激光自身空間維度加工系統(tǒng)綜述

01

應(yīng)用背景

隨著智能制造步伐加快，各行業(yè)對(duì)精細(xì)化零部件的加工需求愈發(fā)旺盛。傳統(tǒng)借助外部輔助機(jī)構(gòu)如機(jī)床、機(jī)械臂帶動(dòng)激光加工頭實(shí)現(xiàn)激光束空間維度變化的方式，因運(yùn)動(dòng)磨損、連續(xù)啟停等因素，限制了加工精度與速度。

激光自身空間維度加工系統(tǒng)具備調(diào)控激光束空間維度變化的能力，特別適用于高效、高精度的激光加工。其主要涵蓋點(diǎn)維、一維、二維、三維和 “五+N” 維加工系統(tǒng)。不同維度的系統(tǒng)通過獨(dú)特的光學(xué)結(jié)構(gòu)和調(diào)控方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)聚焦光束空間維度的控制，在航空航天、電子信息、生物醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，為激光加工技術(shù)的發(fā)展提供了新的方向和解決方案。

02

激光自身空維度加工系統(tǒng)：分類及特點(diǎn)

1.點(diǎn)維激光加工系統(tǒng)

原理：激光束通過聚焦系統(tǒng)獲得聚焦光斑（包括點(diǎn)光斑?線光斑?方形光斑以及多種異型光斑等），但聚焦光束無法在空間維度上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，如需進(jìn)行空間維度加工需要借助外部輔助機(jī)構(gòu)移動(dòng)聚焦光束或者加工樣品?

應(yīng)用：點(diǎn)維空間激光光束可用于芯片隱形切割、透明材料內(nèi)部微流控加工等。

2.一/二/三維激光加工系統(tǒng)

原理：聚焦光束在某個(gè)空間維度（X，Y，Z，α 或 β）/兩個(gè)空間維度（XY、YZ或XZ）/三個(gè)空間維度（XYZ）上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。

示例：以二維空間的聚焦光束調(diào)控為例，其激光束只能在兩個(gè)維度上運(yùn)動(dòng)，若要實(shí)現(xiàn)第三個(gè)維度的運(yùn)動(dòng)，需要借助外部輔助機(jī)構(gòu)（如機(jī)床?機(jī)械臂等）擴(kuò)充空間維度，同時(shí)可以擴(kuò)大聚焦光束的空間移動(dòng)范圍，但是外部輔助機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于激光自身空間維度變化的運(yùn)動(dòng)速度，而誤差又大于激光自身空間維度的運(yùn)動(dòng)誤差，故而影響加工速度和精度?

應(yīng)用：三維激光光束常用于曲面結(jié)構(gòu)加工等。

3.“五+N”維激光加工系統(tǒng)

原理：其中“五”即聚焦光束可以在五個(gè)維度空間運(yùn)動(dòng)，包括三維空間的 XYZ 以及兩個(gè)偏轉(zhuǎn)維度 α 與 β，而“N”是指激光自身特性如激光能量、激光偏振特性等的調(diào)控?

應(yīng)用：五維激光光束可以實(shí)現(xiàn)倒錐孔、 異形槽等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的加工。

4.借助外部輔助機(jī)構(gòu)的局限

雖能帶動(dòng)激光加工頭改變激光束空間維度，但由于機(jī)床、機(jī)械臂等多軸運(yùn)動(dòng)裝置存在運(yùn)動(dòng)磨損、連續(xù)啟停等問題，嚴(yán)重限制了加工的精度與速度。

與之相比，激光自身空間維度調(diào)控系統(tǒng)在加工精度和速度上優(yōu)勢(shì)顯著。

03

激光加工系統(tǒng)：點(diǎn)維

點(diǎn)維空間調(diào)控原理

光斑形成與整形：

激光束通過調(diào)控系統(tǒng)、聚焦系統(tǒng)后會(huì)聚成廣義上的點(diǎn)光斑，實(shí)際光斑尺寸在微米級(jí)別。調(diào)控系統(tǒng)可對(duì)激光能量重新分割和分配，實(shí)現(xiàn)光斑形狀的整形，如產(chǎn)生高斯態(tài)、平頂態(tài)等不同光強(qiáng)形態(tài)，以及月牙光斑、五角星光斑、多點(diǎn)光斑等異形光斑。

*激光點(diǎn)維聚集

*光強(qiáng)形態(tài)分布

*異性光斑形態(tài)

調(diào)控方法：

基于固定光學(xué)結(jié)構(gòu)：包括折射式、反射式與衍射光學(xué)元件。

①折射式：由兩非球面透鏡組成，依據(jù)能量守恒定律設(shè)計(jì)鏡片相位函數(shù)來調(diào)控光強(qiáng)。

②反射式：根據(jù)幾何光學(xué)與能量守恒定律，通過設(shè)計(jì)兩反射鏡重分配光強(qiáng)。

③衍射光學(xué)元件：利用衍射光學(xué)元件，調(diào)控激光波前變化調(diào)控光強(qiáng)。

此類方法成本低、效率高，但因光路結(jié)構(gòu)固定，存在鏡片安裝與制造誤差，且不適用于動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)場景。

