掃描振鏡配合激光器傳統上主要應用於打標和快速成型等領域。此類係統可提供高質量的光束，但是激光（guāng）功率僅局限在百瓦範圍內。如今，隨著諸如光纖激光器、碟片（piàn）激光器等高亮度激光器的出現，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（de）應用領（lǐng）域（yù）已（yǐ）經擴展（zhǎn）到數（shù）千瓦特級。掃描裝置必需能夠勝任高功率範圍內的應用——同時不影響精度和速度！這對掃描振鏡製造商而言是一項富（fù）有挑戰性的任（rèn）務。
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（fǎn）射鏡，由電機驅動，可將入射激（jī）光（guāng）束反射（shè）到（dào）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麵內（二（èr）軸係統，如圖1），對基本的Nd：YAG激光器來說，典型的工作（zuò）範圍為40×40平方毫（háo）米（ff- =100 毫米）至180×180 平方毫米（ff- =254 毫米；對於高級諧波激光器和二極管激光器，其工作範（fàn）圍為40×40 平（píng）方（fāng）毫米（ff- =100 毫（háo）米（mǐ））至120×120平方毫米（ff- =163 毫米)，具（jù）體取決於平場透（tòu）鏡的焦距。顯（xiǎn）然，所需工（gōng）作範圍越大，工作距離（lí）越長。如果在掃描振鏡前端的激光光路中，使用聚（jù）焦透（tòu）鏡和可移動透鏡的組合來代替平（píng）場透鏡，工（gōng）作範圍和工作距離還會進一步增加（三軸係（xì）統，如圖2）。該裝置可使工作範圍達到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（de）定位速（sù）度。比如（rú），當f- 透鏡焦距長（zhǎng）度達163mm時，在120×120mm2的工作區域內掃描速度可達10 m/s。簡單的（de）幾何計算表（biǎo）明，振鏡鏡麵較小的角度偏差可能導致激光光斑（bān）在工作平麵上出現較大的錯位。因此，不管對振鏡（jìng）驅動、鏡麵，還是反射鏡安裝架來說，高（gāo）級別的定位精度是必須的。同（tóng）時，振鏡電機和驅動器電（diàn）子器件會（huì）發熱，產生熱漂（piāo）移，導致上述定位偏差的發（fā）生。熱增益漂移特征數值<30 rad/K，增益漂移（yí）特征數值（zhí）<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（gōng）能的掃（sǎo）描振鏡。其中最具（jù）代表（biǎo）性的例如為Superscan-II-LD，長期穩定性可達到24小時<200 rad（未帶（dài）主動冷卻功能時為（wéi）<300 rad）。此（cǐ）外，專門的集成自動校準功能的係統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小時長期穩定性< 20 rad。
新技術減少熱應力
打標（biāo）應用中，掃描振（zhèn）鏡采用的反（fǎn）射鏡類型包含有石英基底材料，厚度在2.0和7.0 mm之間，這取決於反射鏡尺寸和角加速度。電解質鍍膜在對應的波長範圍內（例（lì）如，對於高功率半導體激光器和入射角兩側偏轉範（fàn）圍超過±12 時，在780 nm和980 nm之間（jiān））提供足夠的反射率（>98.0%）。這種反射鏡通常能承受（shòu）的功率密度達500 W/cm2，對於傳統的打標應用（yòng）綽綽有餘。掃描頭引入其他（tā）應用場合後帶來了其他挑戰，比如聚合物（wù）焊接。這些應用要求（qiú）對工件溫度進行精確控製，通常通過高（gāo）溫計進行非接觸式（shì）測（cè）量。對於這項技術，工件的（de）熱輻射信號必（bì）須從激光光斑位置沿激光光（guāng）路返回到傳感器中，比（bǐ）如，通過振鏡鏡片反射回。高溫測（cè）量典型（xíng）波（bō）長範圍為1.7到2.2 m。由（yóu）於該波長範圍內（nèi）的介電層對於激光輻射是（shì）可穿透的，因此在石英基底背麵加上一層鋁鍍膜便可（kě）解決問題。這裏應提醒讀者，如果要擴展波長範圍，則（zé）需要調整掃描光學係統。
