激光掃描振鏡配合激光器傳統(tǒng)上主要應(yīng)用于打標(biāo)和快速成型等領(lǐng)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(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)擴(kuò)展到數(shù)千瓦特級(jí)。掃描裝置必需能夠勝任高功率范圍內(nèi)的應(yīng)用——同時(shí)不影響精度和速度！這對(duì)掃描振鏡制造商而言是一項(xiàng)富有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

掃描振鏡技術(shù) 

       一套基本的x-y掃描裝置看起來很簡(jiǎn)單：兩塊反射鏡，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可將入射激光束反射到特定區(qū)域（工作區(qū)域）的任何點(diǎn)。一組平場(chǎng)（f- ）透鏡確保焦點(diǎn)在工作區(qū)域平面內(nèi)（二軸系統(tǒng)，如圖1），對(duì)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(duì)于高級(jí)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(chǎng)透鏡的焦距。顯然，所需工作范圍越大，工作距離越長(zhǎng)。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(dòng)透鏡的組合來代替平場(chǎng)透鏡，工作范圍和工作距離還會(huì)進(jìn)一步增加（三軸系統(tǒng)，如圖2）。該裝置可使工作范圍達(dá)到1200×1200平方毫米，工作距離達(dá)到1500毫米。

       在多種應(yīng)用場(chǎng)合中，要求較高的定位速度。比如，當(dāng)f-theta透鏡焦距長(zhǎng)度達(dá)163mm時(shí)，在120×120mm2的工作區(qū)域內(nèi)掃描速度可達(dá)10 m/s。簡(jiǎn)單的幾何計(jì)算表明，振鏡鏡面較小的角度偏差可能導(dǎo)致激光光斑在工作平面上出現(xiàn)較大的錯(cuò)位。因此，不管對(duì)振鏡驅(qū)動(dòng)、鏡面，還是反射鏡安裝架來說，高級(jí)別的定位精度是必須的。同時(shí)，振鏡電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器電子器件會(huì)發(fā)熱，產(chǎn)生熱漂移，導(dǎo)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(zhǎng)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(zhǎng)期穩(wěn)定性可達(dá)到24小時(shí)<200 rad（未帶主動(dòng)冷卻功能時(shí)為<300 rad）。此外，專門的集成自動(dòng)校準(zhǔn)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(shí)長(zhǎng)期穩(wěn)定性< 20 rad。 

新技術(shù)減少熱應(yīng)力 

       打標(biāo)應(yīng)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(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)范圍內(nèi)（例如，對(duì)于高功率半導(dǎo)體激光器和入射角兩側(cè)偏轉(zhuǎn)范圍超過±12 時(shí)，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(dá)500 W/cm2，對(duì)于傳統(tǒng)的打標(biāo)應(yīng)用綽綽有余。掃描頭引入其他應(yīng)用場(chǎng)合后帶來了其他挑戰(zhàn)，比如聚合物焊接。這些應(yīng)用要求對(duì)工件溫度進(jìn)行精確控制，通常通過高溫計(jì)進(jìn)行非接觸式測(cè)量。對(duì)于這項(xiàng)技術(shù)，工件的熱輻射信號(hào)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(cè)量典型波長(zhǎng)范圍為1.7到2.2 m。由于該波長(zhǎng)范圍內(nèi)的介電層對(duì)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(yīng)提醒讀者，如果要擴(kuò)展波長(zhǎng)范圍，則需要調(diào)整掃描光學(xué)系統(tǒng)。 

        更高功率的其他新應(yīng)用，比如激光遠(yuǎn)程焊接、遠(yuǎn)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(duì)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(duì)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(dǎo)致裝置內(nèi)部產(chǎn)生大量熱量，由此導(dǎo)致明顯的熱漂移和不合格的長(zhǎng)期穩(wěn)定性波動(dòng)。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?yàn)樗鼰o法避免石英反射鏡的熱載荷和其導(dǎo)致的影響，比如導(dǎo)致膠層形變甚至變軟或者由于轉(zhuǎn)子和軸承發(fā)熱導(dǎo)致振鏡驅(qū)動(dòng)故障。因此，新的鏡面技術(shù)必不可少。 

       石英的一大缺點(diǎn)是它的熱導(dǎo)率很低，這導(dǎo)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(dǎo)率。由于碳硅基材料強(qiáng)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?cè)阱冸娊橘|(zhì)膜和硅基材料之間介電層上。對(duì)反射鏡基底機(jī)械設(shè)計(jì)進(jìn)行仔細(xì)的模型計(jì)算，可在穩(wěn)定性、重量、導(dǎo)熱性和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量方面獲得最優(yōu)化的設(shè)計(jì)。 

對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括伺服電路板、振鏡電機(jī)和反射鏡，有幾項(xiàng)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(jī)械彈簧）； 
● 反射鏡和驅(qū)動(dòng)電機(jī)之間連接部位形變； 
● 反射鏡和驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的響應(yīng)頻率。 

       以硅為基底，可以減小反射鏡厚度（重量），同時(shí)形變、應(yīng)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(yīng)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(jìn)明顯無法滿足市場(chǎng)對(duì)更高掃描速度以及更高功率密度、千瓦級(jí)高亮度激光器的要求。這些應(yīng)用要求采用新材料和新設(shè)計(jì)，進(jìn)一步降低基底熱應(yīng)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(shè)計(jì)遠(yuǎn)比標(biāo)準(zhǔn)硅基或石英反射鏡更困難，因此反射鏡設(shè)計(jì)的整套方法都需要進(jìn)行變更。有限元分析和蒙特卡羅分析是該設(shè)計(jì)中非常有用的工具。設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是減少高頻和超低頻部分以及重量和慣性矩。為此我們?cè)O(shè)計(jì)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(yuǎn)高于硅反射鏡，由于基底更輕以及楊氏模量不同，應(yīng)力也更容易處理。計(jì)算明確證明了反射鏡最大形變和應(yīng)力得到了改進(jìn)。