*基于固定光學(xué)結(jié)構(gòu)調(diào)控：1)折射式 2)反射式 3)衍射光學(xué)元件

基于空間光調(diào)制器：有可變形鏡、液晶空間光調(diào)制器和數(shù)字微鏡等。

①可變形鏡：通過實(shí)時(shí)操控反射鏡形狀調(diào)制入射光波，改變光束能量分布；

②液晶空間光調(diào)制器：通過調(diào)控電極間電壓改變液晶分子折射率，調(diào)控入射光相位；

③數(shù)字微鏡：通過改變輸入微反射鏡的信號(hào)生成二值圖，控制光束能量。

這類方法速度快、效率高，但對(duì)材料靈敏度要求高，控制難度大且分辨率較低。

*基于空間光調(diào)制器調(diào)控：4)可變形鏡 5)液晶空間光調(diào)制器 6)數(shù)字微鏡

矩形光斑或方形光斑進(jìn)行焊接，有助于生成高質(zhì)量焊縫；線光斑進(jìn)行材料的剝離，可以保證加工精度與重復(fù)性。

相關(guān)產(chǎn)品及應(yīng)用

基于折射式固定光學(xué)結(jié)構(gòu)產(chǎn)品：

奔騰科技的激光切割頭與大族激光的激光焊接頭，基于折射式固定光學(xué)結(jié)構(gòu)制造，常搭配機(jī)床或機(jī)械臂，用于多邊形、多弧形等異形機(jī)械零部件的切割與定位軸、方形槽的焊接等，但加工速度和精度受外部機(jī)構(gòu)影響較大。

基于衍射光學(xué)元件產(chǎn)品：

以色列Holo/or 公司與德國Asphersio 公司的光束整形鏡，基于衍射光學(xué)原理研制，可用作平頂光發(fā)射器、勻化器、渦旋相位板等，能得到多種形狀光斑，用于食品包裝打孔的多點(diǎn)光斑組、玻璃切割的貝塞爾光束等。

基于空間光調(diào)制器產(chǎn)品：液晶空間光調(diào)制器采用幾何掩模對(duì)入射光束整形，可獲得多種類型光斑，實(shí)現(xiàn)多形態(tài)加工，還能實(shí)現(xiàn)尋址微點(diǎn)加工，用于非周期性結(jié)構(gòu)的高效制造。

*點(diǎn)維激光加工系統(tǒng)相關(guān)產(chǎn)品及應(yīng)用

04

激光加工系統(tǒng)：一維

一維空間調(diào)控原理：

聚焦光束在一維空間的調(diào)控包括沿某一維度平移和繞某一維度轉(zhuǎn)動(dòng)兩種方式，入射光需先經(jīng)過調(diào)控系統(tǒng)，再經(jīng)固定的聚焦系統(tǒng)會(huì)聚成聚焦光斑，光束維度的變化主要依靠調(diào)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

調(diào)控光學(xué)結(jié)構(gòu)：

實(shí)現(xiàn)激光一維空間調(diào)控的光學(xué)結(jié)構(gòu)有移動(dòng)反射鏡、偏轉(zhuǎn)反射鏡或旋轉(zhuǎn)多邊形棱鏡、利用雙棱鏡折射等多種方式，通過控制光學(xué)鏡片的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)聚焦激光束在單個(gè)維度上的運(yùn)動(dòng)，但運(yùn)動(dòng)維度尺度有限。

*一維空間激光聚焦光束調(diào)控原理及方式

05

激光加工系統(tǒng)：二維

二維空間調(diào)控原理

調(diào)控原理：

入射光進(jìn)入調(diào)控系統(tǒng)后產(chǎn)生角度為 θ 的偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致進(jìn)入聚焦系統(tǒng)的光束方向改變，最終使得聚焦后的光斑位置在 XY 平面發(fā)生變化。在聚焦系統(tǒng)保持靜止的情況下，主要通過控制調(diào)控系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)激光束在 XY 平面的運(yùn)動(dòng)。

光學(xué)組合方式：

①雙光楔偏轉(zhuǎn)：將兩相同光楔平行放置，通過控制兩個(gè)光楔的旋轉(zhuǎn)角度與速度，使出射光與光軸的夾角不同。隨著兩光楔旋轉(zhuǎn)角度的不斷變化，光束可在 XY 平面運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)聚焦光斑在二維平面位置的調(diào)控。

