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1，激光加工头
在激光材料加工中，通常需要将聚焦的激光束照射到工件上，此装置称为加工头。
根据应用划分通常可称为切割头、钻孔头、焊接头等。激光加工头可以视为光束传输系统的末端，集成了光学、机械、传感及冷却等多种技术的复杂模块，其设计和性能直接决定了整个激光加工过程中的精度和效率。
图源：宝叶激光，CO2激光头
激光加工头的功能和特点
在激光材料加工过程中，激光必须聚焦在工件上的某个小点，这种聚焦的必要性源于加工任务本身仅需在极小的尺度上进行以及许多工艺（如切割、钻孔和焊接）需要达到极高的光强和功率密度（单位面积上的功率）以克服材料的烧蚀阈值。
图源：宝叶激光，CO2激光头工作光束
通常，激光以近似准直的光束（光束直径相对较大且光束发散度较低）的形式发送到加工头，然后通过加工头内的透镜或曲面镜聚焦。
聚焦光学元件的选择取决于具体的工艺参数，低功率时，聚焦透镜因其结构简单和易于校准而常被采用，高功率时，透镜会因吸收激光能量而产生热透镜效应，导致焦点漂移和光斑质量下降，相比之下曲面反射镜（如抛物面镜）具有良好的热管理性能和更宽的光谱实用性，通常作为高功率激光系统选择。
激光加工头的设计与应用受到一系列精密光学和物理参数的限制，其内部所有光学元件包括透镜、反射镜以及增透膜，都针对特定的光谱范围进行了优化，因此加工头通常具有明确的波长适用性，例如适应掺镱光纤激光器或YAG激光器的1um波段，或CO₂激光器优化的10.6um波段，同时也存在适用于绿光（532nm、515nm）或2um波段的加工头。
对于自由空间光束系统，理想的入射光束应为具有适当半径和高光束质量（即低M²因子）的准直光束。
对于光纤传输系统，在高功率光纤传输情况下，虽然光纤的纤芯直径和数值孔径是主要参数，但光纤内导模的实际功率分布会影响最终的聚焦效果。
任何激光加工头都有其功率承受上限，该上限不仅是取决于光学元件的平均功率损伤阈值和热管理能力，对于脉冲激光器还需考虑峰值功率限制。激光源的光束质量直接影响着设计的紧凑性：高光束质量（低M²值）意味着可以用更小的光学元件实现衍射极限聚焦，从而使整个加工头的设计能够更加轻巧紧凑。
光束定位和扫描 在激光材料加工过程中，光束在工件上的定位是至关重要的，尤其是在公差低于1mm的微加工领域。光束的定位策略通常分为宏观和微观两个层面，宏观上通过移动整个加工头或工件来实现光束的平移定位，适用于光路固定的加工头。微观上更为先进的加工头则集成了激光扫描系统，通常由振镜构成，能够在一维或二维平面内快速偏转光束，甚至在一定范围内调控轴向光束焦点位置。
扫描激光头主要采用两种技术方案。一种是后聚焦扫描，即扫描镜位于聚焦元件之后，直接操控已会聚的光束，此方案的优势在于对聚焦元件的通光孔径要求较低，且光学像差影响较小，适用于较大工作距离的加工场景。另一种是预聚焦扫描，扫描镜位于聚焦元件之前，该构造通常与f-theta扫描透镜配合使用，即使工件位置发生变化，也能实现光束方向的恒定，但是其工作区域受限于透镜的有限直径。
还有一些激光套孔头，可通过高速环形扫描切割出高质量的圆孔。当加工任务需要复杂的空间姿态时，例如在曲面上进行焊接或切割，则需将加工头集成于具有五轴或六轴自由度的机器人手臂上。这种高度灵活的系统允许在三维空间内任意平移、旋转和倾斜加工头，从而控制光束的入射角度和位置，但这对机电一体化设计和实时运动控制技术提出了极高的要求。
2.3 工艺气体 对于气体的使用在多数情况下会使用氮气或氩气等惰性气体，以在激光作用区域形成保护，有效防止工件表面在高温下与周围空气中的氧气发生氧化反应。然而在某些激光切割应用中，采用压缩空气或纯氧作为辅助气体，利用材料燃烧产生的额外放热反应来增强切割能力。此外工艺气体还发挥着关键的机械作用，通过高压气流将熔融或气化的材料从加工区（即切口或熔池）吹走，这对于获得干净、无熔渣的切缝至关重要。为了实现高效的材料去除，通常需要一个指向精准的高压气流，因此加工头与工件的间距必须很小。
气体的输送方式根据具体工艺而有所不同。
在切割和钻孔等需要穿透材料的工艺中，气体通常与激光束同轴，通过加工头末端的同一个喷嘴喷出，以确保气流能直达作用点。而在激光焊接或表面淬火等旨在保持表面完整性的工艺中，工艺气体则常从侧面施加，沿工件表面形成一个层流，起到保护熔池或冷却区域的目的。
此外，在某些情况下，工艺气体的作用并非针对工件，而是在加工头内部形成一道屏障以保护光学元件免受加工过程中产生的烟尘与熔渣的污染。
图2 左图： 具有快速同轴工艺气体流动的激光切割头。右图：具有缓慢横向工艺气体流动的焊接头。
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