作者：维尔克斯 时间：2026-5-9 9:50:06
《Adjustable‐Function Beam Shaping Methods》一文系统阐述了基于衍射光学元件（DOE）的点环形光束整形原理，涵盖多功能DOE、DOE分区、DOE功能分区及多合一DOE等概念，并重点讲解了子孔径（Subaperture）设计、可调功率比例机制以及M²变换在激光焊接、熔覆和切割中的应用。Holoor公司的Flexishaper方案利用无运动部件且损伤阈值高的DOE，可生成点环形光束、三点焊接光斑、M形光束等多种动态可调光斑形态，支持实时调节功率分配与动态切换光束样式，从而明显提高铝合金焊接、精密切割及增材制造的加工质量和效率，是适用于数千瓦级高功率激光系统的理想光学器件。
在激光焊接、熔覆、切割等工业应用中，传统的高斯光束或均匀光束往往无法满足复杂工艺对热分布的要求。为了提高焊缝质量、加工效率及强度，通常需要对激光光束的强度分布进行精确整形。点环形光束整形（中心点 + 外围环）作为一种高效的光束形态，已被广泛应用于铝合金焊接、精密切割等工艺中，可有效改善熔池稳定性与焊缝成形，点环形激光焊接也是增材制造的主流趋势，借此以色列Holoor推出了Flexishaper点环形光束整形方案。
图：点环形光束整形/点环形激光焊接，Holoor的Flexishaper实例
本技术文档重点介绍一种基于衍射光学元件（DOE）的点环形光束整形原理/多功能DOE/DOE分区/DOE功能分区，其具备可调功率比例、无运动部件、高损伤阈值等优势，适用于多千瓦级高功率激光焊接系统。
激光光束整形方法多样，常见的有：衍射光学元件（DOE）、定制化光纤束与特殊排列、异形光纤芯、多激光组合、振镜扫描系统、数字微镜器件（DMD）、折射微光学元件
其中，DOE 具有设计灵活、制造方便、纯被动无运动部件、抗损伤能力强等显著优势。通过将 DOE 与平移/旋转平台结合，可在不改变激光器结构的情况下，实现多种光束形态的快速切换。
多功能DOE/DOE分区/DOE功能分区: 子孔径（Subaperture）设计原理
点环形光束可通过 “子孔径法” 实现。DOE 的通光孔径被划分为多个功能区（子孔径），每个区域具有独立的光学功能。激光束入射后，被分为若干子光束，分别被相应子孔径调制，最终在焦平面上合成目标光强分布
图1：子孔径类型示意图（a: 角形分区, b: 条纹分区, c: 方形分区）
图2：常见子孔径结构示意图（d: 双点焊接, e: 三点焊接, f: 连续扫描等结构）
点环形光束整形原理：可调功率比例实现机制
通过平移入射激光束在 DOE 上的位置，可改变各子孔径接收到的能量比例，从而实现中心点与外围环的功率比实时可调。该方法无需更换光学元件，适用于动态工艺需求。左侧DOE区域将入射光束整形为环形，右侧区域则将其整形为中心圆点。通过沿x轴移动元件，可调节环形光斑与中心光斑之间的功率比例。
图：中心点+环结构，功率比例可调
典型结构示例：三点焊接光束（可调光束整形方法/动态可调光斑）
一种典型的应用是三点焊接光束（两个条形光斑 + 一个主光斑）。通过 DOE 实现时，通光孔径分为三个子孔径：① 两个小孔径：具有棱镜功能，偏转生成两个条形光斑；②一个中心大孔径：具有整形功能，生成中心主光斑
图：三点焊接光束DOE结构示意图，子孔径三点焊接光束整形原理
多功能DOE/DOE分区/DOE功能分区/多合一DOE：径向分区与动态切换
除了平移调整，还可采用径向分区子孔径结构，结合扩束镜或轴锥镜望远镜，实现光束形态的动态切换。
图5：径向分区子孔径示意图，两区域与三区域径向分区
图6：轴锥望远镜与扩束镜控制示意图，通过控制输出光束直径调节子孔径能量分布
多功能DOE/多合一DOE：M形光束整形及其应用（可调光束整形方法/动态可调光斑）
在焊接大面积区域时，均匀光束易导致中心过热、边角加热不足。采用M形光束（中心强度低、边角强度高）可优化热分布，提高焊接均匀性。M形光束可与子孔径技术结合，实现中心与边角强度比的实时调整。不断变化的形状（从左上角依次向右下方移动）：方形的尺寸逐渐增大，中间带有可调节高度的 M 形方形，两个方形的相对亮度发生变化，方形的尺寸增大并转变为圆形。
DOE分区：M2 变换与高功率多模激光整形（可调光束整形方法/动态可调光斑）
对于高功率多模激光（M2 值高），传统整形难以实现小光斑与深聚焦。通过 M2 变换，可在正交方向上分别调控光束质量，使一方向高度相干、另一方向高度非相干，从而实现窄聚焦与深焦深。通过 M2 变换实现的焊接形状优化，变换后的主图以及左下角未进行变换的版本。经过 xy 变换后的三点焊接形状（a），经过 R-θ变换后的带有强中心点的环形梁（b），以及经过单独 R-8 变换的两个环形结构（c）。
图：M2 变换后的光束形态示例，三点焊接、环状光束、双环结构的 M2 变换效果对比
点环形光束整形 DOE 通过子孔径分区设计与光束位置调整，实现了中心点与外围环的功率比例可调，适用于高功率激光焊接、切割等工业应用。结合 M² 变换技术，可进一步提升多模激光的聚焦性能。该系统具备结构简单、无需运动部件、抗损伤能力强、支持动态调整等优势，是未来智能化激光加工系统的重要光学组件。
DOE功能分区：动态光束切换与扫描应用（可调光束整形方法/动态可调光斑）
基于子孔径的 DOE 光束整形系统支持动态光束形态切换，甚至连续光强分布变化，适用于无振镜扫描、实时形状切换等先进工艺。
图：光束形态切换示例，圆形→方形→十字形、点阵变化、三角形切换
图：扫描路径示意图，正弦扫描与锯齿扫描路径
图：多种可调光束形态示意图，可调亮点、T形、角形、半圆形、I形、三点、双点、环等
