掃描振鏡配合激光器傳統上主要應用於打標和快速成（chéng）型等領域。此類係統可提供高（gāo）質量的（de）光束，但是激（jī）光功率僅局限在百瓦範圍內。如今，隨著諸如光纖（xiān）激光器、碟片激光器等高亮度激光器（qì）的出現，甚至一些亮度（dù）較（jiào）低的高功率二極管激光器的使用，掃描振鏡的應用領域已經擴展到數千瓦特級（jí）。掃描裝置（zhì）必需（xū）能夠勝任高功率範圍內的應用——同時不影響精度和速度！這（zhè）對掃（sǎo）描振鏡製造商而言是一項富有挑戰性的任務。
掃描振鏡技術
一套基本的（de）x-y掃描裝置看（kàn）起來很（hěn）簡單：兩塊反射鏡，由電機驅動，可將入射激光束反射到特定區域（工（gōng）作（zuò）區域）的任何（hé）點。一組平場（f- ）透鏡確保焦點在工作區（qū）域平麵內（二軸係統，如圖1），對基本的Nd：YAG激光器（qì）來說，典型的工作範圍為40×40平（píng）方毫米（ff- =100 毫米）至180×180 平方毫米（mǐ）（ff- =254 毫米；對於高級諧波激光器和二極（jí）管激光（guāng）器，其工作範圍（wéi）為40×40 平方毫米（ff- =100 毫米）至120×120平方毫米（ff- =163 毫米（mǐ）)，具體取決於平場透鏡的焦距。顯然，所需工作範圍越大（dà），工作距（jù）離越長（zhǎng）。如果在（zài）掃描振鏡前端的激光光路中，使（shǐ）用聚焦透鏡和可移動透鏡（jìng）的組合來代替平場透（tòu）鏡，工作範圍和工作距（jù）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（dá）到1500毫米。
在多種應用場合中，要求較高的（de）定位速度。比如，當f- 透鏡（jìng）焦距長度達163mm時，在120×120mm2的（de）工作區域內掃描速（sù）度可達（dá）10 m/s。簡單的幾何計算表明，振鏡鏡麵（miàn）較小的角度偏差可能導（dǎo）致激光光斑在工作平麵上出現較大的錯位。因（yīn）此（cǐ），不管對振鏡驅動、鏡麵，還是反射鏡安裝架來說，高級別的定位精（jīng）度是必須的。同時，振鏡電機和驅動器電子器件會發熱，產生熱漂（piāo）移（yí），導致上述定位偏差（chà）的發生。熱增益漂移特征數值<30 rad/K，增（zēng）益漂移特征數值<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（fāng）案是選配帶（dài）水冷（lěng）功能的掃描振鏡。其中最具（jù）代（dài）表性的例如為Superscan-II-LD，長（zhǎng）期穩定性可達到24小時<200 rad（未帶（dài）主（zhǔ）動冷卻功能時為<300 rad）。此外，專門的（de）集成自動校準功能的係統類型可將增益漂移降低（dī）至20 rad/K，位（wèi）置漂移降低至（zhì）5 ppm/K，8小時（shí）長期穩定（dìng）性< 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含有石英基底材料，厚度在2.0和7.0 mm之間，這（zhè）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（例如，對於高功率半導體激光器和入射角兩側偏轉範圍超過±12 時，在780 nm和980 nm之間）提供足夠的反射率（>98.0%）。這種反射（shè）鏡通常能承受的功率密度達500 W/cm2，對於（yú）傳統的打標應用（yòng）綽綽有餘。掃描頭（tóu）引入其他應用場合（hé）後帶來了其他挑戰，比如聚（jù）合物焊接。這些應用要求對工件溫度進行精（jīng）確控製，通（tōng）常通過（guò）高溫計進行非接觸式測量。對於這項技術，工件的熱輻射信號（hào）必須從激光光斑（bān）位置沿激光光（guāng）路返回到傳感器中（zhōng），比如，通過振鏡鏡片（piàn）反射回。高（gāo）溫測量典型波長範圍為（wéi）1.7到2.2 m。由於該（gāi）波長範圍內的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（céng）鋁鍍（dù）膜（mó）便可解決問題。這裏（lǐ）應提（tí）醒讀者，如果要擴展波長範圍，則需要調整掃（sǎo）描（miáo）光學（xué）係統。
