Zemax案例 | 一种具有匀光变焦的激光切割光学系统设计
引言
引言
激光切割与焊接技术凭借高精度、高效率的优势，已成为汽车、新能源、航空航天等关键行业的核心加工手段。然而，传统激光加工系统普遍面临两大痛点：高斯光束能量分布不均导致工件挂渣、气孔等缺陷，以及光斑尺寸调节依赖手动换镜，难以适配不同厚度板材的加工需求。长春理工大学团队在《应用光学》发表的新研究成果中，创新性设计了激光能量平顶分布、光斑大小可调的切割焊接一体光学系统[1]，通过微透镜阵列光束整形与光学补偿式变焦技术的结合，成功实现光斑三档可调、像面零漂移，切割与焊接光斑均匀度均达87%以上，为激光加工光学系统的升级提供了全新的技术方案。
激光加工光学系统的双重技术制约
激光加工光学系统的双重技术制约
激光切割与焊接的核心要求是实现能量均匀的激光光斑与灵活可调的光斑尺寸，以匹配不同厚度、不同材质工件的加工标准，但传统技术方案始终难以同时突破两大技术瓶颈，成为制约行业发展的关键因素。
一方面，传统激光加工多采用聚焦高斯光束，存在中心能量高、边缘能量低的固有缺陷，导致工件加工区域温度梯度不均，易产生挂渣、气孔、热变形等问题，严重影响加工精度与产品合格率。现有光束整形技术多针对光场分布规则的单模激光，对大功率半导体激光器的多模激光适配性差，无法满足工业高功率加工需求。另一方面，不同厚度板材对光斑尺寸的要求差异显著：薄板切割需小尺寸、高能量密度光斑以提升切割速度，厚板切割与焊接则需大尺寸、长焦深光斑以保证加工稳定性。传统激光切割头需手动更换镜片调节光斑大小，不仅操作繁琐、生产效率低，还易因换镜误差引入加工偏差，同时现有变焦光学系统多未与光束整形功能结合，难以实现“匀光+变斑”的一体化设计。因此实现多模激光的能量匀化，同时打造无需手动换镜的灵活变焦光学系统，成为激光加工光学领域亟待解决的核心问题。
匀光与变焦的一体化光学设计
匀光与变焦的一体化光学设计
针对行业痛点，研究团队以微透镜阵列光束整形和光学补偿式变焦为核心[2]，设计了集匀光、变焦、切割焊接功能于一体的光学系统，从原理上解决了能量分布不均与光斑调节不便的问题，实现了激光加工光学系统的技术突破。
微透镜阵列光束整形，实现多模激光能量平顶分布
为适配多模激光的光场分布特性，选用两列焦距不等的微透镜阵列（LA₁、LA₂）作为核心匀光元件，通过光束分割-叠加的原理，将能量分布不均的多模激光整形成能量平顶分布的正方形光斑，从根源上解决高斯光束的加工缺陷问题。
图1 微透镜阵列匀光轴上光路示意图
多模光纤输出的976nm激光经准直系统准直为平行光后，入射至微透镜阵列LA₁被分割为若干子光束；子光束经LA₂二次调制后，在聚焦透镜后焦面实现叠加，最终形成能量均匀的平顶光斑。通过高斯公式与相似三角形定理，推导出平顶光斑尺寸与子透镜口径、焦距、镜组间距的数学关系，为参数设计提供理论依据。
为确定理想参数，通过仿真系统分析了子透镜口径和LA₁焦距对光斑均匀性的影响：子透镜口径过大则光束分割份数不足，匀光不充分；口径过小会增强子光束衍射与干涉效应，反而降低均匀性，最终确定子透镜口径1mm为理想值；LA₁焦距对光斑均匀性影响较小，但需避免光束在LA₂表面聚焦导致元件损伤，因此选定LA₁焦距60mm、LA₂焦距100mm。
最终设计的微透镜阵列采用高损伤阈值的康宁7980材质，厚度3mm，可有效适配大功率激光加工需求，为后续高质量切割焊接提供了均匀的能量基础。
光学补偿式变焦，实现光斑尺寸无漂移三档可调
为实现光斑尺寸的灵活调节，团队基于光学补偿原理设计了五组元变焦光学系统，替代传统固定焦距聚焦镜组，通过镜组的线性移动实现光斑尺寸调节，且全程保证像面零漂移，无需重新校准。
图2 光学补偿变焦原理图
该变焦系统由前固定组、负光焦度变倍组、中间固定组、负光焦度补偿组、后固定组构成，核心通过变倍组与补偿组的同向等速线性移动，改变系统整体焦距，进而实现聚焦光斑尺寸的调节。团队通过薄透镜理论推导，明确了变倍比与镜组移动距离的制约关系，确保变焦过程的稳定性与精准性。
针对工业常见的板材加工需求，系统设计为0.5mm×0.5mm、0.75mm×0.75mm、1mm×1mm三档光斑尺寸可调，对应系统焦距50mm、75mm、100mm；变焦系统总长193mm，后工作距75mm，短焦、中焦、长焦状态下的远心度分别为1.234°、0.789°、0.386°，可保证激光束与焊接平面的垂直度，避免加工偏差；透镜材料均选用康宁7980，兼顾高透光性与机械稳定性，适配工业加工的复杂环境。
系统仿真验证
系统仿真验证
