掃描振鏡配合激光器傳統上主要應用於打標和快速成型（xíng）等領域。此類係統可提供高質量（liàng）的光束，但是激光功率（lǜ）僅局限在百瓦範圍內。如今，隨著諸如光纖激（jī）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，掃描振鏡的應用領域（yù）已（yǐ）經擴展（zhǎn）到數千（qiān）瓦特級。掃描裝置必需能夠勝任高功（gōng）率範圍內的應用（yòng）——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有挑戰性的任務。
掃描振鏡技（jì）術
一套基（jī）本的x-y掃描裝置看起來很簡單（dān）：兩塊反射鏡，由電機驅動，可將入射激光束反射到特定區域（yù）（工作區域）的任何點。一組（zǔ）平場（f- ）透鏡確保焦點在工作區域平麵內（二軸係統，如圖1），對基（jī）本的Nd：YAG激光器來說，典型的工作範圍為40×40平方毫米（ff- =100 毫米）至180×180 平方毫米（ff- =254 毫米；對於高級諧（xié）波（bō）激（jī）光器和二極管激光器，其工作（zuò）範圍為40×40 平方（fāng）毫米（ff- =100 毫米）至120×120平方毫米（ff- =163 毫米)，具體取決於平場（chǎng）透鏡的（de）焦距。顯然，所需工作範圍越大，工作距離（lí）越長。如果在掃描振鏡前端的激光光（guāng）路中（zhōng），使用聚焦透鏡和可移動透鏡的組合來代替平場透鏡，工作範（fàn）圍和工作距離還會進一步增加（三軸係統，如圖2）。該（gāi）裝置可使工作範圍達到1200×1200平方毫米，工作距離（lí）達到1500毫米。
在（zài）多種應用場合中，要求較高（gāo）的定位速度。比如，當f- 透鏡焦距長度（dù）達163mm時，在120×120mm2的工作區域內掃描（miáo）速度可達10 m/s。簡單的幾何計算表明，振鏡鏡麵較小（xiǎo）的角（jiǎo）度偏差可能（néng）導致激光光斑在工作平麵上出現較大的錯（cuò）位。因此，不管對振鏡驅動、鏡麵，還是反射（shè）鏡安裝架來說，高級別的定位精度是必須的。同時，振鏡（jìng）電機和驅動器電子器（qì）件會發熱，產生熱漂移，導致上述定位偏差的發生（shēng）。熱增（zēng）益漂移特征數（shù）值<30 rad/K，增益漂移特征數值<50 ppm/K（每軸）。因此，如果要求（qiú）高精度和長期穩定性，一種（zhǒng）解決方案是選配帶水冷功能的掃描振鏡。其中（zhōng）最具代（dài）表性的例（lì）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（gōng）能時為<300 rad）。此外，專門的（de）集成自動（dòng）校準功能的係統類型可將增益漂移降低至20 rad/K，位置漂（piāo）移降（jiàng）低至5 ppm/K，8小時長期穩定性（xìng）< 20 rad。
新技術減少熱應力
打標應（yīng）用中，掃描振鏡采用的反射鏡類型包（bāo）含有石英基底材（cái）料，厚（hòu）度在2.0和（hé）7.0 mm之間（jiān），這取決於反射鏡尺寸（cùn）和角加速度。電解質鍍膜在對應的波長範（fàn）圍內（例如（rú），對於高功率半（bàn）導體（tǐ）激光器和入射角兩側偏轉範圍超過±12 時，在780 nm和980 nm之（zhī）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，對於傳（chuán）統（tǒng）的打標應用綽綽有餘。掃描頭引入其他應用場（chǎng）合後帶來了其他挑戰（zhàn），比如聚合（hé）物焊接。這些應用要求對工件溫度進行精確控製，通（tōng）常通過高溫計進行非接觸式測量。對於（yú）這項技（jì）術，工件的（de）熱輻射信號必（bì）須（xū）從激光光（guāng）斑位置沿激光光路返回到傳感器中，比（bǐ）如，通（tōng）過振（zhèn）鏡鏡（jìng）片反射回。高溫（wēn）測量典型波長範圍為1.7到2.2 m。由於該波長範（fàn）圍內的（de）介電層對於激光輻射是可穿透的，因此在石英基底背麵加上一層鋁鍍膜便可解決問題。這裏應提醒讀者，如果要擴展波（bō）長範圍，則需要調整掃描光學係統。