更高功率的其他新應用，比如激光遠程焊接、遠（yuǎn）程切割、或掃描熱處理，要求幾百瓦到甚至數千瓦的功率，這對振鏡掃描頭提出（chū）了新的挑戰（zhàn）。即使介質反射鏡反射率很高（特別有鍍鋁層後），部分光線（<2%）仍可能透射（shè）並（bìng）被反射鏡基底或周圍（wéi）部件吸收。對於（yú）低功率（lǜ）激光器而言，這種情況很（hěn）好處理。不過高功率激光器可能導致（zhì）裝置內部（bù）產生（shēng）大量熱量（liàng），由此導致明顯的熱（rè）漂移和不合格的長期（qī）穩定性波動。因此，掃描（miáo）裝（zhuāng）置水冷功能非常必要，但通常不足以解決問（wèn）題。這是因（yīn）為它無法避免（miǎn）石英反射鏡的熱載荷和其導致的影響，比如（rú）導致膠層形（xíng）變甚至變軟或（huò）者（zhě）由於轉子和軸承發熱導致振鏡驅動（dòng）故障。因此，新的鏡麵技術必不可少。
石英的一大缺點是它的熱導率很低，這（zhè）導致它的冷卻性能很差。矽基材料，比如矽或碳化矽，可提供（gòng）較高的熱導率。由（yóu）於碳矽基材料強度更高，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（dǐ），如Si或SiC，寬波（bō）段反射鍍（dù）鋁（lǚ）層可直接鍍（dù）在鍍電（diàn）介質膜和矽基材（cái）料之間介電層上。對反射鏡基底機械（xiè）設計進行仔細的模型計算，可在穩定性、重量、導熱性（xìng）和轉動慣量方麵獲得最優（yōu）化的（de）設計。
對（duì）於係統設計（jì），包括伺服電路板、振鏡電機和反射鏡，有幾項參數需要（yào）特別（bié）精確：
反射鏡（jìng）重（chóng）量；
反射鏡轉矩；
鏡麵形變（機械彈簧）；
反射鏡和驅動電機之間連接部（bù）位形變；
反射鏡和驅動電機（jī）係統的響應（yīng）頻率（lǜ）。
以矽為基底，可以減（jiǎn）小反射鏡厚度（重（chóng）量），同時形變、應力和較厚（hòu）的石英基底反（fǎn）射鏡相同（tóng）（見圖3）然而，由於該反射鏡係統重量，應（yīng）力和形變仍然較大。矽基底仿真（zhēn）圖表明慣量和重量都降低15%，頻率（lǜ）幾（jǐ）乎保持不變。
不幸的是，此類改進明顯無法滿足（zú）市場對更高掃描速度以及（jí）更高功率密度、千瓦級高亮度激光（guāng）器的要求（qiú）。這些應用要求采用新材料和新（xīn）設計，進一步降低基底熱應力。比矽或（huò）石英剛度更（gèng）高的陶瓷材料、碳化矽材料成為更好的選（xuǎn）擇。雖然如此，SiC反射鏡的（de）設計遠比標準矽（guī）基或石英反射鏡更困難，因此反射鏡設計的整（zhěng）套方法都（dōu）需要進行變更。有限元分析和蒙特卡羅（luó）分析是該設計中非常有（yǒu）用的工具。設計的主要目標是減少（shǎo）高頻和超低頻部分以及重量和慣性矩。為此我（wǒ）們設（shè）計了一套全新的反射鏡背部結構，見圖4中的左圖。該反射（shè）鏡剛度遠高於矽反射鏡，由於基底更輕以及楊氏（shì）模量不同，應力也更容易處理。計算明確證明了反射鏡最大形變和應力得到了改（gǎi）進。
