掃描振鏡配合激光器傳統(tǒng)上主要應用于打標和快速成型等領域。此類系統(tǒng)可提供高質(zhì)量的光束，但是激光功率僅局限在百瓦范圍內(nèi)。如今，隨著諸如光纖激光器、碟片激光器等高亮度激光器的出現(xiàn)，甚至一些亮度較低的高功率二極管激光器的使用，掃描振鏡的應用領域已經(jīng)擴展到數(shù)千瓦特級。掃描裝置必需能夠勝任高功率范圍內(nèi)的應用——同時不影響精度和速度！這對掃描振鏡制造商而言是一項富有挑戰(zhàn)性的任務。
掃描振鏡技術(shù)
一套基本的x-y掃描裝置看起來很簡單：兩塊反射鏡，由電機驅(qū)動，可將入射激光束反射到特定區(qū)域（工作區(qū)域）的任何點。一組平場（f-?）透鏡確保焦點在工作區(qū)域平面內(nèi)（二軸系統(tǒng)，如圖1），對基本的Nd：YAG激光器來說，典型的工作范圍為40×40平方毫米（ff-?=100?毫米）至180×180?平方毫米（ff-?=254?毫米；對于高級諧波激光器和二極管激光器，其工作范圍為40×40?平方毫米（ff-?=100?毫米）至120×120平方毫米（ff-?=163?毫米)，具體取決于平場透鏡的焦距。顯然，所需工作范圍越大，工作距離越長。如果在掃描振鏡前端的激光光路中，使用聚焦透鏡和可移動透鏡的組合來代替平場透鏡，工作范圍和工作距離還會進一步增加（三軸系統(tǒng)，如圖2）。該裝置可使工作范圍達到1200×1200平方毫米，工作距離達到1500毫米。
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在多種應用場合中，要求較高的定位速度。比如，當f-?透鏡焦距長度達163mm時，在120×120mm2的工作區(qū)域內(nèi)掃描速度可達10?m/s。簡單的幾何計算表明，振鏡鏡面較小的角度偏差可能導致激光光斑在工作平面上出現(xiàn)較大的錯位。因此，不管對振鏡驅(qū)動、鏡面，還是反射鏡安裝架來說，高級別的定位精度是必須的。同時，振鏡電機和驅(qū)動器電子器件會發(fā)熱，產(chǎn)生熱漂移，導致上述定位偏差的發(fā)生。熱增益漂移特征數(shù)值<30?rad/K，增益漂移特征數(shù)值<50?ppm/K（每軸）。因此，如果要求高精度和長期穩(wěn)定性，一種解決方案是選配帶水冷功能的掃描振鏡。其中最具代表性的例如為Superscan-II-LD，長期穩(wěn)定性可達到24小時<200?rad（未帶主動冷卻功能時為<300?rad）。此外，專門的集成自動校準功能的系統(tǒng)類型可將增益漂移降低至20?rad/K，位置漂移降低至5?ppm/K，8小時長期穩(wěn)定性<?20?rad。
新技術(shù)減少熱應力