②雙反射鏡偏轉(zhuǎn)：將兩個(gè)反射鏡放置成一定角度，通過控制反射鏡 1 與反射鏡 2 的旋轉(zhuǎn)角度，改變光束的反射方向，使光束在 XY 平面運(yùn)動(dòng)，達(dá)到控制聚焦光斑在 XY 平面位置的目的。

*二維空間激光聚焦光束調(diào)控原理及方式

相關(guān)產(chǎn)品及應(yīng)用

在實(shí)際的激光加工應(yīng)用中，最具代表性的產(chǎn)品是2D 振鏡。

2D 振鏡工作原理：

2D 振鏡主要利用兩電機(jī)分別帶動(dòng)兩相距一定距離的反射鏡在一定范圍內(nèi)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，經(jīng)過反射鏡偏轉(zhuǎn)的光束再通過聚焦鏡使光斑在工作平臺(tái)聚焦。隨著振鏡 X 與振鏡 Y 的旋轉(zhuǎn)角度不斷變化，光束不斷偏轉(zhuǎn)，最終實(shí)現(xiàn)光斑在工件表面的 XY 平面上的運(yùn)動(dòng)。

2D 振鏡產(chǎn)品差異：根據(jù)電機(jī)中檢測傳感器的不同，2D 振鏡可分為光柵振鏡與光電振鏡，分別對(duì)應(yīng)數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)。電機(jī)上安裝的反射鏡片的種類與尺寸不同，會(huì)使 2D 振鏡具有不同的加工波長與通光孔徑。

國內(nèi)外產(chǎn)品及應(yīng)用：國外德國的SCANLAB 公司、RAYLASE 公司，美國的CTI以及GSI 公司等的 2D 振鏡產(chǎn)品占據(jù)市場主導(dǎo)地位。國內(nèi)上海通用、大族激光、菲鐳泰克等公司的產(chǎn)品表現(xiàn)突出。

例如德國 SCANLAB 公司的SCANcube 系列產(chǎn)品具有結(jié)構(gòu)緊湊、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快與加工精度高等優(yōu)點(diǎn)；我國大族激光的光電振鏡 UltraScan 系列產(chǎn)品抗干擾能力強(qiáng)、重復(fù)精度高。

2D 振鏡在實(shí)際加工中，常與機(jī)床等外部輔助結(jié)構(gòu)配合，用于激光打標(biāo)、切割等領(lǐng)域，以擴(kuò)大加工范圍，滿足不同加工需求。

*2D 振鏡掃描原理及相關(guān)產(chǎn)品

*國內(nèi)外主要2D 振鏡產(chǎn)品及其技術(shù)參數(shù)

06

激光加工系統(tǒng)：三維

三維空間調(diào)控原理

Z 向調(diào)控原理：

在二維空間（XY 平面）調(diào)控的基礎(chǔ)上，增加對(duì) Z 軸的調(diào)控，即控制激光聚焦方向。通過控制調(diào)控系統(tǒng)中鏡片的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)聚焦光束在 Z 方向的運(yùn)動(dòng)，鏡片 2 用于補(bǔ)償鏡片 1 移動(dòng)產(chǎn)生的像差，可采用非球面鏡片或鏡片組，以實(shí)現(xiàn)焦點(diǎn)在 Z 向的大范圍移動(dòng)。

后聚焦掃描模式：

多片透鏡組成光學(xué)杠桿，使聚焦鏡焦深變化量 Δz 隨聚焦透鏡位置移動(dòng)量 Δd 而變化，且焦深變化遠(yuǎn)大于聚焦鏡移動(dòng)，在掃描鏡前先聚焦，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。

前聚焦掃描模式：

鏡片移動(dòng) Δd 時(shí)，焦點(diǎn)位置變化幅度為 Δz ，在掃描鏡后安裝 F-Theta 場鏡補(bǔ)償離焦誤差，使每個(gè)點(diǎn)基本落在加工掃描平面上，在掃描鏡后再聚焦。

結(jié)合二維自身空間調(diào)控和 Z 向調(diào)控，形成由動(dòng)態(tài)調(diào)焦系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)、聚焦系統(tǒng)組成的三維空間激光自身調(diào)控系統(tǒng)。

*Z 向激光調(diào)控原理及方式

*三維空間激光自身調(diào)控系統(tǒng)

Z 維調(diào)控方法及相關(guān)產(chǎn)品

驅(qū)動(dòng)方式：

Z 向調(diào)控由光學(xué)鏡片移動(dòng)引起，不同驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制效果不同。傳統(tǒng)的曲柄滑塊、直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式受機(jī)械結(jié)構(gòu)限制，移動(dòng)范圍較小。

