《Precision Engineering》：A novel exploration of low damage elliptical ultrasonic vibration assisted cutting method for high-power fiber laser beam shapers
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本研究设计并制造了一种新型双抛物面光纤激光整形器，利用椭圆超声振动切割技术降低亚表面损伤，实现平顶光束输出，能量集中率达50.19%，近场均匀性达83.44%，显著提升高功率光纤激光系统的光学性能与器件寿命。
陈甘宇|熊玉鹏|黄成|欧阳阳|周家福|戴一凡
国防科技大学智能科学与技术学院，中国湖南长沙410073
摘要
高功率光纤激光器因其优异的能量转换效率和光束质量，在国防和工业应用中至关重要。然而，光纤激光器的光强模式通常呈高斯分布，这降低了光束的能量利用效率，并增加了高功率激光系统中光学元件的损坏概率。因此，本研究提出了一种新型集成双非球面光束整形器的设计与制造方法，该方法可将高功率光纤激光器的高斯光束转换为平顶光束，同时保持高填充因子的相位分布。为了解决整形器小孔径、陡峭曲率以及熔融石英难以加工的问题，本研究采用了椭圆超声振动切割（EUVC）技术作为熔融石英光束整形器的低损伤加工方法。运动学分析表明，EUVC中的周期性工具-工件分离可以减少切割力。亚表面损伤（SSD）检测实验显示，与传统超精密切割相比，SSD减少了60%。分析表明，不连续的工具-工件接触可以抑制微裂纹的传播。激光整形实验验证了EUVC制造的整形器能够控制光纤激光器的强度分布，实现50.19%的远场能量集中度、83.44%的近场均匀性和10 kW/cm2的激光诱导损伤阈值（LIDT），显示出其在高功率光纤激光整形方面的巨大潜力。
引言
高功率激光系统是工业激光应用中最成熟的技术之一，因为它具有优异的能量转换效率、光束质量和成本效益。同时，高功率激光系统在前沿物理研究中也具有重要应用，包括粒子加速[1,2]、材料加工[3,4]和高次谐波产生[5,6]。光纤激光器已被广泛应用于高功率激光系统，其在高转换效率、出色的输出光束质量、便捷的热管理和紧凑结构方面具有优势。然而，传统光纤激光器的输出光束分布通常呈高斯强度分布，光束中心的峰值功率比平均功率高出几个数量级，导致有效光斑比低，能量利用率降低。此外，高功率激光系统中的光学元件在光束传输过程中不可避免地会因高功率辐照而发生热变形或损坏，显著缩短其使用寿命。因此，控制光束质量和光学元件的LIDT对于提升光纤激光系统的输出能力至关重要。
有多种技术可以将高斯光束转换为平顶光束，例如锯齿状孔径[7]、双折射透镜[8]、二元面板技术[9,10]和非球面光束整形器[11]。为了实现单模光纤激光光束的强度分布均匀化并提高能量利用率，我们的团队开发了一种新型集成小孔径双非球面光束整形器，该整形器可以将单模激光光束的高斯强度分布转换为平顶分布。熔融石英因其高LIDT和良好的物理特性，常用于高功率激光镜头的反射器。不幸的是，由于其高硬度、低断裂韧性和高脆性，熔融石英被认为是一种难以加工的材料。传统的熔融石英加工技术容易产生不可避免的SSD，同时会导致较大的切割力、工具磨损和较高的加工成本。
在传统的熔融石英光学元件研磨过程中，尽管研磨效率较高，但金刚石磨料颗粒会导致表面/亚表面损伤，降低元件的LIDT。2015年，P. Blaineau等人利用湿法蚀刻测量了熔融石英研磨过程中的SSD，并通过离散元素方法揭示了SSD深度与研磨力（按磨料浓度归一化）之间的关系[12]。2018年，Xiao等人基于微压痕力学和研磨运动学建立了SSD深度与研磨参数之间的定量关系模型，证明SSD深度随砂轮转速的增加或进给速度和切割深度的减小而减小[13]。2024年，Zhong等人提出了一种用于熔融石英光学超精密研磨的非破坏性快速预测方法，实现了准确的SSD预测，并揭示了亚表面裂纹层下的变质层，该层会导致额外的光热吸收[14]。然而，光束整形器的研磨受到砂轮尺寸的限制，难以对小孔径和陡峭曲率的双非球面表面进行超精密加工。
