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0431-81702023
光学工程
激光材料加工中的光束指向稳定和自动对准

摘要:复杂的光束对准和高指向稳定要求是激光材料加工设备尤其是非光纤龙门加工系统的最大挑战,它们对设备机械元件的设计和处理提出了更高的技术要求。使用简单机械结构的光束指向稳定系统Aligna,不仅降低了设备成本,同时又显著提高了加工精度,并且这一系统还为整体光路的提供全自动对准。

 


正文

在材料微加工中,激光器覆盖了在越来越多的应用领域。这种定制化的加工方式拥有超高的分辨率,可以轻松完成错综复杂的机械与光学元器件的制造。特别是超快激光所展现出的材料上最低限度热传递的优势,极大降低了机械应力和表面损坏。实际上,通过使用这种超短脉冲,我们几乎可以在所有的材料上进行简单精确的织构。

不过,只有保证激光源和光路上的所有的光学机械元件都没有任何漂移时,超高的分辨率才可能实现。通常情况下,避免漂移是极其困难的,甚至不可能实现。因为高能短脉冲激光器的内部结构非常复杂,其对环境温度的变化非常敏感,即使在激光器完成预热的情况下,环境温度的轻微变化也常常导致出射光束产生不容忽略的角度漂移。

此外,激光光束必须相对于加工目标进行精确移动。通常我们将设备设计成1轴,2轴或多轴的龙门系统。光束不仅要贯穿这些不断振动与自由漂移的轴,而且还必须与每一个移动轴均匀平行。如果不这样做的话,将导致聚焦透镜上的光束会随龙门轴的移动而移动。这反过来会导致焦点位置的误差和光斑质量退化 (主要归结于透镜像差)。

 

典型的对策是使用一些坚固且精度很高的机械结构,通常这些机械结构不仅昂贵而且非常沉重,并且需要进行旷日持久的人工调节。这种发源于机械铣床的构建方式确实是行之有效的方法。

与传统的机械铣削头相比,激光束的最大特点是几乎没有质量。所以即使平均功率达到几千瓦的光束都可以使用小巧轻质的反射镜进行X&Y方向的位置和角度的高动态移动。上海昊量光电提供的Aligna系统使用纳米级分辨率位置敏感探测器(PSD)以几十MHz的速度测量光束位置和角度,并使用基于压电陶瓷的伺服反馈机构对测得的偏移可以进行快速纠正。

 

乍一看,这样一个主动的稳定系统比被动的机械结构稳定显得更加复杂。不过再仔细想想:被动稳定需要相当多的努力——空间温度变化或高功率线性模组散热产生的热漂移必须避免或屏蔽,如果可能的话,也要通过机械结构进行补偿。高动态运动需要坚固沉重的龙门架和机械底座(通常由混凝土或花岗岩建造),这反过来又需要更多的电力,从而导致更多的散热,当然也会增加更多的成本。 

 

 

无论以何种形式进行激光束位置的快速测量和精确纠正,设备都可以被构造的更小,更轻,更简单,而且机械结构会更便宜。这时由内部或外部散热的温度变化产生的热漂移就变得无关紧要了。

为了描述Aligna系统给激光材料加工带来的巨大革新,昊量光电的工程师举了一个简单的例子:在日常生活的其它领域,例如CD或DVD播放机,在亚微米范围的主动指向稳定是自我理解的。即使它们在恶劣的环境下工作(如汽车中或慢跑),这种主动稳定结构也不过花费几欧元。而与它们相比,激光材料加工的主动位置稳定应用仍然处在类似于光学存储介质占用大面积光学平台时的早期阶段。

在反馈控制系统中,稳定角度XY和位置XY这4个自由度并不轻松,因为它们都是强耦合的。移动反射镜架的任何一个千分丝杠(或致动器),都会同时影响角度和位置,严格区分发现X和Y也是耦合的。通过恰当的正交化(通过使用4x4 "Cross-Link Matrix"),可以完全独立的控制4个自由度,这使得反馈回路更快也更精确。

在工业环境中,光束指向稳定系统Aligna可以轻而易举的自主学习所有的关联参数。这一切都是通过致动器的全自动扫描以及4D PSD的测量结果的拟合转换来进行的。因此,不需要客户拥有专业知识也无需手动调整就可以将系统安装在不同的光学装置上。沿着光路的所有扩束镜,缩束镜,透镜或其它光学装置都不会干扰到学习程序。

昊量光电的这套Aligna系统将带宽达到20KHz的高速高精度压电陶瓷和大冲程线性致动器结合使用来驱动两个或更多快速放射镜架。这种组合不仅克服了分辨率和冲程之间的矛盾,而且与压电陶瓷摩擦传动相比,它的小幅度与大幅度运动的速度更高,而且也没有使用寿命限制。

这种更小更轻的机械结构不仅可以增加指向的稳定性,而且也能够执行全光路的彻底的自动对准。通过紧挨着或放置在快速反射镜后面的附加的AIM探测器的帮助,系统可以持续扫描第一个反射镜,直到第二个反射镜被找到,然后持续扫描第二个直到第三个反射镜被找到,依次类推,最终光束打到PSD 4D探测器上。不但不需要专门技术人员戴着护目眼镜和十字准线进入到机器中进行旷日持久的冒险的手动光束对准,而且即使机器在封闭的状态下也可以执行这一过程。此外,只要有需要,这种自动对准过程就可以随时进行,所以客户可以随时迅速的更换反射镜甚至激光器,且不会对光路准直产生任何影响。

结论:

在激光材料加工设备中,光束指向稳定系统使用更小,更轻,更快和更便宜的机械结构,能够主动高动态补偿漂移,空气波动和动态变形。不仅如此,客户不需要旷日持久的手动调节,可以在数秒之内更换光路元件甚至激光器。


 

 


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