打標應用中，掃描振鏡采用的反射鏡類型包含有石英基底材料，厚度在2.0和7.0?mm之間，這取決于反射鏡尺寸和角加速度。電解質(zhì)鍍膜在對應的波長范圍內(nèi)（例如，對于高功率半導體激光器和入射角兩側(cè)偏轉(zhuǎn)范圍超過±12?時，在780?nm和980?nm之間）提供足夠的反射率（>98.0%）。這種反射鏡通常能承受的功率密度達500?W/cm2，對于傳統(tǒng)的打標應用綽綽有余。掃描頭引入其他應用場合后帶來了其他挑戰(zhàn)，比如聚合物焊接。這些應用要求對工件溫度進行精確控制，通常通過高溫計進行非接觸式測量。對于這項技術(shù)，工件的熱輻射信號必須從激光光斑位置沿激光光路返回到傳感器中，比如，通過振鏡鏡片反射回。高溫測量典型波長范圍為1.7到2.2?m。由于該波長范圍內(nèi)的介電層對于激光輻射是可穿透的，因此在石英基底背面加上一層鋁鍍膜便可解決問題。這里應提醒讀者，如果要擴展波長范圍，則需要調(diào)整掃描光學系統(tǒng)。
更高功率的其他新應用，比如激光遠程焊接、遠程切割、或掃描熱處理，要求幾百瓦到甚至數(shù)千瓦的功率，這對振鏡掃描頭提出了新的挑戰(zhàn)。即使介質(zhì)反射鏡反射率很高（特別有鍍鋁層后），部分光線（<2%）仍可能透射并被反射鏡基底或周圍部件吸收。對于低功率激光器而言，這種情況很好處理。不過高功率激光器可能導致裝置內(nèi)部產(chǎn)生大量熱量，由此導致明顯的熱漂移和不合格的長期穩(wěn)定性波動。因此，掃描裝置水冷功能非常必要，但通常不足以解決問題。這是因為它無法避免石英反射鏡的熱載荷和其導致的影響，比如導致膠層形變甚至變軟或者由于轉(zhuǎn)子和軸承發(fā)熱導致振鏡驅(qū)動故障。因此，新的鏡面技術(shù)必不可少。
石英的一大缺點是它的熱導率很低，這導致它的冷卻性能很差。硅基材料，比如硅或碳化硅，可提供較高的熱導率。由于碳硅基材料強度更高，因此允許減小其厚度，盡管其密度較高，仍可減輕總體質(zhì)量。如果使用不透明基底，如Si或SiC，寬波段反射鍍鋁層可直接鍍在鍍電介質(zhì)膜和硅基材料之間介電層上。對反射鏡基底機械設計進行仔細的模型計算，可在穩(wěn)定性、重量、導熱性和轉(zhuǎn)動慣量方面獲得最優(yōu)化的設計。
對于系統(tǒng)設計，包括伺服電路板、振鏡電機和反射鏡，有幾項參數(shù)需要特別精確：
反射鏡重量；
反射鏡轉(zhuǎn)矩；
鏡面形變（機械彈簧）；
反射鏡和驅(qū)動電機之間連接部位形變；
反射鏡和驅(qū)動電機系統(tǒng)的響應頻率。
以硅為基底，可以減小反射鏡厚度（重量），同時形變、應力和較厚的石英基底反射鏡相同（見圖3）然而，由于該反射鏡系統(tǒng)重量，應力和形變?nèi)匀惠^大。硅基底仿真圖表明慣量和重量都降低15%，頻率幾乎保持不變。
不幸的是，此類改進明顯無法滿足市場對更高掃描速度以及更高功率密度、千瓦級高亮度激光器的要求。這些應用要求采用新材料和新設計，進一步降低基底熱應力。比硅或石英剛度更高的陶瓷材料、碳化硅材料成為更好的選擇。雖然如此，SiC反射鏡的設計遠比標準硅基或石英反射鏡更困難，因此反射鏡設計的整套方法都需要進行變更。有限元分析和蒙特卡羅分析是該設計中非常有用的工具。設計的主要目標是減少高頻和超低頻部分以及重量和慣性矩。為此我們設計了一套全新的反射鏡背部結(jié)構(gòu)，見圖4中的左圖。該反射鏡剛度遠高于硅反射鏡，由于基底更輕以及楊氏模量不同，應力也更容易處理。計算明確證明了反射鏡最大形變和應力得到了改進。
這種方法可獲得高精度和完美的機械性能（最小化共振響應效應）。反射鏡材料高導熱率可以實現(xiàn)溫度分布快速平衡，即使在高功率激光下吸收了大量激光能量。反射鏡背面加強筋為向周圍大氣傳遞熱量提供更大的表面以及更高效的輻射冷卻。反射鏡有非常均勻的溫度分布和比較緩和的溫度梯度。