更高（gāo）功率的其他新（xīn）應用，比如激光遠程焊接、遠程切割、或掃描熱處理，要求（qiú）幾百（bǎi）瓦到（dào）甚至（zhì）數（shù）千瓦的功率，這對振鏡掃描頭提出了新的挑戰。即使介質反（fǎn）射鏡（jìng）反（fǎn）射率很（hěn）高（特別有鍍鋁層後），部分光線（<2%）仍可能透射並被反（fǎn）射鏡基底或周圍部（bù）件吸收。對於低（dī）功率激光器而言，這種情況很好處理。不過高功率激光器可（kě）能導致裝置內部產生大量（liàng）熱量（liàng），由此（cǐ）導致明顯（xiǎn）的熱漂移和不合格的長（zhǎng）期（qī）穩定性波動。因此，掃描裝置水冷功（gōng）能非常必要，但通常不足以解決問（wèn）題。這（zhè）是因為它無法避免石英反射（shè）鏡的熱載荷和其導致的影響，比（bǐ）如導致膠層形變甚至變軟或者由於（yú）轉子和軸承發熱導致振鏡驅動故障。因此，新的鏡麵（miàn）技術必不可（kě）少。
石英（yīng）的（de）一大（dà）缺點是它（tā）的熱導率很低，這導致（zhì）它的冷卻性能（néng）很差（chà）。矽基材料，比（bǐ）如矽或碳化矽，可（kě）提供較高的熱導率。由於碳矽基材料（liào）強度更高（gāo），因此允（yǔn）許減小其厚度，盡管其密度較（jiào）高，仍可減輕總體質量。如果使用不透明（míng）基（jī）底，如Si或SiC，寬波段反射鍍鋁層可直接鍍在鍍電介質膜（mó）和（hé）矽基材料之間介電層上。對反（fǎn）射鏡基底機械設計進行仔細的（de）模型計算，可在穩（wěn）定性、重量、導熱性和轉動（dòng）慣量方（fāng）麵獲得最優化的（de）設計。
對於係統設計，包括伺服電路板、振鏡電機和反射鏡，有幾項參數需要特別精確（què）：
反射鏡重量；
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位形變；
反射鏡和驅（qū）動電機係統的響應頻率。
以矽為基底，可以減小反（fǎn）射鏡厚度（重量），同時形變、應力和較厚的石英基底反射鏡相同（見圖3）然而，由於（yú）該反射鏡係統重量，應力和（hé）形變（biàn）仍然較大。矽基底仿真圖表明慣量（liàng）和重量都降低（dī）15%，頻率幾乎保持不變。
不幸的是，此類改進明顯無（wú）法滿足市場對更高掃描速度以（yǐ）及更高功率密度、千瓦級高亮（liàng）度激光器的（de）要求。這些應（yīng）用要求采用新材料和新（xīn）設計，進一步降（jiàng）低基底熱應力。比矽或石（shí）英剛度更高（gāo）的陶瓷材料、碳化矽（guī）材料成為更好的選（xuǎn）擇。雖然如此，SiC反射鏡的設計遠比標準矽基或石英反射鏡更困（kùn）難，因此反射鏡（jìng）設計的整套方法都需要進行變更。有限元分析和蒙特卡羅（luó）分析是該設計中非常有用的工具。設計的主要（yào）目標是減少高頻和超低頻部分（fèn）以及重量和慣性矩。為此我們設計了一套全新的反射（shè）鏡背部結構，見圖4中的左圖（tú）。該反射鏡剛度遠高於矽反射鏡（jìng），由於基底更輕以及楊氏模量不同，應力也（yě）更容易處理。計算明確（què）證明了反射鏡最大形變和應力得到（dào）了改進。
這種方（fāng）法可（kě）獲得高精度和完美的機械性能（最小化共振響（xiǎng）應效應）。反射鏡材料高導熱（rè）率可以實現溫度分（fèn）布快速平衡，即使在高功率激光下吸收了大（dà）量激光能量。反射鏡背（bèi）麵加強筋為向周圍大氣傳遞熱量提供更大（dà）的表麵以及更高效的輻射冷卻。反射鏡有非常均勻的溫度分布和比較緩和的溫度（dù）梯度。
