激光束指向稳定性和自动对准在材料加工中的优势

在材料微加工中，激光覆盖越来越多的应用领域。这种定制的处理方法具有超高分辨率，可以轻松完成机械和光学组件的复杂制造。特别是，超高速激光材料的上限传热优势大大降低了机械应力和表面损伤。实际上，通过使用这种超短脉冲，我们可以对几乎所有材料执行简单的纹理处理。但是，只有当激光源和光路上的所有光机械组件没有任何漂移时，才能实现超高分辨率。通常情况下，避免漂移非常困难，甚至是不可能的。由于高能短脉冲激光器的内部结构非常复杂，因此对环境温度的变化非常敏感。即使对激光器进行预热，环境温度的微小变化也常常导致角度漂移，这是不容忽视的。另外，激光束必须相对于处理目标移动。通常，我们将设备设计为1轴，2轴或多轴龙门系统。光束不仅必须穿过这些连续振动和自由移动的轴，而且还必须均匀平行于每个运动轴。如果不这样做，聚焦透镜上的光束将随着龙门轴的移动而移动。反过来，这将导致聚焦位置错误和光斑质量下降（主要是由于镜头像差所致）。典型的对策是使用一些坚固，高精度的机械结构。通常，这些机械结构不仅昂贵而且笨重，并且需要长时间的手动调节。这种源自机械铣床的施工方法确实是一种有效的方法。与传统的机械铣头相比，激光束几乎没有质量。因此，即使平均功率为几千瓦的光束也可以使用小巧轻便的反射镜在Xamp和Y方向上动态移动位置和角度。 Aligna系统使用纳米分辨率的位置敏感检测器（PSD）以数十MHz的速度测量光束的位置和角度，并使用基于压电陶瓷的伺服反馈机制快速校正测量到的偏移。乍一看，这种主动稳定系统比被动机械稳定更为复杂。但请仔细考虑：被动稳定需要付出大量努力。必须避免或屏蔽由空间温度变化或大功率线性模块的散热引起的热漂移，并在可能的情况下通过机械结构进行补偿。高动态运动需要坚固耐用的龙门和机械基座（通常由混凝土或花岗岩制成），这又需要更多的电力，从而导致更多的散热，当然也需要更多的成本。无论采用哪种形式的快速测量和校正激光束位置，该设备都可以构造得更小，更轻，更简单，并且机械结构将更便宜。此时，由内部或外部散热的温度变化引起的热漂移变得无关紧要。为了描述Aligna系统为激光材料加工带来的巨大创新，工程师举了一个简单的例子：在日常生活的其他领域，例如CD或DVD播放器，亚微米范围内的主动指向稳定性是不言而喻的。即使它们在恶劣的环境下工作（例如在汽车或慢跑中），这种主动的稳定结构也只需花费几欧元。与之相比，激光材料加工的主动位置稳定应用仍处于早期阶段，类似于光存储介质占据大面积光学平台时。在反馈控制系统中，稳定角XY和位置XY的四个自由度都不容易，因为它们都是强耦合的。任何会移动镜框的千分尺螺钉（或执行器）都会影响角度和位置。严格区分X和Y也耦合。通过适当的正交化（通过使用4x4“，Cross-LinkMatrix”），可以完全独立地控制4个自由度，从而使反馈环路更快，更多。在工业环境中，光束指向稳定系统Aligna可以轻松学习ll自动相关参数。所有这些都是通过执行器的全自动扫描和4DPSD测量结果的拟合转换来完成的。因此，该系统可以安装在不同的光学设备上，而无需客户具有专业知识或手动调整。沿光路的所有扩束器，减束器，透镜或其他光学设备都不会干扰学习过程。该Aligna系统结合使用带宽为20KHz的高速，高精度压电陶瓷和大行程线性致动器来驱动两个或多个快速辐射框架。这种组合不仅克服了分辨率和行程之间的矛盾，而且与压电陶瓷摩擦传动相比，其幅值小，运动速度大，寿命无极限。这种更小，更轻的机械结构不仅可以提高指向的稳定性，还可以对整个光路进行完全自动的对准。借助于位于快速镜像旁边或后面的附加AIM检测器，系统可以连续扫描镜像直到找到第二个镜像，然后继续扫描第二个镜像直到找到第三个镜像，依此类推。 ，最后光束射到PSD4D检测器上。不仅需要专业技术人员戴上护目镜和十字准线进入机器，以进行长期且危险的手动光束对准，而且即使关闭机器，也可以执行此过程。另外，只要有必要，该自动对准过程就可以在任何时候进行，因此客户可以在任何时间快速更换反射镜甚至激光器，而不会影响光路对准。结论：在激光材料加工设备中，光束指向稳定系统采用更小，更轻，更快和更便宜的机械结构，可以主动补偿动态漂移，空气波动和动态变形。不仅如此，客户不需要长时间的手动调整，他们可以在几秒钟内更换光学组件甚至激光器。