替代材料：鈹
可惜，SiC非常難以操作。首先，由于材料很硬，因此非常難以加工。其次，和硅或石英基底鍍膜工藝不同，基底背面不可能鍍膜。而背面鍍層可幫助抵消由鍍層本身產(chǎn)生的機械應力（也就是說，熱膨脹系數(shù)不同）。該應力的結(jié)果通常是凹反射面，產(chǎn)生非期望的離焦效果。第三，要求的材料質(zhì)量和數(shù)量非常難以獲得，由于交付時間較長，使得物流較有風險。該問題可能導致研發(fā)時間過長，并且仍可能導致交付時間過長。因此，可替代材料的搜索仍在繼續(xù)。
有一種替代材料是鈹，可用作基底材料。該材料輕質(zhì)，可提供高導熱率。鈹?shù)墓砍渥?，交付時間合理，由于硬度較低，其加工難度比碳化硅低。然而，這種材料同樣有缺點。首先，該材料為劇毒。由于該材料已經(jīng)用于眾多產(chǎn)品中，比如衛(wèi)星或軍用飛行系統(tǒng)中，該問題可通過目前已經(jīng)成熟的商業(yè)化專門加工工藝解決。為避免皮膚和鈹接觸，整個表面都用鎳包裹。由于鈹晶粒尺寸太大，無法在630nm下拋光到小于λ/4的平面度，故鎳可用于拋光和鍍膜，該工藝的另一優(yōu)點是它提供了高表面質(zhì)量。
另外，基于模型計算優(yōu)化后的參數(shù)可確保最優(yōu)設計。由于較低密度和相對重量較高的楊氏模量值，鈹模型相對碳化硅模型的設計更為簡便。該材料的另一優(yōu)點是其吸附能力。對比碳化硅和鈹反射鏡，鈹模型比碳化硅少兩個臨界頻率。這將為伺服電路板和振鏡電機提供更為簡便的自動控制能力。結(jié)果是鈹反射鏡相對碳化硅反射鏡，重量減少35%，慣量減少35%。反射鏡設計，最大形變和最大應力如圖5所示。
除此之外，反射鏡安裝架和反射鏡模型的融合取得了較大進步，也就是說，無需膠合或裝夾，因此反射鏡和夾持器整體加工制作，直接固定在振鏡電機軸上。該結(jié)果是減少了質(zhì)量，改進了剛度并增加了熱傳導性能。此外，系統(tǒng)沒有膠層過熱和破壞的損壞風險。該設計使得反射鏡規(guī)格參數(shù)獲得極大改進。比如，相比安裝在典型掃描頭上的標準碳化硅反射鏡，最終速度可增加30%，并節(jié)省20%時間。用戶可通過增加速度，或憑借更大孔徑的掃描頭而獲取較高的動態(tài)性能，從改進中獲益?？稍谙嗤曇俺叽鐑?nèi)減少焦面直徑和工作距離，或者相同焦距尺寸下增加視野尺寸和工作距離。
鈹材料在多方面滿足市場需求，比如較短的新產(chǎn)品研發(fā)周期，以及反射鏡模型、反射鏡尺寸和應用需求能夠?qū)崿F(xiàn)精準匹配。為獲得最佳速度結(jié)果，反射鏡應分別設計以反射要求的光束角度和光束尺寸。
不同領域的應用
隨著新應用的興起，掃描頭制造商面臨著新的要求，比如計量學集成（高溫計、攝像機），以滿足如焊接和聚合物輪廓焊接應用要求。然而，如上所述，高功率和高亮度激光將給高精度掃描頭帶來很多其他要求，但它也打開了傳統(tǒng)打標應用以外的新市場。現(xiàn)在有許多應用都采用新技術(shù)，并且仍為私人專利。
