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激光扫描振镜新技术探索

2014-10-28 03:23:14人浏览

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&times;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&plusmn;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。


更高功率的其他新应用,比如激光远程焊接、远程切割、或扫描热处理,要求几百瓦到甚至数千瓦的功率,这对振镜扫描头提出了新的挑战。即使介质反射镜反射率很高(特别有镀铝层后),部分光线(<2%)仍可能透射并被反射镜基底或周围部件吸收。对于低功率激光器而言,这种情况很好处理。不过高功率激光器可能导致装置内部产生大量热量,由此导致明显的热漂移和不合格的长期稳定性波动。因此,扫描装置水冷功能非常必要,但通常不足以解决问题。这是因为它无法避免石英反射镜的热载荷和其导致的影响,比如导致胶层形变甚至变软或者由于转子和轴承发热导致振镜驱动故障。因此,新的镜面技术必不可少。


石英的一大缺点是它的热导率很低,这导致它的冷却性能很差。硅基材料,比如硅或碳化硅,可提供较高的热导率。由于碳硅基材料强度更高,因此允许减小其厚度,尽管其密度较高,仍可减轻总体质量。如果使用不透明基底,如Si或SiC,宽波段反射镀铝层可直接镀在镀电介质膜和硅基材料之间介电层上。对反射镜基底机械设计进行仔细的模型计算,可在稳定性、重量、导热性和转动惯量方面获得最优化的设计。


对于系统设计,包括伺服电路板、振镜电机和反射镜,有几项参数需要特别精确:


  ● 反射镜重量;
  ● 反射镜转矩;
  ● 镜面形变(机械弹簧);
  ● 反射镜和驱动电机之间连接部位形变;
  ● 反射镜和驱动电机系统的响应频率。


以硅为基底,可以减小反射镜厚度(重量),同时形变、应力和较厚的石英基底反射镜相同(见图3)然而,由于该反射镜系统重量,应力和形变仍然较大。硅基底仿真图表明惯量和重量都降低15%,频率几乎保持不变。  不幸的是,此类改进明显无法满足市场对更高扫描速度以及更高功率密度、千瓦级高亮度激光器的要求。这些应用要求采用新材料和新设计,进一步降低基底热应力。比硅或石英刚度更高的陶瓷材料、碳化硅材料成为更好的选择。虽然如此,SiC反射镜的设计远比标准硅基或石英反射镜更困难,因此反射镜设计的整套方法都需要进行变更。有限元分析和蒙特卡罗分析是该设计中非常有用的工具。设计的主要目标是减少高频和超低频部分以及重量和惯性矩。为此我们设计了一套全新的反射镜背部结构,见图4中的左图。该反射镜刚度远高于硅反射镜,由于基底更轻以及杨氏模量不同,应力也更容易处理。计算明确证明了反射镜最大形变和应力得到了改进。

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