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         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量的光束，光束質量的改進將如何以一種創造性的方法來提升激光器的靈活性；高質量光束如何更好地利用振鏡掃描光路以完成遠程焊接。 

控制熱焦點偏移 

       當激光束的波長為1微米時，保持光路表面潔凈非常關鍵。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。如果將一個帶相機的零度角（直線型）加工頭和一個帶照相機的90度角（直角）加工頭做比較，很容易看到熱焦點偏移的效果。在零度角配置的情況下，為了將可見光反射給相機，需要在透鏡和準直儀之間增加一個穿透式光學板。而在90度角配置時，為了反射激光波長和將可見光傳遞給相機，需要涂覆呈直角形的光路。 

        在穿透式鏡片里，激光光束穿過光學材料，大約2%的能量會被疏松物質和鏡片表面吸收，即便是潔凈且精心設計的鏡片也不例外。可以預想，1000瓦特的2%是相當容易控制的，但是16000瓦特的2%卻難以從材料中消除，因為材料在熱消除特性方面不是特別易于傳導熱量。另一方面，反射式鏡片能夠將幾乎所有的能量都反射出去，只在涂層和表面上有些許損耗，一般不超過0.3%，因此在光學材料環節中損失的熱量非常少的。 

       對于大功率高負載率激光焊接應用來說，反射式光學加工頭是理想的選擇。準直透鏡和聚焦透鏡都已經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。這讓保護蓋滑片成為這種配置中唯一可透光的光學部件。圖1顯示了在大功率應用中反射式光學配置和穿透式光學配置的對比結果。在圖中可以看到，熱焦點偏移顯著減少，特別是在與零度角（直線型）穿透式配置相比時，大功率級別減少了75%的熱焦點偏移。

       雙芯光纖 對于許多焊接應用來說，期望的光束質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量的光束。另一方面，激光切割應用要求非常好的光束質量，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用的光束質量，就可以在最佳的聚焦點進行加工，從而能在功率級別很大時繼續保持高質量、快速和高可重復性的焊接和切割，還能容許零件位置、高度和焦點偏移稍有變化。要想達到這一目的，通常必須使用兩根獨立的光纖。 

       幸運的是，一種新型二合一光纖技術已經成為可能，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，產生高光束質量；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，只需單根光纖就能夠將光束順著軸線傳送到加工頭。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，適當配置切割組件，激光光束就能進入中間的芯。在焊接時，相應地配置加工頭，激光器中的光學開關就會將光束轉移到二合一光纖的外芯環。 

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

       德國通快公司已經完成了新型二合一光纖與標準單芯階躍光纖之間的對比試驗。在切割試驗中，二合一光纖內芯的切割速度、邊緣質量與直徑相同的標準階躍光纖完全一樣。在通過外芯環進行深度焊接時，與直徑相同的常規階躍光纖的輸出相比，焊縫和焊根的質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階躍光纖一樣的加工結果。 

      遠程掃描焊接 如今， 在激光材料加工領域，多年來振鏡掃描技術已經廣受歡迎，主要應用于二氧化碳激光打標系統和固定頭系統。隨著高光束質量碟片激光器和光纖激光器的進步，掃描振鏡已經快速擴展至工業應用，伴隨而來的是生產周期的縮減，系統設計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到可編程聚焦鏡組（PFO），隨后和其他類型的加工鏡片一樣，激光穿過準直儀生成最佳直徑的準直光束，從而能夠使工件獲得高質量工藝特性，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：在光束被準直后，會被鏡片反射偏離，同時鏡片能將可見光回傳至可選配的相機系統。接下來，安裝在精密振鏡馬達上的雙鏡組合會操控偏離的激光光束，將其對準工件，每個鏡片分別對應X軸和Y軸進行運動，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，就可以創造一個區域，在這個區域里激光光束焦點平面保持不變。如果在準直儀和第一個振鏡鏡片之間加入馬達透鏡，還可以調節Z軸的焦點，從而創建一個三維的工作區域。 

       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，從而簡化總體系統設計——除了PFO外，沒有其它運動的部件。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，接著轉移工件，或者可以將PFO安裝在機械手上，能夠覆蓋很大的區域和不同的角度。與傳統的固定鏡片加工頭相比，焊接速度是一樣的，由于免去了定位時間（見圖3），工作效率得以提升。當今最常應用PFO的行業是汽車工業。