替代材料：鈹
可惜，SiC非常難（nán）以操作。首先（xiān），由於材料很硬（yìng），因（yīn）此非常難（nán）以加工。其次，和矽或石英基（jī）底鍍（dù）膜工藝不同，基底背（bèi）麵不可能鍍膜。而背麵鍍（dù）層可幫助抵消由鍍層（céng）本身產生的機械應力（也（yě）就（jiù）是說，熱膨脹係數不同（tóng））。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（sān），要求的（de）材料質量和數量非常難以獲得，由於交付時間較長，使得物（wù）流較有風險。該問題可能導致研發時間過長，並且仍（réng）可能導致交付時間過長。因此，可替代材料的搜索仍在繼續。
有一種替代材料是鈹，可用作基底材料。該材料輕質，可提供高導（dǎo）熱率（lǜ）。鈹的供應量（liàng）充足，交付時間合理，由於硬度較低（dī），其加工難度比碳化（huà）矽低。然而，這種材料同樣（yàng）有缺點（diǎn）。首（shǒu）先，該材料為劇毒。由於（yú）該材料（liào）已經用於眾多產品中，比如衛星或軍用（yòng）飛行係統中，該問題可通過目前已經成熟（shú）的商業化專門加工工藝（yì）解決。為避免皮膚和鈹接觸，整（zhěng）個表麵都用鎳包裹。由於鈹晶（jīng）粒尺寸太大，無法在630nm下拋光到小於λ/4的平麵度，故鎳可用於拋光（guāng）和鍍膜，該（gāi）工（gōng）藝的另一優點是它提供（gòng）了高表麵質量。
另外，基於模型計算優化後的參數可確保最優設（shè）計。由於較低密度和相對重量較高的楊氏（shì）模量值，鈹（pí）模型相對碳化矽模型的（de）設計更為簡（jiǎn）便。該材料（liào）的另（lìng）一優點是其（qí）吸附（fù）能力（lì）。對比碳化矽和鈹反射（shè）鏡，鈹模型比碳化矽少（shǎo）兩個臨界（jiè）頻率。這將為伺服電路板和振鏡電機提供更為簡便的自（zì）動控製能力。結（jié）果是（shì）鈹反射（shè）鏡相（xiàng）對碳（tàn）化（huà）矽反射鏡，重量減少35%，慣量減少35%。反射鏡設計，最（zuì）大形變（biàn）和最（zuì）大應力如圖5所示。
除此之外，反射鏡安裝架和反射鏡（jìng）模（mó）型（xíng）的融合取（qǔ）得了較（jiào）大進步，也就是說，無需膠合（hé）或（huò）裝夾，因此反射（shè）鏡和夾持器整體加工製作，直接固定在振（zhèn）鏡（jìng）電機軸上。該結果是減（jiǎn）少了質量，改進了剛度並增加（jiā）了熱傳導性能。此外，係統沒有膠層過熱和破壞的損壞風險。該（gāi）設計使得反射鏡規格參數獲得（dé）極大改進。比如（rú），相比安裝（zhuāng）在典型掃描頭上的標準碳化矽反射鏡，最終速度可增（zēng）加30%，並節（jiē）省20%時間。用戶可通過增加速度，或（huò）憑借更大孔徑的掃描頭而獲取較高（gāo）的動態性能（néng），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（xiàng）同焦距尺寸下增加視野尺寸和工作距（jù）離。
鈹材料（liào）在多方（fāng）麵滿足市場需求，比（bǐ）如較短的新產品（pǐn）研發周期，以及反射鏡模型、反射鏡尺寸和應用需求（qiú）能夠實現精準匹配。為（wéi）獲（huò）得最佳速度結果，反射鏡應分別設計以反射要求的光束角度和光束尺寸。
不同領域的應用（yòng）
隨著新應用（yòng）的興起，掃描頭製造（zào）商麵（miàn）臨著（zhe）新的要求，比如計量學集成（高溫計、攝像機），以（yǐ）滿足如焊接和聚合物輪廓焊接應用要（yào）求（qiú）。然而，如上所述，高功（gōng）率（lǜ）和高亮度激光將給高精（jīng）度掃描頭帶（dài）來很多其他要求，但它也打開了傳統打標應用（yòng）以外的新市場。現在有許多（duō）應用都（dōu）采用新技術，並且仍為（wéi）私人專利。