更高功（gōng）率的其他新（xīn）應用（yòng），比如激光（guāng）遠（yuǎn）程焊接、遠（yuǎn）程切割、或掃（sǎo）描熱處理，要求（qiú）幾百瓦到甚至數千瓦的功率，這對振鏡掃描頭提出了新的挑戰。即使介質（zhì）反射鏡反射率很高（gāo）（特別有鍍鋁層後（hòu）），部分光線（<2%）仍可能透射並被反射鏡基底（dǐ）或周圍部件吸收。對於低（dī）功率激（jī）光器（qì）而言，這種情況（kuàng）很（hěn）好處理。不過高功率激光器可能導致裝置內部產生大（dà）量熱量，由此導致明顯的熱漂移和不合格的長（zhǎng）期穩（wěn）定性波（bō）動（dòng）。因此，掃描（miáo）裝置（zhì）水冷功能非常必要，但通常不足以解決問題。這（zhè）是因為它無法避免石（shí）英反射鏡（jìng）的熱載荷和其導致的（de）影響，比如導致膠層形變甚至變軟或者（zhě）由於轉子和軸承發熱導致振鏡驅動故障。因此，新的鏡麵技術必不可少。
石英的一大缺點（diǎn）是它的熱導率很低，這導致它的冷卻性能很差。矽基材料，比如矽或碳化矽，可（kě）提供較高的熱導率。由於碳（tàn）矽（guī）基材料強（qiáng）度更高，因此允許減小（xiǎo）其厚度，盡管其密度較高，仍可減輕總體質（zhì）量。如果使用不透明基底，如Si或SiC，寬波段反（fǎn）射鍍鋁層可直接鍍在（zài）鍍電介（jiè）質膜和矽基材料之間介電層上。對反射（shè）鏡基底機械設計進行仔細的模型計算，可在穩定性、重（chóng）量、導熱性和轉動（dòng）慣量方麵獲得最優化的（de）設計。
對於係統設計，包括伺服（fú）電路板、振鏡電機（jī）和反（fǎn）射鏡，有幾項參數需要特別精確：
反射鏡重量；
反射鏡轉矩（jǔ）；
鏡麵形變（機械彈簧）；
反射鏡（jìng）和驅動電機之間連接部位形變；
反射鏡（jìng）和驅動電機係統的響應頻率。
以矽為基底，可（kě）以（yǐ）減小反射鏡厚度（重量），同時形變、應力和（hé）較厚的石英基底反射鏡相同（tóng）（見圖3）然而，由（yóu）於該反（fǎn）射鏡係統重量，應力和形變仍然較大。矽基底仿真圖表明慣（guàn）量和重量都降低15%，頻率幾乎保持不變。
不幸的是，此類改進明顯無法滿足市場對更高掃描速度以及更（gèng）高功率密度、千瓦級高亮度激光（guāng）器的要求。這些應用要求采用新材料和新設計，進一步降低基底熱應力。比矽或石英剛度更高的陶（táo）瓷材料、碳化矽材料成為更（gèng）好的選擇。雖然如此，SiC反射鏡的設計遠比標（biāo）準矽基或石英反射鏡更困難，因此反射鏡設計（jì）的整套方法都需要進行變（biàn）更。有限元分析和蒙特卡羅（luó）分析是（shì）該設計中非常有用的工具。設計的主要目標是減少高（gāo）頻和超低頻部（bù）分以（yǐ）及重量和慣性矩。為此我們（men）設計了一套全新的反射鏡（jìng）背部結構，見圖4中的左圖。該反射鏡剛度（dù）遠高於矽反射鏡，由於基底更（gèng）輕以及楊氏模量不同，應力也（yě）更容（róng）易處理。計算明確證明了反射（shè）鏡最大（dà）形變和（hé）應力得到了改（gǎi）進。