這（zhè）種方法（fǎ）可獲得高精度和完美的機械性能（最小化共振響（xiǎng）應效應）。反射鏡材（cái）料（liào）高導熱率可以實現溫度分布快速平衡，即使在（zài）高功率激光下吸收了（le）大量激光（guāng）能量。反射鏡背麵加強（qiáng）筋為向周圍（wéi）大氣傳遞熱量提供更大的表麵以（yǐ）及更高效的輻射（shè）冷卻。反射鏡有非常均（jun1）勻的溫（wēn）度分布和比較緩和的溫度梯度。
替代材料：鈹
可惜，SiC非（fēi）常難（nán）以操作。首先，由於材料很硬，因此非常難以加工。其次，和矽或石英基底鍍膜工藝不同，基底背麵不可能鍍膜。而背麵鍍層可幫（bāng）助（zhù）抵消由鍍層本（běn）身產生（shēng）的機械應力（也就是說，熱膨脹（zhàng）係（xì）數不同）。該應力的結果通常（cháng）是（shì）凹反射（shè）麵，產生非期望的離焦效果。第三，要求的材料質量和數量非常難以獲得，由於交付時間較（jiào）長，使得物流較有風險。該問題可能導致研發時間過長（zhǎng），並且仍可能導致交付時間過長。因此，可替代材料的搜索仍在繼續。
有一種替代（dài）材料是鈹，可用作基底材（cái）料。該（gāi）材料輕質（zhì），可提供高導熱率。鈹的供應量充足，交付時間合理，由於硬度較低，其加工難度比碳化矽低。然而，這種材料同樣有缺點。首先，該材料為劇毒。由於該材料已經用於眾多產品中，比如衛星（xīng）或軍（jun1）用飛行係統中，該問題可（kě）通過目前已經成熟的商業化專門加工（gōng）工藝解決。為（wéi）避免皮膚和鈹（pí）接觸，整個表麵都用鎳包裹（guǒ）。由於鈹（pí）晶粒尺寸太大，無法在630nm下拋光到小於λ/4的平（píng）麵度，故鎳可用於拋光和鍍膜，該（gāi）工藝的另一優（yōu）點是它提供了高表麵質量。
另外，基於模型計算（suàn）優化後的參數可確保最優設計。由於較低密（mì）度（dù）和相對重量較高的楊氏模量值，鈹模型相對碳（tàn）化矽模型的設計更為簡（jiǎn）便。該（gāi）材料的另（lìng）一優點是其吸附能力。對（duì）比碳（tàn）化矽和鈹反（fǎn）射鏡，鈹（pí）模型（xíng）比碳化矽少兩個臨界（jiè）頻率。這（zhè）將為伺服電路（lù）板和振鏡（jìng）電機（jī）提供更（gèng）為簡便的自動控製能力。結果（guǒ）是鈹反射鏡相對碳化矽反射鏡，重量減少35%，慣量減（jiǎn）少35%。反射鏡設計，最大形變和（hé）最大（dà）應（yīng）力如圖5所（suǒ）示。
除此之外，反射（shè）鏡安（ān）裝架和反射鏡模型的融合取得了較大進步，也就是說，無需膠（jiāo）合或裝夾，因此反射鏡和夾持器整（zhěng）體加工製作，直接固定在振鏡電機軸上。該結果是減少（shǎo）了質（zhì）量，改進了剛（gāng）度並增加了熱傳（chuán）導（dǎo）性能（néng）。此外，係統沒有膠層過熱（rè）和破壞的損壞風險。該設計使得反射鏡規格參數獲得極大改進。比如，相比安（ān）裝在典型掃描頭上的（de）標準碳化矽反射鏡（jìng），最終速度可增加30%，並節省20%時間。用戶可（kě）通過增加速度，或憑借更大孔徑的掃描頭而獲取較高（gāo）的動（dòng）態性能，從改進中獲益。可在相同視野尺寸內（nèi）減少焦麵直徑和工作距離，或者相同焦距尺寸下增加視野尺寸和工作距離。
鈹材料在多方麵滿足市場需求，比如較短的新（xīn）產品研發周期，以及反射鏡模型、反射鏡尺寸和應用（yòng）需求（qiú）能夠實現精準匹配。為（wéi）獲得最佳速度結果，反射鏡應分別設計（jì）以反射（shè）要求的光束角度和光束尺寸。
不同領域的應用
隨著新應用的興（xìng）起，掃描頭（tóu）製造商麵臨著新（xīn）的（de）要求，比如計量學（xué）集成（高溫計、攝像機（jī）），以滿足如焊接和聚合物輪廓焊接應用要求。然（rán）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，但它也打開了傳統打標應用以外的新（xīn）市場。現在有（yǒu）許多應用都采用新技術，並且仍為私人（rén）專利。