为验证一体化光学系统的实际性能，通过专业光学仿真软件，从各个维度进行了全面仿真验证，结果表明系统各项性能指标均达到工业加工要求，且具备量产可行性。
光学系统建模与参数优化
通过搭建了完整的“准直系统+微透镜阵列+变焦系统+数字振镜”一体化模型，精准定义各光学元件的参数的参数：
• 输入光源为976nm多模激光，光纤芯径300μm，数值孔径0.22；
• 微透镜阵列、变焦系统各组元的焦距、口径、间距等参数按理论设计输入，并预留优化变量；
• 加入反射镜与数字振镜模块，模拟焊接过程中的光束扫描功能。
像质分析：像差校正充分，能量集中度优异
采用点列图和波前差作为核心评价标准，对变焦系统短焦、中焦、长焦三种状态的像质进行验证：
• 点列图结果显示，三档焦距下各视场均方根（RMS）半径分别小于4.034μm、5.727μm、5.443μm，均远小于艾里斑半径，表明光斑能量集中度优异，无明显弥散；
图3 点列图
• 波前差结果显示，三组态极大峰谷（PV）值为0.4338λ，极大RMS值为0.0929λ，均远小于λ/4的激光光学系统要求，证明系统像差校正充分，成像质量稳定。
图4 波前图
光斑性能：均匀度达标，切割焊接适配性强
将准直系统、微透镜阵列匀光系统、变焦系统与数字振镜结合，搭建完整的激光加工光学系统，仿真分析切割与焊接状态下的光斑性能：
• 切割光斑：三档尺寸光斑均匀度分别为88.80%、90.74%、89.70%，光斑边缘陡峭，能量分布均匀；且在一定焦深范围内保持良好均匀性，0.5mm×0.5mm光斑在±0.4mm焦深内均匀度大于70%，1mm×1mm光斑在±2mm焦深内均匀度大于74.53%，可适配不同离焦量的加工需求；
• 焊接光斑：数字振镜扫描角度为±1.44°时，焊接范围可达0~6mm，0.5mm×0.5mm光斑扫描位置均匀度可达87.72%，1mm×1mm光斑达90.40%，在整个扫描范围内保持高均匀性，可根据焊缝大小、板材厚度灵活适配。
图5 激光切割光斑能量分布图
公差分析：容错率高，具备量产可行性
光学系统在制造与装配过程中不可避免产生误差，团队通过2000次蒙特卡罗公差分析，设定曲率半径、厚度、偏心、倾斜等关键公差容限值，模拟实际生产中的误差影响。结果显示：在设定公差范围内，三档焦距下的RMS波前差均小于λ/4，满足激光系统使用要求；微透镜阵列的偏心与倾斜对光斑均匀性影响极小，均匀度下降不超过1%，表明系统对制造与装配误差的容错率较高，完全具备产业化量产潜力。
对于上述一体化光学系统仿真设计，从光学系统建模、核心参数优化、像质评价、光斑均匀性、加工范围、公差分析等各种参数指标均可采用Zemax光学设计软件进行分析。类似仿真案例文件可参考Ansys官网案例：
Zemax在激光加工领域的优势体现
Zemax在激光加工领域的优势体现
Zemax作为一款优秀的光学设计仿真软件，是激光加工光学系统研发的核心工具，覆盖切割、焊接、打标等全加工场景，贯穿设计、仿真、优化、量产验证全流程，核心作用与优势突出。
其可精准建模微透镜阵列、DOE、变焦镜组、数字振镜等激光加工核心光学元件，适配单/多模激光、976nm/1064nm等常用波长，完成光束整形、变焦变斑、集成光路的全系统搭建。依托几何光线追迹、物理光学衍射仿真等精准算法，可仿真光场分布、光斑均匀度，通过点列图、波前差等完成像质评价，验证聚焦精度、远心度等关键指标。
同时内置多目标优化算法，能快速迭代优化元件参数，实现光斑匀化、像面零漂移等设计目标；还支持蒙特卡罗公差分析，模拟生产装配误差，评估系统容错率，平衡性能与制造成本，衔接设计与量产。
此外，Zemax可集成准直、整形、变焦、扫描全模块，仿真激光完整传输路径，优化光路能量损耗，大幅提升激光加工光学系统研发效率，降低试错成本，为高精度、产业化激光加工光学方案落地提供关键支撑。
参考文献：
[1]ZHANGWenhan,MUDa,YUPengliang,etal.Designofcuttingandweldingopticalsystembasedonlaseruniformlightandzoom[J].JournalofAppliedOptics,2026,47（2）:278-287.DOI:10.5768/JAO202647.0201007
[2]LIURongzhan.Designandexperimentalresearchofbluelighthomogenizationsystembasedonmicrolensarray[J].LaserTechnology,2024,48（4）:499-504.