這種（zhǒng）方法可獲（huò）得高精度和完美的機械性能（最小化共振響應效應）。反射鏡材料高導（dǎo）熱率（lǜ）可以實現溫度分布快速平衡，即使在高功率激光（guāng）下吸收了大（dà）量激光能量。反射鏡背（bèi）麵加強筋為向周圍大（dà）氣傳遞熱量提供更大的表麵以及更高效的輻射冷卻。反射鏡有非常（cháng）均勻的溫度分布和比較緩和的溫度梯度。
替代材料：鈹
可惜，SiC非常難以（yǐ）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（dǐ）背麵不可能鍍膜。而背麵（miàn）鍍層可幫助抵消由鍍層本身產生的機械應力（也就是說（shuō），熱膨脹係數不同）。該應力的結果通常是凹反射麵，產生非期望的離焦效果。第三，要求的（de）材料質量和數量非常難（nán）以獲得（dé），由於交付時間較長（zhǎng），使得物流較有風險。該問題可能導致研發時間過長，並且仍可能導致交付時間過長。因此，可替代材料的（de）搜索仍在繼續。
有一種替代材料是鈹，可用作基底材料。該材料輕質，可提供高導熱率。鈹的供應量充足，交付（fù）時間（jiān）合理（lǐ），由於硬度較（jiào）低，其（qí）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（yǐ）經用於眾多產品中，比如衛星或軍用飛行係統中，該問題可通過（guò）目前已經成熟的商業化專門加工（gōng）工藝解決。為避免（miǎn）皮膚和鈹接觸，整個表（biǎo）麵都用鎳包裹。由於鈹晶（jīng）粒（lì）尺寸太大，無法在630nm下（xià）拋光到小於λ/4的平麵度，故鎳可用於拋光和鍍膜，該工藝的（de）另一優點是它（tā）提供了高表麵質量。
另外，基（jī）於模型計算優化後的參數可確保最優設計。由於（yú）較低密度和相對重量較高的楊氏模量值（zhí），鈹（pí）模型相對（duì）碳化（huà）矽模型的設計更為簡便。該材料（liào）的另一優點是其吸附能力。對比碳化矽（guī）和鈹反射鏡，鈹模型比碳化矽少兩個（gè）臨界（jiè）頻率。這將（jiāng）為伺服電（diàn）路板和振鏡電機提供更為簡便的自動控製能（néng）力。結果是鈹反射鏡相對碳化矽反射鏡，重量減少35%，慣量減少35%。反射鏡設計，最大形變和最大（dà）應力如圖（tú）5所示。
除（chú）此之外，反射鏡安裝架和反射鏡（jìng）模型的融合（hé）取得了較大進（jìn）步，也就是說，無需膠合或裝夾，因此反射鏡和夾持器整體加工製作，直接（jiē）固定在振鏡電機軸上。該結果是減少了質量，改進了（le）剛度並增加了熱傳（chuán）導性能。此外，係統沒有膠層過熱和破壞的損（sǔn）壞風險。該設計使得反射鏡規格參（cān）數（shù）獲得極大改進。比（bǐ）如，相比安裝在典型掃描（miáo）頭上的標準碳化矽反射鏡，最終速度可增加30%，並節省20%時間。用戶可通過（guò）增加速度，或憑借更大孔徑的掃描頭而獲取較（jiào）高的動態性能，從改進中獲益。可在相同視野尺寸內減少焦麵直徑（jìng）和工作距離，或者相同焦距尺寸下增加視（shì）野尺寸和工（gōng）作距離。
鈹材料在多方麵滿（mǎn）足市場需求，比如較短的新產品研發周期，以及（jí）反射鏡模型、反射鏡尺（chǐ）寸和應用需求能（néng）夠實現精（jīng）準（zhǔn）匹配。為（wéi）獲得最佳速度結果，反射鏡應分別設計以反（fǎn）射要求的光束角度和光（guāng）束尺寸。
不同領（lǐng）域的應用
隨著新應用的興起，掃描頭製造商麵臨著新的要求（qiú），比如計量學集成（高溫計、攝（shè）像機），以（yǐ）滿足如焊接和聚合物輪廓焊接應用要求。然而，如上所述，高功率和高亮度激光將（jiāng）給高（gāo）精度掃描頭帶來很（hěn）多其他要求，但它也打（dǎ）開（kāi）了傳統打標應（yīng）用以外的新市場。現在有許多應用都采用新技術，並且仍為私人專利。
