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摘要

復雜的光束對準和高指向穩(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)，它們對設(shè)備機械元件的設(shè)計和處理提出了更高的技術(shù)要求。使用簡單機械結(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(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(xiàn)出的材料上最低限度熱傳遞的優(yōu)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(gòu)。

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(xiàn)。通常情況下，避免漂移是極其困難的，甚至不可能實現(xiàn)。因為高能短脈沖激光器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常復雜，其對環(huán)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(huán)境溫度的輕微變化也常常導致出射光束產(chǎn)生不容忽略的角度漂移。

此外，激光光束必須相對于加工目標進行精確移動。通常我們將設(shè)備設(shè)計成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(zhì)量退化 (主要歸結(jié)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(jié)構(gòu)，通常這些機械結(jié)構(gòu)不僅昂貴而且非常沉重，并且需要進行曠日持久的人工調(diào)節(jié)。這種發(fā)源于機械銑床的構(gòu)建方式確實是行之有效的方法。

與傳統(tǒng)的機械銑削頭相比，激光束的最大特點是幾乎沒有質(zhì)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(zhì)的反射鏡進行X&Y方向的位置和角度的高動態(tài)移動。上海昊量光電提供的Aligna系統(tǒng)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(gòu)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(wěn)定系統(tǒng)比被動的機械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定顯得更加復雜。不過再仔細想想：被動穩(wěn)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(chǎn)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(jié)構(gòu)進行補償。高動態(tài)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。

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[論文]激光材料加工中的光束指向穩(wěn)定和自動對準