在现代工业激光加工中，从切割、焊接到打标，系统性能的稳定与加工质量的提升，都离不开一个关键组件——激光准直与聚焦头。
它是光路系统中实现高精度能量控制的核心结构，对光束质量、聚焦特性以及最终的加工效果起决定性作用。
一、激光光源与光束特性
激光光源根据增益介质的不同，可分为光纤激光器、盘片激光器、半导体激光器以及YAG激光器等类型。
在评估光束质量和系统性能时，几个关键指标尤为重要：
- M² 值：衡量光束是否接近理想高斯分布；
- 发散角：决定光束传播稳定性；
- 光束参数积：反映光束聚焦性能；
- 单模与多模模式：影响光斑质量与能量分布。
高品质光束能确保加工过程中的聚焦稳定性，从而获得更精细、更一致的工艺效果。
二、准直镜的作用与设计
激光从光纤端面输出时，通常具有较大的发散角。
在高功率光纤激光系统中，准直镜通常采用消色差设计或复合透镜结构，以减少畸变并提升光束质量。
常见的设计包括：
- GRIN 梯度折射率透镜：体积小，适用于短距离准直；
- C型透镜：具有更高性价比，适合中长距离光路传输。
合理的准直设计不仅保证光束质量，也为聚焦系统提供稳定的入射条件。
三、聚焦镜的结构与像差修正
聚焦镜（Focusing Lens）的主要任务是将平行光束汇聚成极小的光斑，实现高能量密度加工。
单片聚焦镜因存在球差和色差，容易导致焦点模糊，从而影响切割或焊接精度。
为此，工程上常采用：
- 复合消像差透镜：利用正、负透镜的像差互补；
- 非球面透镜：进一步修正光线聚焦偏差，获得高精度焦点。
在光纤激光系统中，常见配置为100 μm光纤芯径、150 mm准直焦距配250 mm聚焦焦距，这种组合在切割与打标中表现出优异的聚焦稳定性。
四、准直与聚焦头的整体结构
在外光路中，准直与聚焦头通常集成于一个独立模块，主要由两部分组成：
- 准直镜组：负责将光纤发散光变为平行光；
- 聚焦镜组：将平行光再次聚焦到工件表面。
根据应用需求，结构可分为：
- 标准光学型：仅具准直与聚焦功能；
- CCD集成型：可用于路径校准与实时监控。
高功率型号在镜片材料、镀膜及散热设计上更为严格，以保证在高能量密度下的稳定性。
五、性能指标与可靠性
优秀的激光准直与聚焦系统应具备以下性能：
- 焦点热漂移 ≤ 1 mm；
- 光功率损耗 ≤ 3%（顶级产品可控制在1%以内）；
- 高耐热镀膜材料，防止因吸热过多导致镀膜爆裂或变形。
此外，部分高端产品还配备气体保护喷嘴，通过流体仿真优化气流分布，进一步提升切割或焊接质量。
六、功能扩展：环形光斑技术
新型环形光斑焊接头能够将圆形光斑重构为环形或点环混合结构。
这种设计能有效分散能量密度，减少飞溅，提高焊接质量，尤其适用于钢材焊接。
不过对于铝、铜等高反光材料，环形结构可能导致中心能量不足，需结合特定激光参数优化使用。
七、光学材料与防护设计
在激光系统中，光学元件一般分为透射型与反射型两类：
- 透射元件：如熔融石英，具有高透过率、低膨胀系数及优异的耐热性，常用于准直与聚焦镜；
- 反射元件：采用K9玻璃或金属基底，并镀反射膜以增强稳定性与导热性。
高品质镀膜材料可防止在高功率条件下因热吸收过多而引发的爆裂或烧蚀，确保系统长期稳定运行。
八、结语
激光准直与聚焦头是光纤激光加工系统中不可或缺的核心光学模块。
它不仅影响激光束的传播与聚焦精度，更直接决定了加工质量、效率与设备寿命。
随着工业智能化与高功率激光技术的发展，未来的准直与聚焦系统将朝着更高精度、更低损耗以及智能监控方向演进，为现代制造业提供更稳定、更高效的光学解决方案