盡管如此，甚至傳統(tǒng)激光加工，比如焊接、切割或表面處理現(xiàn)在都要求采用掃描振鏡。比如，采用高亮度激光器可高速切割薄金屬板，由于重量和慣性矩方面原因，其速度超過傳統(tǒng)定位系統(tǒng)的極限。因此，零件定位已經(jīng)被“無慣性”激光光束定位所取代。該加工工藝被稱為“遠程切割”。
對于焊接應用，著名的“遠程焊接”工藝可采用機器人定位和高速掃描頭結(jié)合方式進行修改（“3D掃描焊接”）。已經(jīng)證明該方法可將激光非工作時間幾乎減少至0（取決于焊縫位置和結(jié)構(gòu)）。當機器人沿著輪廓執(zhí)行平滑運動時，從一條焊縫到下一條的“跳動”偏差可通過掃描頭高精度高速掃描方式進行控制。該“掃描焊接”應用中，關鍵因素是軟件，它將位置和機器人速度以及掃描頭控制的光束定位結(jié)合起來。
由于大量在1微米波長范圍內(nèi)的高效率激光源（比如高功率半導體激光器）的出現(xiàn)，激光硬化工藝和激光熔覆現(xiàn)在已經(jīng)成為機床市場的標準工藝。熱量局部集中可避免零件變形和損壞，因此可極大地減少重復工作。雖然如此，激光表面硬化的挑戰(zhàn)是零件表面上的理想的溫度分布。通過特殊的光學系統(tǒng)可以實現(xiàn)，該光學系統(tǒng)對激光強度輪廓進行“剪裁”，但是這種方法非常復雜和刻板。一種更為靈活和合理的解決方案是將激光束快速掃描和激光輸出功率快速控制相結(jié)合。該類裝置與高溫計共同工作，可以實現(xiàn)幾乎任何類的溫度分布和均勻溫度控制。
從90年代中期以來，激光聚合物焊接已經(jīng)成為汽車零部件、機械裝置、電子零件和消費產(chǎn)品的標準工具。它最初以繞焊開始，激光在焊縫上慢速運動。但是后來逐步進化出多種不同方法，比如平縫焊接或同步焊接，已經(jīng)發(fā)展為今天的先進技術(shù)。同步加工的優(yōu)勢（比如軟化整個焊接結(jié)構(gòu)）是焊接路徑，也就是說待焊接零件的相對運動可作為過程控制參數(shù)。不幸的是，同步激光焊接要求激光熱源的幾何形狀和焊縫幾何形狀相同，這使得該技術(shù)非常復雜、昂貴和不靈活。一項聰明的解決方案是“半—同步”焊接，這種方式下激光光束在整條焊縫結(jié)構(gòu)上重復運動，光束以高速運動使得整條焊縫加熱至軟化點之上，從而實現(xiàn)同步焊接和焊點路徑控制。由于焊接輪廓可通過軟件方便地更改，因此該方法非常靈活。當然，該方法限制于平面結(jié)構(gòu)（或至少是近似平面），掃描區(qū)域尺寸在400×400mm內(nèi)，并且激光功率可匹配；此外，所要求的速度和激光功率能夠與焊縫長度成比例。除靈活性外，由于該裝置使用了掃描頭和上述提及的光學系統(tǒng)，它還允許在線過程控制。
結(jié)論
通過提升精度、速度和激光功率，掃描振鏡已經(jīng)成為激光加工中一項非常重要的工具。其市場已經(jīng)從傳統(tǒng)打標和快速成型的應用范圍擴展到多個領域的激光材料加工，包括切割、焊接、表面處理、聚合物焊接和其他應用。掃描振鏡技術(shù)與創(chuàng)新的機械電子設計理念，特別是用于鏡面技術(shù)的新材料和智能解決方案，已經(jīng)適應了新的市場要求。高亮度激光源為掃描振鏡開啟了光明的未來。
