[论文]激光材料加工中的光束指向稳定和自动对准_学术论文_激光资料

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。

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