的零部件和系统。近年来，随着加工精度要求的不断提高，AM已成为许多不同工业领域的一种有价值的生产方法，包括食品工业、航空航天、汽车、医疗保健等行业。
AM技术的其他相关术语包括“3D打印”和“快速原型制造”，以及AM的现有子集，通常在使用类似技术的家用和产品开发应用程序中提及。
目前，还有许多不同的技术可应用于各种AM工艺，其中许多技术是基于激光的技术，其中将激光作为加热源，以实现材料的选择性融合，无论是否达到熔融或烧结状态，其中不同的技术将导致不同级别的层类材料密度不同，也可适用于不同的材料使用。

使用光束整形扩散器进行激光束整形

光束整形扩散器是一种光学元件，它将通过其传播的光束的照明模式改变为所需的光束强度分布，通常是均匀一致的分布，其设计特性由工艺参数决定。
有各种类型基于不同光学概念的光束整形扩散器：

• 一种衍射光束整形扩散器，改变光的相位产生所需的辐射度。衍射扩散器具有均匀度高、边缘锋利等特点。
• 宽带扩散器，也称为工程扩散器，是一种折射元件，与基于几何光学原理的微透镜阵列非常相似，其排列次序和透镜高度决定了输出形状和质量。它的特点是具有高均匀性和高效率。
• 一种宽带混合扩散器，在其设计中结合了衍射和折射特性，产生了高效率、高均匀性的尖锐形状和独特的边界。Holo/Or的宽带扩散器就是这样的混合型元件。

与标准高斯光束相比，还可以使用其他方法将光束扩散到更加均匀的强度分布，但是，上述方法是产生最佳输出参数的最常用方法。

利用激光束扩散器优化AM工艺

一般来说，通过使用不同的辐照模式来优化不同的工艺。工艺参数，例如所使用的技术、输入激光束的直径、光学设置、粉末材料类型等，都会对精确的照明模式产生影响，从而在特定应用中产生最佳性能。
对比研究表明，例如，在激光金属沉积过程（LMD）中，由于光束具有均匀的能量且较小的温度梯度，当使用光束整形扩散器产生的环形光束在高斯光束上沉积，工艺性能得到了改善。在许多性能指标上都具有优势，包括较小的工件残余应力、减少热量积聚、避免过度烧结和稀释、细化晶粒尺寸和改善涂层表面质量等方面。该技术可广泛应用于汽车工业、航空航天、能源技术、石化和医疗技术等行业。
对于选择性激光熔化（SLM），研究表明，与一种简单的高斯光束相比，具有中心光斑的环形光束可以改善熔池动力学，从而形成更稳定的熔池。这种技术可以消除内应力裂缝，从而以极高的建造速度生产出完全致密的材料。

TL; DR - 问答

什么是光束整形扩散器？

扩散器是一种光束整形器，通常可从通过它的输入光束产生均匀一致的照明。扩散器还可以将光束塑造成几乎任何所需的强度轮廓。

有哪些类型的光束整形扩散器？

目前市场上有各种类型的光束整形扩散器，最常见的是衍射扩散器和宽带扩散器，它们是微透镜阵列的某一个子透镜。

增材制造中运用什么样的激光束整形技术？

不同的工艺受益于不同的强度分布。在激光金属沉积成形过程中，以环形光束为例，由于其具有均匀的能量分布、较小的温度梯度，环形光束被证明可产生优良的工艺效果。在选择性激光熔化过程中，具有中心光斑功率的环形模式能够实现高质量的高吞吐量制造。

HOLO / OR Ltd.（成立于1989年）开发，设计和制造衍射光学元件（DOE）和微光学元件。我们的DOE主要被应用于高精度和高功率激光器领域的多项应用中。我们的主要客户是医疗/美容，材料加工，计量学等行业的激光系统集成商。