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摘 要：針對激光增材制造過程, 采用仿真的方式獲取加工過程中各參量隨時間變化的情況。建立了高斯熱源的模型, 主要分析了激光掃描過程中材料的溫度、不同方向的溫度梯度、不同方向的變形量、正應力和屈服應力, 最后分析了冷卻后的溫度、變形和應力分布情況。

激光加工包括激光切割，激光焊接，激光鉆孔，激光打孔，激光微調，激光熱處理等方式。激光雕刻加工是激光系統最常用的應用。根據激光束與材料相互作用的機理，大體可將激光加工分為激光熱加工和光化學反應加工兩類。

激光是由單一波長的光子組成的聚焦光束，廣泛用于各種應用中，從無創手術到光纖通信，再到材料加工，甚至 DVD 播放器。今天這篇文章，讓我們看看來自美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的一個研究團隊如何借助多物理場仿真研究激光與材料的相互作用，來避免高功率激光系統內部光學器件的損壞。對內部光學器件的激光誘導破壞(LID) LLNL研究人員的工作是理解激光與材料的復雜相互作用。

簡介激光擴束準直系統是激光傳輸、激光加工、激光雷達及天文觀測等領域的核心光學組件，可按指定倍率擴大光束直徑、壓縮發散角，保障長距離傳輸時的高平行度與高能量密度。本案例依托 OAS 光學軟件，完成激光擴束準直系統的全流程建模、仿真、優化與性能驗證，精準量化光束傳播特性、像差水平與準直性能，為工程化設計提供可靠數據支撐與優化方向。

操作原理非常簡單：對于準直入射光束，輸出光束以預先設計的分離角度和強度出射DOE，通過光束整形器，激光束被聚焦成設計好的尺寸和形狀。 DOE的常見應用包括醫療系統、測量以及科學/研究應用——特別是DOE提供的激光束成形和均勻化技術對于材料加工至關重要1。 雖然DOE用途廣泛，功能強大，但由于功能強烈依賴于光波波長2 ，其具有很高的色散效應。

激光二極管準直鏡案例分析簡介激光二極管因發射面物理尺寸限制，輸出光束發散角較大，嚴重制約其在激光測距、光通信等需遠距離傳輸或精確聚焦場景的應用。本項目旨在通過 OAS 光學軟件構建仿真模型，設計一款適配 0.635μm 波長的準直鏡系統，將發散光束轉換為平行光束，核心指標為降低遠場發散角以提升光束準直性，為后續工業應用提供光學設計依據。

近年來，光束整形技術的應用需求持續升級：激光加工領域需高精度平頂光束提升切割、焊接的一致性；光纖通信中需優化光束耦合效率以減少信號損耗；醫療場景要求光束能量密度適配手術需求，避免損傷健康組織；激光雷達則依賴動態光束調控提升目標探測精度。這些需求對光學系統的設計精度、仿真可靠性和迭代效率提出了嚴苛要求，而專業光學設計軟件通過一體化的設計與仿真解決方案，為這些技術挑戰提供了高效突破路徑。

利用模式像散轉換器件可以將光纖激光輸出的橢圓光斑（帶固有像散）轉化為圓形高斯光斑，解決高功率激光加工中光斑能量分布不均的問題；它還可以消除超快激光、半導體激光在傳輸過程中產生的像散，保證激光聚焦精度，提升光刻、激光切割的加工質量；利用模式像散轉換器根據需求生成特定像散的激光模式，滿足光通信、量子光學、激光雷達等前沿領域的特殊光路要求。

</span></p><p><span style="font-family:'宋體';font-size:12.0pt;white-space:pre-wrap;">本文主要目的是通過有限元建模仿真的方法，研究不同激光參數情況下超快激光與金屬材料的相互作用機理，以實現對超快激光對材料沖擊后的形貌預測。飛秒激光具有熱效應小的特點，這意味著其加工精度更高，加工表面形貌在一定實驗數據支撐下更容易預測。

光學仿真工具可以全面剖析超短激光脈沖如何影響衍射光學元件的光束整形特性和能力。

將完成后的第一層粉床圖檔導入至FLOW-3D進行激光加工仿真。模擬完成后，利用所形成的表面進行第二層DEM模擬。第二層DEM模擬：將第一層粉床降低80μm（第一層層厚）。由于第一層仿真已考慮了收縮，因此第二層層厚減少到40μm。這種方法可以探討第一層固有表面粗糙度對第二層粉末分布和層厚的影響。模擬結束后，可以看到第一層和第二層之間的間隙情況。

現在越來越多的同學在用COMSOL做激光加工的模擬仿真，比如：激光打孔，激光切割，激光清洗，激光熔覆等等。連續激光很多同學都會設置，但是很多的模型都需要脈沖激光來加工材料，在設置脈沖激光的時候很多同學犯了難，不知如何下手。這里我用的是一個脈沖12ms，重復頻率50Hz的脈沖激光。

矢量光束由于其在垂直于光傳播方向的橫截面具有非均一性的偏振分布，在量子存儲、粒子操控、超分辨成像、納米光刻和激光加工等領域具有重要的潛在發展前景。因此，有必要引入光學發展前沿，鼓勵學生探索光學新發展，培養創新思維，從而激發他們的學習興趣，促進教研融合。同時，考慮到知識的難度，我們需要結合虛擬仿真實驗對光學理論和模型進行精確仿真和可視化，從而直觀呈現抽象的物理過程，提高教學效果和學習效率[2]。

Simufact.Additive 側重于粉床熔融工藝仿真分析，其中包括選擇性激光熔融（SLM）、直接金屬激光燒結（DMLS）、LaserCUSING?、等效模擬EBM（考慮真空環境和基板預熱）、多種金屬粉末床熔融（PBF）等。

Delfoi CUT是一款用于3D切割和精加工工藝的離線編程軟件，例如水射流切割、等離子切割、激光切割以及機械切割和去毛刺。

參考文獻： 黃平華，王慶，基于焊接模擬的B柱激光焊接變形預測[J]．熱加工工藝，2018， 47(11)：207-210．

仿真結果顯示，所有結構的激光發散角均＜0.05°，準直性能優異，可滿足遠距離激光傳輸需求4.公差穩定性：加工誤差影響極小通過Zemax蒙特卡羅模擬進行公差分析： 公差設置：曲率半徑、厚度、XY傾斜公差均為±0.01mm，刪除3、6面（平面）的傾斜公差（直接貼合機械結構，無楔形誤差）；模擬方法：采樣數=4，RMS波前標準，20次正態分布模擬；結果：所有結構在公差范圍內的波前差＜0.04