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維也納技術(shù)大學(xué)(TU Wien)的激光專家與以色列激光器制造商Civan Lasers合作，模擬其顛覆性的動(dòng)態(tài)光束激光技術(shù)。作為第一個(gè)也是唯一一個(gè)能夠?qū)?dòng)態(tài)光束激光器的兆赫級(jí)頻率進(jìn)行建模的多物理場仿真軟件，這項(xiàng)工作提高了對(duì)光束整形激光器如何影響小孔和熔池動(dòng)力學(xué)控制的理解。
“Civan Lasers的光束整形能力為在當(dāng)今許多具有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用中，為提高焊接質(zhì)量和速度開辟了新的可能性，”TU Wien生產(chǎn)工程和光子技術(shù)研究所教授Andreas Otto說，“這是一項(xiàng)非常重要的發(fā)展，它將塑造激光材料加工技術(shù)的未來，甚至開辟全新的應(yīng)用發(fā)展。”
該仿真工具提供了對(duì)每個(gè)光束形狀和頻率對(duì)小孔和熔池動(dòng)力學(xué)影響的獨(dú)特見解，將在工藝開發(fā)中發(fā)揮關(guān)鍵作用，幫助優(yōu)化各種激光材料加工應(yīng)用的光束形狀和頻率。目前的模擬主要集中在有間隙的不銹鋼管的對(duì)焊上。未來的合作將針對(duì)涉及多種材料的其他焊接、鉆孔和表面處理應(yīng)用。
以對(duì)接結(jié)構(gòu)焊接不銹鋼管尤其具有挑戰(zhàn)性。切割管前端的有限精度加上夾緊系統(tǒng)的限制導(dǎo)致了很小的間隙（大約幾十微米，最多幾百微米）。這種依賴于標(biāo)準(zhǔn)靜態(tài)激光源的焊接工藝在沒有使用填充材料的情況下，結(jié)果是在接縫處出現(xiàn)縫隙和焊縫質(zhì)量下降。
為了提出解決方案，Civan Lasers對(duì)其動(dòng)態(tài)光束激光器進(jìn)行了試驗(yàn)，然后與TU Wien合作模擬了該過程。結(jié)果是更好地理解了為什么某些光束形狀比其他形狀更好用。該模擬還有助于設(shè)計(jì)替代光束形狀，并導(dǎo)致制定有關(guān)如何為此類情況設(shè)計(jì)合適的光束形狀的一般指南。
雖然目前的光束整形解決方案（例如衍射光學(xué)元件）無法即時(shí)更改，但近年來通過掃描儀和二合一光纖使用光束振蕩已導(dǎo)致工藝改進(jìn)。然而，這樣的機(jī)械掃描儀通常不能足夠快地改變以最小化鎖孔不穩(wěn)定性問題。相比之下，Civan Lasers獲得專利的相干光束組合可在兆赫頻率下根據(jù)需要調(diào)制光束形狀，而無需任何移動(dòng)部件。
Civan Lasers的激光器使用光學(xué)相控陣相干光束組合，將許多單模激光束合并成一束更大的光束。每個(gè)激光器發(fā)射自己的光，與遠(yuǎn)場中的其他光束重疊以創(chuàng)建衍射圖案，從而釋放實(shí)時(shí)輕松操縱光束形狀以創(chuàng)建動(dòng)態(tài)光束激光所需的靈活性。通過使用相位調(diào)制器來控制單個(gè)光束，可以改變產(chǎn)生的干涉圖案以最大化光束點(diǎn)位置并產(chǎn)生由光束運(yùn)動(dòng)所刻印的各種形狀圖案，所有這些都可以在高達(dá)數(shù)百兆赫的速度下完成。
“我們有一個(gè)非常強(qiáng)大的工具，可以對(duì)許多參數(shù)進(jìn)行復(fù)雜的控制，例如光束形狀、形狀頻率、形狀排序和焦點(diǎn)轉(zhuǎn)向，”Civan Lasers首席執(zhí)行官 Eyal Shekel 博士解釋說，“到目前為止，我們一直在使用基礎(chǔ)理論、直覺和經(jīng)驗(yàn)來指導(dǎo)我們進(jìn)行流程優(yōu)化。”
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