動(dòng)態(tài)模組產(chǎn)品：

我國菲鐳泰克、大族激光以及德國 SCANLAB 等公司均有動(dòng)態(tài)模組產(chǎn)品。

如菲鐳泰克的動(dòng)態(tài)模組通過小角度高速旋轉(zhuǎn)電機(jī)等帶動(dòng)鏡片運(yùn)動(dòng)，大族激光的采用音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)并搭配高精度光電傳感器反饋，SCANLAB 的 vario SCAN Ⅱ能實(shí)現(xiàn)精確聚焦定位。這些動(dòng)態(tài)模組入射光斑直徑、行程等參數(shù)各異，重復(fù)精度較高，但無法單獨(dú)使用，需與 2D 振鏡配合實(shí)現(xiàn)三維空間激光自身調(diào)控。

*動(dòng)態(tài)模組產(chǎn)品（左菲鐳泰克，中大族激光，右SCANLAB）

*國內(nèi)外主要?jiǎng)討B(tài)模組產(chǎn)品及其技術(shù)參數(shù)

三維空間加工系統(tǒng)相關(guān)產(chǎn)品及應(yīng)用

場鏡類型與應(yīng)用：

工業(yè)上的場鏡可由單片或多片透鏡組成，分為球面透鏡和非球面透鏡。

聚焦前掃描模式受后端場鏡限制，適用于深雕與小幅面微孔加工等精密微加工領(lǐng)域，配合遠(yuǎn)心場鏡可加工微小結(jié)構(gòu)；聚焦后掃描模式不受場鏡約束，適用于曲面、超大幅面加工。

振鏡產(chǎn)品：

國內(nèi)外廠家推出 2.5D 和 3D 振鏡產(chǎn)品。

我國菲鐳泰克的 FE 系列 2.5D 振鏡可用于玻璃深雕等，F(xiàn)R 系列 3D 振鏡可用于曲面雕刻等；德國SCANLAB 的 intelliSCAN 系列3D 振鏡可用于微雕刻等。

2.5D 振鏡與 3D 振鏡重復(fù)精度、掃描范圍差別不大，主要差別在于2.5D 振鏡具有深雕能力。

*國內(nèi)外主要2.5D/3D振鏡產(chǎn)品其加工樣品

*國內(nèi)外主要2.5D振鏡產(chǎn)品及其技術(shù)參數(shù)

*國內(nèi)外主要3D振鏡產(chǎn)品及其參數(shù)

07

激光加工系統(tǒng)：“5+N”維

“五 + N” 維空間調(diào)控

偏轉(zhuǎn)維度調(diào)控：

為實(shí)現(xiàn)五維空間激光束的調(diào)控，在三維空間調(diào)控基礎(chǔ)上增加對(duì)激光光束自身偏轉(zhuǎn)維度 α 與 β 的調(diào)控。入射光經(jīng)調(diào)控系統(tǒng)產(chǎn)生偏角，與光軸形成一定夾角，偏轉(zhuǎn)角的形成與調(diào)控系統(tǒng)中光束偏離光軸的距離、出射光偏角等因素有關(guān)。

可通過移動(dòng)反射鏡、棱鏡，或采用平行光板、雙光楔系統(tǒng)等，讓光束產(chǎn)生偏移和偏轉(zhuǎn)。例如道威棱鏡和三反射鏡系統(tǒng)，利用其反射特性使光束偏離光軸出射。

激光特性調(diào)控：

“N” 指對(duì)激光能量、偏振等特性的調(diào)控。激光加工的效率和質(zhì)量與激光本身特性密切相關(guān)，如單脈沖能量影響加工效率和質(zhì)量，不同偏振光對(duì)加工孔的形狀有影響。 可通過激光器設(shè)置調(diào)控脈寬，通過能量衰減系統(tǒng)調(diào)節(jié)能量，利用半波片或 1/4 波片調(diào)控偏振，得到線偏振光或圓偏振光。

*產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)角的原理及相應(yīng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)

相關(guān)產(chǎn)品及應(yīng)用

美國NOVANTA 公司的 Elephant2 可加工不同錐度和形狀的微孔及微結(jié)構(gòu)。

德國SCANLAB 公司的 PRESYS 搭配可視化用戶操作界面，可實(shí)現(xiàn)鉆孔與復(fù)雜圖案加工。

美國AEROTECH的 AGV5D 在介入性心血管植入、微電子加工方面廣泛運(yùn)用。

這些產(chǎn)品包含控制系統(tǒng)、操作系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)與冷卻系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)光束多維度變化、便于操作、保證加工有效性和安全性。

然而，目前 “五+N” 維激光加工頭普遍存在加工范圍小的問題，如 Z 方向調(diào)節(jié)尺度約為 ±1mm，角度偏轉(zhuǎn)最多 ±9°，提升加工尺度成為未來主要研究方向。

* “五+N”維激光加工頭

*國內(nèi)外“五+N”維激光加工頭及其技術(shù)參數(shù)

【文獻(xiàn)信息】