光束指向稳定性和激光材料加工中的自动对准

在材料微加工中，激光覆盖了越来越多的应用。这种定制的加工方法具有超高分辨率，可以很容易地用于制造复杂的机械和光学元件。特别是，超快激光器具有材料上传热最小的优点，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，我们可以在几乎所有材料上执行简单而精确的纹理。但是，只有激光源和光路上的所有光机械组件都没有漂移，才能实现超高分辨率。通常，避免漂移是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。即使在激光预热的情况下，环境温度的轻微变化也经常导致出射光束不能忽略的角度漂移。另外，必须相对于加工目标精确地移动激光束。通常我们将设备设计为单轴，双轴或多轴龙门架系统。光束不仅必须穿透这些恒定振动和自由漂移的轴，而且还必须均匀地平行于每个移动轴。如果不这样做，将导致聚焦透镜上的光束随着龙门轴的移动而移动。这又导致聚焦位置的误差和光斑质量的下降（主要是由于透镜像差）。典型的对策是使用一些强大且高度精确的机械结构。通常这些机械结构不仅昂贵而且非常重，并且需要长期的手动调节。这种源自机械铣床的结构确实是一种有效的方法。与传统机械铣头相比，激光束的最大特点是几乎没有质量。因此，即使平均功率为几千瓦的光束也可以使用小而轻的镜子进行Xamp，在Y方向上的位置和角度的高动态移动。上海定量光电子公司的Aligna系统使用纳米级分辨率位置敏感探测器（PSD）测量数十MHz的光束位置和角度，并使用基于压电陶瓷的伺服反馈机制来测量测量的偏移。快速纠正。乍一看，这种主动稳定系统比被动机械稳定性更复杂。但请再想一想：无源稳定需要付出很多努力 - 必须避免或屏蔽由空间温度变化或高功率线性模块引起的热漂移，并且如果可能的话，必须通过机械结构进行补偿。高动态运动需要坚固的重型龙门架和机械底座（通常由混凝土或花岗岩构成），这反过来需要更多的动力，导致更多的散热，当然还有更多的成本。无论快速测量和精确校正激光束位置的形式如何，该装置都可以构造得更小，更轻，更简单并且机械上更便宜。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，光电子工程师给出了一个简单的例子：在日常生活的其他领域，如CD或DVD播放器，亚微米范围内的主动指向稳定性是自我理解。即使它们在恶劣的环境中工作（例如在汽车或慢跑中），这种主动稳定的结构仅需几欧元。相比之下，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的情况。在反馈控制系统中，稳定角度XY和位置XY的四个自由度不容易，因为它们是强耦合的。移动镜框的任何一个微型螺钉（或致动器）都会影响角度和位置，并且发现X和Y也是耦合的。通过适当的正交化（通过使用4x4quot，Cross-LinkMatrixquot），可以完全独立地控制四个自由度，这使得反馈回路更快，更准确。在工业环境中，光束指向稳定系统Aligna使得学习所有屁股变得容易自主地说明参数。所有这一切都是通过执行器的全自动扫描和4DPSD测量的拟合转换完成的。因此，该系统可以安装在不同的光学设备上，而无需客户的专业知识和手动调整。沿光路的所有光束扩展器，光束缩减镜，透镜或其他光学装置不会干扰学习过程。 Aligna测量光电系统结合了高速，高精度压电陶瓷和高达20 kHz的带宽以及大行程线性驱动器，可驱动两个或更多快速辐射框架。这种组合不仅克服了分辨率与行程之间的矛盾，而且与压电陶瓷摩擦传动相比具有更高的速度和更大的运动速度，并且没有寿命限制。这种更小更轻的机械结构不仅增加了指向的稳定性，而且还能够实现全光路的彻底自动对准。在快速镜子旁边或放置在快速镜子后面的附加AIM探测器的帮助下，系统可以连续扫描第一个镜子直到找到第二个镜子，然后继续扫描第二个镜子直到第三个反射找到镜子，依此类推，最后的光束击中PSD4D探测器。技术人员不仅需要将护目镜和十字准线穿入机器中以进行手动光束对准以进行长时间的冒险，并且即使在机器处于闭合状态时也可以执行该过程。此外，这种自动对准过程可以根据需要随时进行，因此客户可以快速更换镜子甚至激光，而不会对光路对准产生任何影响。结论：在激光材料加工设备中，光束指向稳定系统使用更小，更轻，更快和更便宜的机械结构，主动和动态地补偿漂移，空气波动和动态变形。不仅如此，客户无需长时间手动调整即可在几秒钟内更换光学元件甚至激光器。