在激光焊接領域，隨著高功率光纖激光器和碟片激光器的引入，機遇和挑戰以有史以來最快的速度在迅速地增長。最值得注意的是，更高激光功率和光束質量使其應用范圍有機會擴展到更深的激光深熔焊接，這也為激光聚焦光學組件帶來了一個全新的挑戰。

　　具體來說，聚焦光學組件面對的挑戰或者說障礙被稱為“離焦量（focal shift）”，對這一問題的描述早在十年前就由Dirk Lange提出。該研究對離焦量進行了定義和量化（在YAG功率不超過3kW時為1 mm/kW）。巧合的是，在同一時期，EWI在一項涉及光束耦合器應用中觀察到在4kW光纖激光功率時也有類似的現象。但EWI在開始10kW功率的光纖激光焊接試驗時才觀察到離焦量對激光焊接造成的實際影響。

　　控制和管理離焦量

　　激光焊接過程中離焦量的產生過程如圖1所示。為了便于討論，我們假設具有非常低的吸收率的透鏡和一個保護蓋片的1微米聚焦光學組件在非常潔凈的情況下開始傳輸。不幸的是，這種情況在生產環境中是很少存在的。有時在焊接時(或之前)，煙塵、蒸汽、油、飛濺物或其他形式的污染物會在最近的光學表面上發現——保護玻璃窗口。這種污染會使得窗口局部過熱，產生熱變形和窗口折射率的變化。這個結果會導致焦點遠離工作面而向光學組件移動，從而產生更多污染和焊接熔深的損失。

圖1：激光焊接中離焦量的發生。

　　有很多關于控制和管理離焦量的解決方案。首先，最常見的是氣刀，這實際是一種高速、橫向的清潔的氣流或其他氣體，旨在保護最末的光學表面免受污染。有許多種不同的氣刀（也被稱為“窗口保護”裝置）被用來解決離焦量問題。其中有些設備使用了散射光監控解決方案來檢測污染何時開始，并希望以此能在產生不良焊縫之前暫停焊接過程。不幸的是，目前還沒有人能制作出一種完全有效的窗口保護裝置，并且過程中的污染并不是讓透射聚焦光學組件發生熱移位的原因。

　　聚焦光學組件的替代方案

　　面對這一現實，EWI開始研究激光聚焦光學組件的替代方案，設計準則如下：

　　● 盡可能多地減少光學傳輸裝置；

　　● 使用熱穩定性較好的光學傳輸裝置；

　　● 在可能的情況下使用金屬反射鏡；

　　● 提供更好的光學冷卻；

　　● 放置最末的光學表面時使其遠離工作面。

　　依據這些準則，EWI制作出一種“復合式”聚焦光學組件，綽號叫“bazooka（火箭筒）”(圖2)，該組件集合了多種創新的功能。首先，激光光纖發散光束的準直是用經過金剛石切削處理的硫化鋅材料透鏡完成的，這種材料的熱導率是傳統的光學傳輸材料石英玻璃的20倍。對這種材料進行金剛石車削(DT)意味著可以在凸面得到理論上完美的透鏡面形。其次，這個透鏡的平面一側通過與另一個DT表面（水冷透鏡支架）直接接觸來冷卻。這樣的DT面與DT面接觸能產生極其高效的熱傳遞，從而讓準直透鏡保持冷卻。

圖2：“Bazooka（火箭筒）”復合式激光聚焦光學組件。

　　“火箭筒”的準直光束的聚焦是用標準的離軸、水冷拋物面鏡完成的，這種拋物面鏡幾十年來通常用于高功率CO2激光焊接系統中。這種堅固的未鍍膜的光學表面對污染幾乎完全免疫，可以被多次清洗，能防止飛濺物接觸到中間窗口。這種中間窗口對于保護相對較昂貴的ZnS準直透鏡來說是很有必要的。并且在此窗口的輸出側使用清潔氣流來預防煙塵和其他低速污染物。

　　在不超過8千瓦的光纖激光功率情況下，這種“復合”光學設計的離焦量幾乎為零(~0.2 mm/kW)。出人意料的是，這與EWI所有的傳統傳輸聚焦設備測量的離焦量相反。這種現象被歸因為傳輸光學組件的負離焦(“上方”)和未鍍膜銅反射鏡這一面的正離焦(“下方”)的結合而引起的。