盡管如此，甚至傳統（tǒng）激光加工，比（bǐ）如焊接、切割或（huò）表麵處理現在都要求采用（yòng）掃（sǎo）描振鏡。比如，采用高亮度激光器可高速切割薄金（jīn）屬板，由於重量（liàng）和慣性矩（jǔ）方麵原因（yīn），其速度超過傳統定位（wèi）係統的（de）極限。因此（cǐ），零件定位已經被“無慣性”激光光束定位所取代。該加工工藝被稱為“遠程切割”。
對於焊接應（yīng）用（yòng），著（zhe）名的“遠程焊接”工藝可采用（yòng）機（jī）器人定位和高速掃描頭（tóu）結（jié）合方（fāng）式進（jìn）行修改（“3D掃描焊（hàn）接”）。已經（jīng）證明該方法可將激光（guāng）非工（gōng）作時間幾乎減少至0（取決於焊縫位置和結構）。當機器人沿著輪廓（kuò）執行平滑（huá）運動時，從一條（tiáo）焊縫到下一條的“跳動”偏差可通過掃描頭高精度高速掃描方式進行控製。該“掃描焊接”應用中，關鍵因素是軟件，它將位置和機器人速度以及掃描（miáo）頭控製的（de）光（guāng）束定（dìng）位結合起來。
由於（yú）大量在1微米波長（zhǎng）範圍內的高（gāo）效率激光源（比如（rú）高功率半（bàn）導體激光器）的出現，激光硬化工藝和激（jī）光熔覆現在已經成為機床市（shì）場的標準工（gōng）藝（yì）。熱量局部集（jí）中可避免（miǎn）零（líng）件變形和損壞，因此可極大地減少重複工作（zuò）。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。通過特殊的光學係統可以實現（xiàn），該光學係統對激光強度輪廓進行“剪裁”，但是這種方法非常複雜（zá）和刻板。一種更為靈活和合理的（de）解決方案是將激光束快速掃描和激光輸出功率快速（sù）控製（zhì）相結合。該類裝（zhuāng）置（zhì）與高溫計共同工作，可（kě）以實現幾乎任何類的溫（wēn）度分布和均勻溫（wēn）度控製。
從90年代中期以來（lái），激光聚合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。它最初以繞焊開始，激光在焊縫上慢速運動。但是後來逐步進化（huà）出多種不同方法，比如平（píng）縫焊（hàn）接或同步（bù）焊接，已經發展為今天的先進技術。同步加工的優勢（比如軟（ruǎn）化整個焊接結構）是（shì）焊接路徑，也就是說待焊接零件的相對運動（dòng）可作為過程（chéng）控製參數。不幸（xìng）的是，同步激光焊接要求激光熱源的幾（jǐ）何形狀和焊縫幾何形狀相同，這（zhè）使得該技（jì）術非常複（fù）雜、昂貴和不靈活。一項聰明的解決方案是“半—同（tóng）步”焊接，這種方式下激光光束在整條焊縫結構上重（chóng）複運動，光束（shù）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（bù）焊接和焊點路徑控製。由於焊接（jiē）輪廓可通過軟件方（fāng）便地更改，因此該方法非常靈活。當然，該方法限製於平麵結構（gòu）（或至少是近似平麵），掃描區域尺寸在400×400mm內，並（bìng）且激（jī）光功（gōng）率可（kě）匹配；此外，所要（yào）求的速度和激光功率能夠與焊縫長度成比例。除靈活性外，由於該裝置使用了掃描頭和上述（shù）提及的光學係統，它還允（yǔn）許在線過程控製。
結論
通過提（tí）升精度、速度和激光功率，掃描振（zhèn）鏡已經成為激光加工中一項非常重要的（de）工具。其市場已經從傳（chuán）統（tǒng）打標和（hé）快速成型的應用範圍擴展到多個領域的激光材料加工，包括切割、焊接、表（biǎo）麵處理、聚合物焊接和其他應用（yòng）。掃（sǎo）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智能解決方案，已經適應了新的市場要求。高（gāo）亮度激光源為掃描（miáo）振鏡開啟了光明的未來。