盡管如此，甚至傳統激光加（jiā）工，比如焊接、切割或表麵處理（lǐ）現在都（dōu）要求采用掃描振鏡。比如，采用高亮（liàng）度（dù）激光器可高速切割薄金屬板，由於（yú）重量和慣（guàn）性矩（jǔ）方麵原因，其速度超過傳統定位係統的極限（xiàn）。因此，零件定（dìng）位已經被“無慣性”激光光束定位（wèi）所取代。該加工工藝被稱為“遠程切割”。
對於（yú）焊接應用，著（zhe）名的“遠程焊接”工藝可采用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（jī）器人沿著輪廓執行平滑運動時，從一（yī）條焊縫到下一條的（de）“跳動”偏差可通過掃描頭高精度高速掃描方式進行控製（zhì）。該“掃描焊接（jiē）”應用中，關（guān）鍵因素是軟件，它將位置和機器人速度以及掃描頭控製的光（guāng）束定位結合起來。
由於（yú）大量在1微米波長範（fàn）圍內（nèi）的高效（xiào）率激光源（比如高功率半導體激光器）的出（chū）現，激光硬化工藝（yì）和激光熔覆現在已經成（chéng）為機床市場的標準工藝。熱量局（jú）部集中可避免（miǎn）零件變形和損壞（huài），因此可極大地減少（shǎo）重複工作。雖然如此，激光表麵硬化的挑戰是零件表麵上的理想的溫度分布。通過特（tè）殊的（de）光學係統（tǒng）可以實現，該光學係統對激光強度輪廓進行（háng）“剪裁”，但是這種方法非常複雜和刻板。一種更為靈活和合理的解決方案是將激光束快速掃描和激光輸出功（gōng）率快速控製（zhì）相結合。該類裝置與高溫計共同工作，可以實現幾（jǐ）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（hé）物焊接已經成為汽車零部件、機械裝置、電子零件和消費產品的標準工具。它最初以（yǐ）繞焊開始，激光在焊縫上（shàng）慢速運動。但是後來逐步（bù）進化出多種不同方法，比如平縫焊接或同步焊接，已經（jīng）發展為今（jīn）天的先進技術（shù）。同步加工的（de）優勢（比（bǐ）如軟化整（zhěng）個焊接結構）是焊接路徑，也就是說待焊接零件的相對運動可作為過程控製（zhì）參數。不幸的是（shì），同步激光焊接要求激光熱源的幾何形狀和焊縫幾何形狀（zhuàng）相同（tóng），這使得該技術非常複雜、昂貴和不靈活。一項聰明的（de）解（jiě）決方案是（shì）“半—同步”焊（hàn）接，這種方（fāng）式下激光光束在整條焊縫結構上重複（fù）運動，光束以高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（hé）焊點路（lù）徑控製。由於焊（hàn）接（jiē）輪廓可通過軟（ruǎn）件（jiàn）方便地更改（gǎi），因此該方法非常靈活（huó）。當然，該方法限製於（yú）平麵結構（或至少是（shì）近似平麵），掃描區域尺寸在400×400mm內，並（bìng）且激光（guāng）功率可匹配；此（cǐ）外，所要求的速度（dù）和激光功率（lǜ）能夠與焊縫（féng）長度成比例。除（chú）靈活性外，由於該裝置使用（yòng）了掃描頭和上述提及的光學係統，它還允許在線過程（chéng）控製。
結論
通過提升精度、速度和（hé）激光功率，掃描振鏡已經成（chéng）為激光加工中（zhōng）一項非常重要的工具（jù）。其市（shì）場已經從傳統打標和快速成型的應用範圍擴展到多個（gè）領域（yù）的激光材料加工，包括切割、焊接（jiē）、表麵（miàn）處（chù）理、聚合物焊接和其他應用。掃描（miáo）振鏡技術與創新（xīn）的機械電子設計理念，特別是用於鏡麵技術的新材料和智能解決方案，已經適（shì）應了新的（de）市場要求（qiú）。高亮度激光源為掃描振鏡開啟了光明的未來。