       這種方法可獲得高精度和完美的機(jī)械性能（最小化共振響應(yīng)效應(yīng)）。反射鏡材料高導(dǎo)熱率可以實(shí)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(qiáng)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(jī)械應(yīng)力（也就是說，熱膨脹系數(shù)不同）。該應(yīng)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(shí)間較長(zhǎng)，使得物流較有風(fēng)險(xiǎn)。該問題可能導(dǎo)致研發(fā)時(shí)間過長(zhǎng)，并且仍可能導(dǎo)致交付時(shí)間過長(zhǎng)。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(dǎo)熱率。鈹?shù)墓?yīng)量充足，交付時(shí)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(diǎn)。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(gè)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(diǎn)是它提供了高表面質(zhì)量。 

       另外，基于模型計(jì)算優(yōu)化后的參數(shù)可確保最優(yōu)設(shè)計(jì)。由于較低密度和相對(duì)重量較高的楊氏模量值，鈹模型相對(duì)碳化硅模型的設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)便。該材料的另一優(yōu)點(diǎn)是其吸附能力。對(duì)比碳化硅和鈹反射鏡，鈹模型比碳化硅少兩個(gè)臨界頻率。這將為伺服電路板和振鏡電機(jī)提供更為簡(jiǎn)便的自動(dòng)控制能力。結(jié)果是鈹反射鏡相對(duì)碳化硅反射鏡，重量減少35%，慣量減少35%。反射鏡設(shè)計(jì)，最大形變和最大應(yīng)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(jìn)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(jī)軸上。該結(jié)果是減少了質(zhì)量，改進(jìn)了剛度并增加了熱傳導(dǎo)性能。此外，系統(tǒng)沒有膠層過熱和破壞的損壞風(fēng)險(xiǎn)。該設(shè)計(jì)使得反射鏡規(guī)格參數(shù)獲得極大改進(jìn)。比如，相比安裝在典型掃描頭上的標(biāo)準(zhǔn)碳化硅反射鏡，最終速度可增加30%，并節(jié)省20%時(shí)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(dòng)態(tài)性能，從改進(jìn)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(chǎng)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(yīng)用需求能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)匹配。為獲得最佳速度結(jié)果，反射鏡應(yīng)分別設(shè)計(jì)以反射要求的光束角度和光束尺寸。 

不同領(lǐng)域的應(yīng)用 

       隨著新應(yīng)用的興起，掃描頭制造商面臨著新的要求，比如計(jì)量學(xué)集成（高溫計(jì)、攝像機(jī)），以滿足如焊接和聚合物輪廓焊接應(yīng)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(biāo)應(yīng)用以外的新市場(chǎng)。現(xiàn)在有許多應(yīng)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(yuǎn)程切割”。 

        對(duì)于焊接應(yīng)用，著名的“遠(yuǎn)程焊接”工藝可采用機(jī)器人定位和高速掃描頭結(jié)合方式進(jìn)行修改（“3D掃描焊接”）。已經(jīng)證明該方法可將激光非工作時(shí)間幾乎減少至0（取決于焊縫位置和結(jié)構(gòu)）。當(dāng)機(jī)器人沿著輪廓執(zhí)行平滑運(yùn)動(dòng)時(shí)，從一條焊縫到下一條的“跳動(dòng)”偏差可通過掃描頭高精度高速掃描方式進(jìn)行控制。該“掃描焊接”應(yīng)用中，關(guān)鍵因素是軟件，它將位置和機(jī)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(zhǎng)范圍內(nèi)的高效率激光源（比如高功率半導(dǎo)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(jī)床市場(chǎng)的標(biāo)準(zhǔn)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(fù)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(xué)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)，該光學(xué)系統(tǒng)對(duì)激光強(qiáng)度輪廓進(jìn)行“剪裁”，但是這種方法非常復(fù)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(jì)共同工作，可以實(shí)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(jī)械裝置、電子零件和消費(fèi)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)工具。它最初以繞焊開始，激光在焊縫上慢速運(yùn)動(dòng)。但是后來逐步進(jìn)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(jìn)技術(shù)。同步加工的優(yōu)勢(shì)（比如軟化整個(gè)焊接結(jié)構(gòu)）是焊接路徑，也就是說待焊接零件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(fù)雜、昂貴和不靈活。一項(xiàng)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(fù)運(yùn)動(dòng)，光束以高速運(yùn)動(dòng)使得整條焊縫加熱至軟化點(diǎn)之上，從而實(shí)現(xiàn)同步焊接和焊點(diǎn)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(dāng)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(zhǎng)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(xué)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(xiàng)非常重要的工具。其市場(chǎng)已經(jīng)從傳統(tǒng)打標(biāo)和快速成型的應(yīng)用范圍擴(kuò)展到多個(gè)領(lǐng)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(yīng)用。掃描振鏡技術(shù)與創(chuàng)新的機(jī)械電子設(shè)計(jì)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(yīng)了新的市場(chǎng)要求。高亮度激光源為掃描振鏡開啟了光明的未來。