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激光器振镜技术是关键

2013-05-05 00:03
瑾年Invader
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  扫描振镜配合激光器传统上主要应用于打标和快速成型等领域。此类系统可提供高质量的光束,但是激光功率仅局限在百瓦范围内。如今,随着诸如光纤激光器碟片激光器等高亮度激光器的出现,甚至一些亮度较低的高功率二极管激光器的使用,扫描振镜的应用领域已经扩展到数千瓦特级。扫描装置必需能够胜任高功率范围内的应用——同时不影响精度和速度!这对扫描振镜制造商而言是一项富有挑战性的任务。

  扫描振镜技术

  一套基本的x-y扫描装置看起来很简单:两块反射镜,由电机驱动,可将入射激光束反射到特定区域(工作区域)的任何点。一组平场(f- )透镜确保焦点在工作区域平面内(二轴系统,如图1),对基本的Nd:YAG激光器来说,典型的工作范围为40×40平方毫米(ff- =100 毫米)至180×180 平方毫米(ff- =254 毫米;对于高级谐波激光器和二极管激光器,其工作范围为40×40 平方毫米(ff- =100 毫米)至120×120平方毫米(ff- =163 毫米),具体取决于平场透镜的焦距。显然,所需工作范围越大,工作距离越长。如果在扫描振镜前端的激光光路中,使用聚焦透镜和可移动透镜的组合来代替平场透镜,工作范围和工作距离还会进一步增加(三轴系统,如图2)。该装置可使工作范围达到1200×1200平方毫米,工作距离达到1500毫米。

  在多种应用场合中,要求较高的定位速度。比如,当f- 透镜焦距长度达163mm时,在120×120mm2的工作区域内扫描速度可达10 m/s。简单的几何计算表明,振镜镜面较小的角度偏差可能导致激光光斑在工作平面上出现较大的错位。因此,不管对振镜驱动、镜面,还是反射镜安装架来说,高级别的定位精度是必须的。同时,振镜电机和驱动器电子器件会发热,产生热漂移,导致上述定位偏差的发生。热增益漂移特征数值<30 rad/K,增益漂移特征数值<50 ppm/K(每轴)。因此,如果要求高精度和长期稳定性,一种解决方案是选配带水冷功能的扫描振镜。其中最具代表性的例如为Superscan-II-LD,长期稳定性可达到24小时<200 rad(未带主动冷却功能时为<300 rad)。此外,专门的集成自动校准功能的系统类型可将增益漂移降低至20 rad/K,位置漂移降低至5 ppm/K,8小时长期稳定性< 20 rad。

  新技术减少热应力

  打标应用中,扫描振镜采用的反射镜类型包含有石英基底材料,厚度在2.0和7.0 mm之间,这取决于反射镜尺寸和角加速度。电解质镀膜在对应的波长范围内(例如,对于高功率半导体激光器和入射角两侧偏转范围超过±12 时,在780 nm和980 nm之间)提供足够的反射率(>98.0%)。这种反射镜通常能承受的功率密度达500 W/cm2,对于传统的打标应用绰绰有余。扫描头引入其他应用场合后带来了其他挑战,比如聚合物焊接。这些应用要求对工件温度进行精确控制,通常通过高温计进行非接触式测量。对于这项技术,工件的热辐射信号必须从激光光斑位置沿激光光路返回到传感器中,比如,通过振镜镜片反射回。高温测量典型波长范围为1.7到2.2 m。由于该波长范围内的介电层对于激光辐射是可穿透的,因此在石英基底背面加上一层铝镀膜便可解决问题。这里应提醒读者,如果要扩展波长范围,则需要调整扫描光学系统。

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