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(xué)機(jī)械元件都沒有任何漂移時(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)。這反過來會(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），這反過來又需要更多的電力，從而導(dǎo)致更多的散熱，當(dāng)然也會(huì)增加更多的成本。
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