EUVC结合了传统加工工艺和超声振动加工的原理与优势。施加在切削工具上的高频振动有助于难以加工材料的微小去除。2007年，Zhou等人分析了EUVC铣削熔融石英过程中的裂纹传播机制[15]。2022年，Luo等人通过振动相位差调节提出了相位控制的椭圆振动切割模型，实现了脆性材料的延性加工[16]。2023年，Zeng等人通过椭圆轨迹控制调节工具-工件分离频率，将单晶硅的切割力降低了60%，并抑制了裂纹传播深度[17]。2024年，Xing等人通过建立切割能量-裂纹评估模型，预测了脆性向延性转变的临界条件，实现了BK7玻璃自由曲面的超声振动辅助慢速工具伺服（STS）车削[18]。显然，与传统熔融石英加工相比，EUVC对硬质和脆性材料及其复杂表面形状具有显著的加工效果，它改变了材料去除机制，促进了脆性向延性的转变，减少了切割力，降低了工具磨损，从而延长了工具寿命并减少了加工组件的SSD深度。
为了解决集成小孔径双非球面熔融石英光束整形器的加工难题，本研究旨在将EUVC应用于整形器的车削技术，为整形器的超精密制造技术提供了可行的途径和理论支持。SSD检测实验验证，与传统车削技术相比，EUVC将熔融石英材料的亚表面损伤减少了约60%。该研究提高了整形器的加工精度，EUVC车削后的形状精度均方根（RMS）达到约70 nm，表面粗糙度平均值（Ra）低于30 nm。整形器的光学性能得到提升，远场光斑能量集中度达到50.19%，近场光斑均匀性达到83.44%，LIDT达到10 kW/cm2，这是基于自开发的1070 nm波长2 kW高功率激光损伤测试结果。这项工作在高功率光纤激光整形技术的发展中发挥了重要作用。
部分摘录
光学设计与规格
集成小孔径双非球面熔融石英光束整形器具有结构简单、使用寿命长、抗激光损伤能力强、易于集成等优点，在各种激光发射系统中具有广泛的应用前景。根据初步研究，如图1所示设计了该整形器。来自光纤激光器的高斯光束通过入口表面2进入光束整形器，然后发生全内反射
EUVC中工具运动的运动学分析
如上所述，由于整形器的小孔径和陡峭曲率双非球面特性，由于制造工具（如砂轮）尺寸的限制，难以实现这种光学元件的超精密加工。因此，引入了单点金刚石切割技术来解决这个问题。然而，由于熔融石英材料的高硬度、低断裂韧性和高脆性，切割加工也面临挑战
EUVC中熔融石英SSD的实验研究
在熔融石英切割过程中，一定程度上会发生亚表面裂纹和脆性断裂损伤，影响加工组件的表面质量和形状精度，从而影响整形器的光学性能。因此，为了验证椭圆EUVC对整形器的可行性，并为其特定加工参数提供实验支持，有必要研究超声振动辅助切割下熔融石英的SSD。为了探索
集成小孔径双非球面光束整形器的加工
为了加工满足设计要求的集成小孔径双非球面熔融石英光束整形器，基于初步实验选择了产生最低SSD深度的加工参数。然后使用EUVC对整形器进行加工。经过粗车、半精车和精车后，使用PGI轮廓仪测量了整形器的凸面和凹面，如图18所示。根据测量结果优化了曲率半径。光束整形实验
如图21所示进行了远场光束整形实验，以验证EUVC加工整形器的实际光束整形能力和光学性能指标是否满足设计要求。实验旨在评估光束整形性能、输出光斑轮廓和能量集中度。使用波长为1070 nm的光纤激光器，通过PM980保偏光纤输出50 mW的功率结论
本文设计并制造了一种新型集成双非球面光束整形器，以实现光纤激光器的平顶光束整形。同时，在熔融石英整形器加工中应用了EUVC技术，以减少制造损伤并提高激光损伤性能。研究了超声振动对切削工具边缘运动学的影响，发现切削边缘与工件之间的不连续接触可以
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陈甘宇：撰写——原始草稿、可视化、验证、项目管理、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念化。熊玉鹏：撰写——审阅与编辑、监督、资源管理、项目管理、资金获取、概念化。黄成：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、方法论、概念化。欧阳阳：撰写——审阅与编辑、监督、资源管理、调查、资金
资助
国家自然科学基金（项目编号：52305520；52305519）；国防科技大学综合物流支持科学技术实验室研究基金（6142003202404）；国防科技大学（XX-XXXX-XXX-22）。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
