自1960年首臺雷射器問世以來，經過近70年的發展，雷射技術已經形成了龐大的產業規模，廣泛應用於工業加工、醫療美容、商業、科研、信息和軍事等多個領域。眾所周知，不同的應用場景對雷射的功率、波長、光斑形狀等有著不同的要求，而要實現光斑形狀的改變，則離不開光束整形器。
採用衍射光學元件（Difractive Optical Element，DOE）進行光束整形是近年發展起來的非常方便、靈活、功能強大的光束整形方式。DOE可適用於多種類型的輸入雷射（如單模高斯雷射、多模雷射等），在雷射焦面上形成指定的光斑形狀和光強分布，還可以實現在雷射傳播方向特定的光強分布。典型的功能包括：產生平頂分布圓光斑或矩形光斑；產生線形分布光斑；將非均勻多模雷射進行勻化；產生環形以及多環等光斑分布；產生一維、二維多束雷射分布；在傳輸方向上形成多焦點以及長焦深分布等。今天我們主要討論在雷射加工與材料處理領域DOE光束整形器的應用。
熔蝕與構造
雷射熔蝕是指通過雷射輻照從材料（通常是固體）表面去除材料。熔蝕通常採用小區域高能量脈衝實現。雷射溶蝕具有多種用途，如納米材料製備，金屬或介電薄膜沉積，超導結構製備，金屬部件常規焊接與邦定，MEMS結構加工等。
採用平頂發生器或渦旋位相板可以產生邊界銳利的光斑構型，在溶蝕過程中確保精確的材料移除範圍。而當雷射器能量較高時，可採用多點分束器來實現多個區域並行處理，提升產率。
雷射溶蝕（上）與表面構型（下）
相關DOE產品：平頂光發生器，渦旋位相板，分束器
焊接
採用雷射可將多個金屬或塑料機件連接在一起。雷射光束提供一個集中的熱源，實現高速率、大深度、窄縫寬焊接。雷射焊接通常在大規模製造中自動化進行。與切割技術協同，雷射焊接可用於多種焊接類型（點焊，直／曲線焊，釺焊等）。
能量分布均勻的雷射有助於焊接溫度的均勻分布，生成高質量焊縫。採用分束器產生的多焦點焊接，可提升加工速率。
雷射焊接（左）與平頂光斑（右）
相關DOE產品：平頂發生器，勻化器，分束器，C型發生器，高效率雙焦DOE
釺焊
在釺焊過程中，雷射燒熔焊條並將兩塊金屬焊接在一起，這種工藝廣泛使用在汽車工業中。在焊條熔融之前，如能夠將焊接金屬先行清洗、預熱，焊接效果將顯著提高。
專門為這種工藝訂製的勻化器，可以在主焊的平頂光斑前端兩側產生兩個小光斑用於待焊金屬的清洗和加熱，提升釺焊的強度和焊縫的整潔度。
雷射釺焊（左）與訂製光斑（右）
相關DOE產品：訂製光束勻化器
雷射微孔
雷射微孔加工是指利用雷射在薄料上打小孔，通常用於薄片或薄膜，如香菸捲紙、食品包裝紙（延長保質期和新鮮度）。這類應用需要精密的、等間距的微孔，而通常不需要很高的雷射功率。分束型DOE能夠產生大量的、間距精確的二維陣列焦點，非常適合此類材料上高速打孔。
食品包裝紙微孔（左）與多點光斑
相關DOE產品：分束器（多點DOE）
金屬及玻璃切割
雷射切割通過將高功率雷射引導並聚焦到工件表面，通過運動機構掃描並按指定路線切割工件。雷射切割為工業製造的重要手段；常常需要在不使用長焦透鏡的情況下延長焦點的焦深，以減少切割區域的崩邊、熔邊，提升切割質量。
金屬切割利用雷射聚焦產生的局部熱量加熱材料，達到熔點以切斷樣品。融化的金屬被氣流帶走。
而玻璃切割通常使用紅外波段的高功率脈衝雷射器。因為玻璃吸收較低，因此需要更高功率的雷射；使用DOE可增加焦深，使得能量在玻璃的內部沉積，實現單次切割，而不需要調整焦點位置後再次掃描。這種方式對於隱裂切割特別有用：透明材料內部的局部受熱使得切縫變脆而不是熔融，後續再採用機械方式沿切縫分離，形成理想的斷縫。
金屬切割與環形光斑（上），玻璃切割與貝塞爾焦斑（下）
相關DOE產品：
金屬切割：渦旋位相板、平頂發生器；
玻璃切割：DeepCleave；貝塞爾DOE；多焦點DOE。
鑽孔
雷射鑽孔利用聚焦的重複脈衝雷射器汽化金屬，形成通孔。脈衝能量越大則汽化的金屬越多。作為雷射加工領域主流應用之一，多年來發展了各種打孔技術：單脈衝，叩擊，旋轉打孔，螺旋打孔等。除金屬外，雷射打孔也在多種場景應用，如橡膠、矽襯底等。
配合打能量雷射器，分束（多點）DOE可用於提升鑽孔產率；平頂型光斑有利於提升孔壁的垂直度和邊緣銳度；渦旋濾光片可用於環形孔。
雷射鑽孔工藝（左），金屬管打孔（右）
相關DOE產品：多點分束器，平頂發生器，渦旋濾光片
雷射剝離
雷射剝離（Laser Lift Off，LLO）是一種選擇性的分離兩種材料的技術。雷射投射到襯底與鍍層材料（如藍寶石襯底上的GaN）中間的粘結層上。雷射剝離可以處理大尺寸器件並達到要求的精度與可重複性。因此，雷射玻璃在LED工業中剝離發光薄膜中廣泛使用，同時也用於顯示、移動終端等製程。
LeanLine為專門為LLO開發的DOE，將圓形多模光斑變換成為細線分布，適用於紫外及綠色雷射（343，355，532nm）。這種解決方案基於專有的衍射光學光束成型技術，可以很容易的擴展至任意波長（193nm － 1600nm）。採用這種方案，用戶可以使用成本較低的多模雷射器實現高功率密度的線光源。
LeanLine線聚焦（左）與柔性材料剝離（右）
相關DOE產品：線光斑發生器
表面處理（硬化與熔覆）
雷射表面處理的原理基於高功率密度的相關雷射與表面在特定氣氛（真空，保護氣，過程氣）下的相互作用導致的表面改性。典型的應用包括表面硬化與表面熔覆。
表面硬化是一種熱處理，通過將材料在短時間內加熱至臨界溫度以上並迅速冷卻，金屬晶格將不能恢復初始結構並達到很高的硬度。
表面熔覆是另一種熱處理過程。元件表面被加熱至熔點，熔融物固化並結晶，而其化學成份不便。
在這兩種熱處理過程中，雷射功率密度的均勻性都非常重要。平頂光發生器和光束勻化器有助於產生均勻的、邊界清晰的光強分布。
雷射熱處理
相關DOE產品：勻化器，平頂發生器。
來源：先鋒科技（香港）股份有限公司