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激光掃描振鏡新技術探索

2014-10-28 03:23:14人瀏覽

掃描振鏡技術


一套基本的x-y掃描裝置看起來很簡單:兩塊反射鏡,由電機驅動,可將入射激光束反射到特定區域(工作區域)的任何點。一組平場(f-  )透鏡確保焦點在工作區域平面內(二軸系統,如圖1),對基本的Nd:YAG激光器來說彩99彩票平台登录,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;對于高級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),具體取決于平場透鏡的焦距。顯然,所需工作范圍越大,工作距離越長。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透鏡的組合來代替平場透鏡,工作范圍和工作距離還會進一步增加(三軸系統彩99彩票平台登录,如圖2)。該裝置可使工作范圍達到1200×1200平方毫米,工作距離達到1500毫米。
  在多種應用場合中,要求較高的定位速度彩99彩票平台登录。比如,當f-  透鏡焦距長度達163mm時,在120&times;120mm2的工作區域內掃描速度可達10 m/s。簡單的幾何計算表明,振鏡鏡面較小的角度偏差可能導致激光光斑在工作平面上出現較大的錯位。因此彩99彩票平台登录,不管對振鏡驅動、鏡面,還是反射鏡安裝架來說,高級別的定位精度是必須的。同時,振鏡電機和驅動器電子器件會發熱,產生熱漂移彩99彩票平台登录,導致上述定位偏差的發生。熱增益漂移特征數值<30 rad/K,增益漂移特征數值<50 ppm/K(每軸)。因此,如果要求高精度和長期穩定性,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,長期穩定性可達到24小時<200 rad(未帶主動冷卻功能時為<300 rad)。此外,專門的集成自動校準功能的系統類型可將增益漂移降低至20 rad/K彩99彩票平台登录,位置漂移降低至5 ppm/K,8小時長期穩定性< 20 rad。


新技術減少熱應力


打標應用中,掃描振鏡采用的反射鏡類型包含有石英基底材料彩99彩票平台登录,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。電解質鍍膜在對應的波長范圍內(例如,對于高功率半導體激光器和入射角兩側偏轉范圍超過&plusmn;12  時,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500 W/cm2,對于傳統的打標應用綽綽有余。掃描頭引入其他應用場合后帶來了其他挑戰,比如聚合物焊接。這些應用要求對工件溫度進行精確控制,通常通過高溫計進行非接觸式測量。對于這項技術,工件的熱輻射信號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。高溫測量典型波長范圍為1.7到2.2 m。由于該波長范圍內的介電層對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彩99彩票平台登录。這里應提醒讀者彩99彩票平台登录,如果要擴展波長范圍彩99彩票平台登录,則需要調整掃描光學系統。


更高功率的其他新應用彩99彩票平台登录,比如激光遠程焊接彩99彩票平台登录、遠程切割彩99彩票平台登录、或掃描熱處理,要求幾百瓦到甚至數千瓦的功率彩99彩票平台登录,這對振鏡掃描頭提出了新的挑戰。即使介質反射鏡反射率很高(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。對于低功率激光器而言彩99彩票平台登录,這種情況很好處理。不過高功率激光器可能導致裝置內部產生大量熱量,由此導致明顯的熱漂移和不合格的長期穩定性波動。因此,掃描裝置水冷功能非常必要,但通常不足以解決問題。這是因為它無法避免石英反射鏡的熱載荷和其導致的影響彩99彩票平台登录,比如導致膠層形變甚至變軟或者由于轉子和軸承發熱導致振鏡驅動故障。因此,新的鏡面技術必不可少。


石英的一大缺點是它的熱導率很低,這導致它的冷卻性能很差。硅基材料,比如硅或碳化硅,可提供較高的熱導率。由于碳硅基材料強度更高,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在鍍電介質膜和硅基材料之間介電層上。對反射鏡基底機械設計進行仔細的模型計算,可在穩定性彩99彩票平台登录、重量彩99彩票平台登录、導熱性和轉動慣量方面獲得最優化的設計。


對于系統設計彩99彩票平台登录,包括伺服電路板、振鏡電機和反射鏡,有幾項參數需要特別精確:


  ● 反射鏡重量;
  ● 反射鏡轉矩;
  ● 鏡面形變(機械彈簧);
  ● 反射鏡和驅動電機之間連接部位形變彩99彩票平台登录;
  ● 反射鏡和驅動電機系統的響應頻率。


以硅為基底,可以減小反射鏡厚度(重量),同時形變、應力和較厚的石英基底反射鏡相同(見圖3)然而彩99彩票平台登录,由于該反射鏡系統重量彩99彩票平台登录彩99彩票平台登录,應力和形變仍然較大。硅基底仿真圖表明慣量和重量都降低15%,頻率幾乎保持不變彩99彩票平台登录?! 〔恍业氖?,此類改進明顯無法滿足市場對更高掃描速度以及更高功率密度、千瓦級高亮度激光器的要求。這些應用要求采用新材料和新設計彩99彩票平台登录,進一步降低基底熱應力。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反射鏡的設計遠比標準硅基或石英反射鏡更困難,因此反射鏡設計的整套方法都需要進行變更。有限元分析和蒙特卡羅分析是該設計中非常有用的工具。設計的主要目標是減少高頻和超低頻部分以及重量和慣性矩。為此我們設計了一套全新的反射鏡背部結構,見圖4中的左圖。該反射鏡剛度遠高于硅反射鏡,由于基底更輕以及楊氏模量不同,應力也更容易處理彩99彩票平台登录。計算明確證明了反射鏡最大形變和應力得到了改進。

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