盡（jìn）管如此，甚至傳統激光加工，比如焊接、切割或表麵（miàn）處理現（xiàn）在都要（yào）求采用掃描振鏡（jìng）。比如，采用高亮度激（jī）光器可高速切割薄金屬板，由於重（chóng）量和慣性矩（jǔ）方麵原因，其速度超過傳統定位係統的極限。因此，零件（jiàn）定位已經被“無慣性”激光光束（shù）定位所取（qǔ）代（dài）。該加工工藝被稱為“遠程切割”。
對於焊接（jiē）應用，著名的（de）“遠程焊接”工藝可采用（yòng）機器人定位和高速掃描頭結合方式進行修改（“3D掃描焊接”）。已經（jīng）證明該方法可（kě）將激光非工作時間幾乎減少至0（取決於焊縫位置和結構）。當機器人（rén）沿著輪廓執行平滑運動時，從一（yī）條焊縫到下一條的“跳動（dòng）”偏差（chà）可通（tōng）過掃（sǎo）描頭高精度高速掃描方式（shì）進（jìn）行控製。該“掃描（miáo）焊接”應用中，關鍵因素是軟件，它將（jiāng）位置和機器人速（sù）度以及掃描頭控製的光束定位結合起來。
由於大量（liàng）在1微米波長範圍內的高效率激光源（比如高功率半導（dǎo）體激光器（qì））的（de）出現，激光硬化工藝和激光熔覆（fù）現在已經成為機床市場的標準（zhǔn）工（gōng）藝。熱量局部集中可（kě）避免零件變（biàn）形和損壞，因此可極大地減少（shǎo）重複工（gōng）作。雖然如此，激光表麵硬化的（de）挑戰是（shì）零件表麵上的理（lǐ）想的溫度分布。通過特殊的光學係統可以實現，該光學係統對激光強度輪廓進行“剪裁”，但是這（zhè）種方法（fǎ）非常複雜和刻板。一種更為靈活和合理的解決方案是（shì）將激光束快速掃描和激光輸出功率快速控製相結合。該類裝置與高溫計（jì）共同工作，可以實現（xiàn）幾乎任何類的（de）溫度分布和均勻溫度控製。
從90年代中期以來，激光聚合物焊接已經成為汽車（chē）零部件、機械裝置、電子零件和消費產品（pǐn）的標準工具。它最初以繞（rào）焊開始，激光（guāng）在焊縫上慢速運動。但是後來逐步進化出多種不同方法，比如平縫焊接或同步焊接，已（yǐ）經發展為今天的（de）先進技術。同步加工的優勢（比如軟化整（zhěng）個焊接結構）是焊接路徑（jìng），也就是（shì）說待焊接零（líng）件的相對運動可作為過程控製（zhì）參數。不幸的是，同步（bù）激光焊接要求激光熱源的幾何形狀和焊縫幾何形（xíng）狀（zhuàng）相同，這使得該技術（shù）非常複雜、昂貴和不靈活。一項聰明的解決（jué）方案是“半—同步”焊（hàn）接，這（zhè）種方式下激（jī）光光束（shù）在整條焊縫結構上重複運動，光束（shù）以高（gāo）速運動使得整條焊縫加熱至軟化點之上，從而實現同步焊接和焊點路徑控製。由於焊接輪廓可通過軟件方便地更改，因（yīn）此該方法非常靈活。當（dāng）然，該方法限製於平麵結構（或至（zhì）少是近似平麵），掃描（miáo）區域尺寸在400×400mm內，並且激光功率可匹（pǐ）配；此外，所要求的速度（dù）和（hé）激光功率能夠與焊（hàn）縫長度成比例。除靈活（huó）性外，由於該裝置使用了掃描頭和上述提及的光學（xué）係（xì）統，它還允許在線過程控製。
結論
通（tōng）過提升精（jīng）度、速度和激光功率，掃描振鏡已經成為激（jī）光加工中一項非常重要的工具。其市場已經（jīng）從傳統（tǒng）打標和快速成型的應用範圍擴展到多（duō）個領（lǐng）域的激（jī）光材料（liào）加工，包括切割（gē）、焊接（jiē）、表麵處理、聚合物（wù）焊接和其他應用。掃描振鏡技術與創新的機械電子設計理念，特別是用於鏡麵技術的新材料和（hé）智能解決方案，已經適應了新的市場要求。高亮度激光源為掃描振鏡開啟了光明的（de）未來。
