摘要

復(fù)雜的光束對(duì)準(zhǔn)和高指向穩(wěn)定要求是激光材料加工設(shè)備尤其是非光纖龍門加工系統(tǒng)的最大挑戰(zhàn)，它們對(duì)設(shè)備機(jī)械元件的設(shè)計(jì)和處理提出了更高的技術(shù)要求。使用簡(jiǎn)單機(jī)械結(jié)構(gòu)的光束指向穩(wěn)定系統(tǒng)Aligna，不僅降低了設(shè)備成本，同時(shí)又顯著提高了加工精度，并且這一系統(tǒng)還為整體光路的提供全自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)。

正文

在材料微加工中，激光器覆蓋了在越來(lái)越多的應(yīng)用領(lǐng)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(cuò)綜復(fù)雜的機(jī)械與光學(xué)元器件的制造。特別是超快激光所展現(xiàn)出的材料上最低限度熱傳遞的優(yōu)勢(shì)，極大降低了機(jī)械應(yīng)力和表面損壞。實(shí)際上，通過(guò)使用這種超短脈沖，我們幾乎可以在所有的材料上進(jìn)行簡(jiǎn)單精確的織構(gòu)。

不過(guò)，只有保證激光源和光路上的所有的光學(xué)機(jī)械元件都沒(méi)有任何漂移時(shí)，超高的分辨率才可能實(shí)現(xiàn)。通常情況下，避免漂移是極其困難的，甚至不可能實(shí)現(xiàn)。因?yàn)楦吣芏堂}沖激光器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，其對(duì)環(huán)境溫度的變化非常敏感，即使在激光器完成預(yù)熱的情況下，環(huán)境溫度的輕微變化也常常導(dǎo)致出射光束產(chǎn)生不容忽略的角度漂移。

此外，激光光束必須相對(duì)于加工目標(biāo)進(jìn)行精確移動(dòng)。通常我們將設(shè)備設(shè)計(jì)成1軸，2軸或多軸的龍門系統(tǒng)。光束不僅要貫穿這些不斷振動(dòng)與自由漂移的軸，而且還必須與每一個(gè)移動(dòng)軸均勻平行。如果不這樣做的話，將導(dǎo)致聚焦透鏡上的光束會(huì)隨龍門軸的移動(dòng)而移動(dòng)。這反過(guò)來(lái)會(huì)導(dǎo)致焦點(diǎn)位置的誤差和光斑質(zhì)量退化 (主要?dú)w結(jié)于透鏡像差)。

典型的對(duì)策是使用一些堅(jiān)固且精度很高的機(jī)械結(jié)構(gòu)，通常這些機(jī)械結(jié)構(gòu)不僅昂貴而且非常沉重，并且需要進(jìn)行曠日持久的人工調(diào)節(jié)。這種發(fā)源于機(jī)械銑床的構(gòu)建方式確實(shí)是行之有效的方法。

與傳統(tǒng)的機(jī)械銑削頭相比，激光束的最大特點(diǎn)是幾乎沒(méi)有質(zhì)量。所以即使平均功率達(dá)到幾千瓦的光束都可以使用小巧輕質(zhì)的反射鏡進(jìn)行X&Y方向的位置和角度的高動(dòng)態(tài)移動(dòng)。上海昊量光電提供的Aligna系統(tǒng)使用納米級(jí)分辨率位置敏感探測(cè)器（PSD）以幾十MHz的速度測(cè)量光束位置和角度，并使用基于壓電陶瓷的伺服反饋機(jī)構(gòu)對(duì)測(cè)得的偏移可以進(jìn)行快速糾正。

乍一看，這樣一個(gè)主動(dòng)的穩(wěn)定系統(tǒng)比被動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定顯得更加復(fù)雜。不過(guò)再仔細(xì)想想：被動(dòng)穩(wěn)定需要相當(dāng)多的努力——空間溫度變化或高功率線性模組散熱產(chǎn)生的熱漂移必須避免或屏蔽，如果可能的話，也要通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)償。高動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)需要堅(jiān)固沉重的龍門架和機(jī)械底座（通常由混凝土或花崗巖建造），這反過(guò)來(lái)又需要更多的電力，從而導(dǎo)致更多的散熱，當(dāng)然也會(huì)增加更多的成本。

