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0431-81702023
光學工程
激光材料加工中的光束指向穩定和自動對準

摘要:復雜的光束對準和高指向穩定要求是激光材料加工設備尤其是非光纖龍門加工系統的最大挑戰,它們對設備機械元件的設計和處理提出了更高的技術要求。使用簡單機械結構的光束指向穩定系統Aligna,不僅降低了設備成本,同時又顯著提高了加工精度,并且這一系統還為整體光路的提供全自動對準。


正文

在材料微加工中,激光器覆蓋了在越來越多的應用領域。這種定制化的加工方式擁有超高的分辨率,可以輕松完成錯綜復雜的機械與光學元器件的制造。特別是超快激光所展現出的材料上最低限度熱傳遞的優勢,極大降低了機械應力和表面損壞。實際上,通過使用這種超短脈沖,我們幾乎可以在所有的材料上進行簡單精確的織構。

不過,只有保證激光源和光路上的所有的光學機械元件都沒有任何漂移時,超高的分辨率才可能實現。通常情況下,避免漂移是極其困難的,甚至不可能實現。因為高能短脈沖激光器的內部結構非常復雜,其對環境溫度的變化非常敏感,即使在激光器完成預熱的情況下,環境溫度的輕微變化也常常導致出射光束產生不容忽略的角度漂移。

此外,激光光束必須相對于加工目標進行精確移動。通常我們將設備設計成1軸,2軸或多軸的龍門系統。光束不僅要貫穿這些不斷振動與自由漂移的軸,而且還必須與每一個移動軸均勻平行。如果不這樣做的話,將導致聚焦透鏡上的光束會隨龍門軸的移動而移動。這反過來會導致焦點位置的誤差和光斑質量退化 (主要歸結于透鏡像差)。

 

典型的對策是使用一些堅固且精度很高的機械結構,通常這些機械結構不僅昂貴而且非常沉重,并且需要進行曠日持久的人工調節。這種發源于機械銑床的構建方式確實是行之有效的方法。

與傳統的機械銑削頭相比,激光束的最大特點是幾乎沒有質量。所以即使平均功率達到幾千瓦的光束都可以使用小巧輕質的反射鏡進行X&Y方向的位置和角度的高動態移動。上海昊量光電提供的Aligna系統使用納米級分辨率位置敏感探測器(PSD)以幾十MHz的速度測量光束位置和角度,并使用基于壓電陶瓷的伺服反饋機構對測得的偏移可以進行快速糾正。

乍一看,這樣一個主動的穩定系統比被動的機械結構穩定顯得更加復雜。不過再仔細想想:被動穩定需要相當多的努力——空間溫度變化或高功率線性模組散熱產生的熱漂移必須避免或屏蔽,如果可能的話,也要通過機械結構進行補償。高動態運動需要堅固沉重的龍門架和機械底座(通常由混凝土或花崗巖建造),這反過來又需要更多的電力,從而導致更多的散熱,當然也會增加更多的成本。 

 

無論以何種形式進行激光束位置的快速測量和精確糾正,設備都可以被構造的更小,更輕,更簡單,而且機械結構會更便宜。這時由內部或外部散熱的溫度變化產生的熱漂移就變得無關緊要了。

為了描述Aligna系統給激光材料加工帶來的巨大革新,昊量光電的工程師舉了一個簡單的例子:在日常生活的其它領域,例如CD或DVD播放機,在亞微米范圍的主動指向穩定是自我理解的。即使它們在惡劣的環境下工作(如汽車中或慢跑),這種主動穩定結構也不過花費幾歐元。而與它們相比,激光材料加工的主動位置穩定應用仍然處在類似于光學存儲介質占用大面積光學平臺時的早期階段。

在反饋控制系統中,穩定角度XY和位置XY這4個自由度并不輕松,因為它們都是強耦合的。移動反射鏡架的任何一個千分絲杠(或致動器),都會同時影響角度和位置,嚴格區分發現X和Y也是耦合的。通過恰當的正交化(通過使用4x4 "Cross-Link Matrix"),可以完全獨立的控制4個自由度,這使得反饋回路更快也更精確。

在工業環境中,光束指向穩定系統Aligna可以輕而易舉的自主學習所有的關聯參數。這一切都是通過致動器的全自動掃描以及4D PSD的測量結果的擬合轉換來進行的。因此,不需要客戶擁有專業知識也無需手動調整就可以將系統安裝在不同的光學裝置上。沿著光路的所有擴束鏡,縮束鏡,透鏡或其它光學裝置都不會干擾到學習程序。

昊量光電的這套Aligna系統將帶寬達到20KHz的高速高精度壓電陶瓷和大沖程線性致動器結合使用來驅動兩個或更多快速放射鏡架。這種組合不僅克服了分辨率和沖程之間的矛盾,而且與壓電陶瓷摩擦傳動相比,它的小幅度與大幅度運動的速度更高,而且也沒有使用壽命限制。

這種更小更輕的機械結構不僅可以增加指向的穩定性,而且也能夠執行全光路的徹底的自動對準。通過緊挨著或放置在快速反射鏡后面的附加的AIM探測器的幫助,系統可以持續掃描第一個反射鏡,直到第二個反射鏡被找到,然后持續掃描第二個直到第三個反射鏡被找到,依次類推,最終光束打到PSD 4D探測器上。不但不需要專門技術人員戴著護目眼鏡和十字準線進入到機器中進行曠日持久的冒險的手動光束對準,而且即使機器在封閉的狀態下也可以執行這一過程。此外,只要有需要,這種自動對準過程就可以隨時進行,所以客戶可以隨時迅速的更換反射鏡甚至激光器,且不會對光路準直產生任何影響。

結論:

在激光材料加工設備中,光束指向穩定系統使用更小,更輕,更快和更便宜的機械結構,能夠主動高動態補償漂移,空氣波動和動態變形。不僅如此,客戶不需要曠日持久的手動調節,可以在數秒之內更換光路元件甚至激光器。


 


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