無(wú)論以何種形式進(jìn)行激光束位置的快速測(cè)量和精確糾正，設(shè)備都可以被構(gòu)造的更小，更輕，更簡(jiǎn)單，而且機(jī)械結(jié)構(gòu)會(huì)更便宜。這時(shí)由內(nèi)部或外部散熱的溫度變化產(chǎn)生的熱漂移就變得無(wú)關(guān)緊要了。

為了描述Aligna系統(tǒng)給激光材料加工帶來(lái)的巨大革新，昊量光電的工程師舉了一個(gè)簡(jiǎn)單的例子：在日常生活的其它領(lǐng)域，例如CD或DVD播放機(jī)，在亞微米范圍的主動(dòng)指向穩(wěn)定是自我理解的。即使它們?cè)趷毫拥沫h(huán)境下工作（如汽車中或慢跑），這種主動(dòng)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)也不過(guò)花費(fèi)幾歐元。而與它們相比，激光材料加工的主動(dòng)位置穩(wěn)定應(yīng)用仍然處在類似于光學(xué)存儲(chǔ)介質(zhì)占用大面積光學(xué)平臺(tái)時(shí)的早期階段。

在反饋控制系統(tǒng)中，穩(wěn)定角度XY和位置XY這4個(gè)自由度并不輕松，因?yàn)樗鼈兌际菑?qiáng)耦合的。移動(dòng)反射鏡架的任何一個(gè)千分絲杠（或致動(dòng)器），都會(huì)同時(shí)影響角度和位置，嚴(yán)格區(qū)分發(fā)現(xiàn)X和Y也是耦合的。通過(guò)恰當(dāng)?shù)恼�交化（通過(guò)使用4x4 "Cross-Link Matrix"），可以完全獨(dú)立的控制4個(gè)自由度，這使得反饋回路更快也更精確。

 在工業(yè)環(huán)境中，光束指向穩(wěn)定系統(tǒng)Aligna可以輕而易舉的自主學(xué)習(xí)所有的關(guān)聯(lián)參數(shù)。這一切都是通過(guò)致動(dòng)器的全自動(dòng)掃描以及4D PSD的測(cè)量結(jié)果的擬合轉(zhuǎn)換來(lái)進(jìn)行的。因此，不需要客戶擁有專業(yè)知識(shí)也無(wú)需手動(dòng)調(diào)整就可以將系統(tǒng)安裝在不同的光學(xué)裝置上。沿著光路的所有擴(kuò)束鏡，縮束鏡，透鏡或其它光學(xué)裝置都不會(huì)干擾到學(xué)習(xí)程序。

昊量光電的這套Aligna系統(tǒng)將帶寬達(dá)到20KHz的高速高精度壓電陶瓷和大沖程線性致動(dòng)器結(jié)合使用來(lái)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)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(dòng)相比，它的小幅度與大幅度運(yùn)動(dòng)的速度更高，而且也沒(méi)有使用壽命限制。

這種更小更輕的機(jī)械結(jié)構(gòu)不僅可以增加指向的穩(wěn)定性，而且也能夠執(zhí)行全光路的徹底的自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)。通過(guò)緊挨著或放置在快速反射鏡后面的附加的AIM探測(cè)器的幫助，系統(tǒng)可以持續(xù)掃描第一個(gè)反射鏡，直到第二個(gè)反射鏡被找到，然后持續(xù)掃描第二個(gè)直到第三個(gè)反射鏡被找到，依次類推，最終光束打到PSD 4D探測(cè)器上。不但不需要專門技術(shù)人員戴著護(hù)目眼鏡和十字準(zhǔn)線進(jìn)入到機(jī)器中進(jìn)行曠日持久的冒險(xiǎn)的手動(dòng)光束對(duì)準(zhǔn)，而且即使機(jī)器在封閉的狀態(tài)下也可以執(zhí)行這一過(guò)程。此外，只要有需要，這種自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)過(guò)程就可以隨時(shí)進(jìn)行，所以客戶可以隨時(shí)迅速的更換反射鏡甚至激光器，且不會(huì)對(duì)光路準(zhǔn)直產(chǎn)生任何影響。

結(jié)論：

在激光材料加工設(shè)備中，光束指向穩(wěn)定系統(tǒng)使用更小，更輕，更快和更便宜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，能夠主動(dòng)高動(dòng)態(tài)補(bǔ)償漂移，空氣波動(dòng)和動(dòng)態(tài)變形。不僅如此，客戶不需要曠日持久的手動(dòng)調(diào)節(jié)，可以在數(shù)秒之內(nèi)更換光路元件甚至激光器。