激光自身空间维度加工系统综述

 

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应用背景

随着智能制造步伐加快，各行业对精细化零部件的加工需求愈发旺盛。传统借助外部辅助机构如机床、机械臂带动激光加工头实现激光束空间维度变化的方式，因运动磨损、连续启停等因素，限制了加工精度与速度。

激光自身空间维度加工系统具备调控激光束空间维度变化的能力，特别适用于高效、高精度的激光加工。其主要涵盖点维、一维、二维、三维和 “五+N” 维加工系统。不同维度的系统通过独特的光学结构和调控方式，实现对聚焦光束空间维度的控制，在航空航天、电子信息、生物医学等诸多领域有着广泛的应用前景，为激光加工技术的发展提供了新的方向和解决方案。

 

02

 

激光自身空维度加工系统：分类及特点

1.点维激光加工系统

原理：激光束通过聚焦系统获得聚焦光斑（包括点光斑､线光斑､方形光斑以及多种异型光斑等），但聚焦光束无法在空间维度上进行运动，如需进行空间维度加工需要借助外部辅助机构移动聚焦光束或者加工样品｡

应用：点维空间激光光束可用于芯片隐形切割、 透明材料内部微流控加工等。

2.一/二/三维激光加工系统

原理：聚焦光束在某个空间维度（X，Y，Z，α 或 β）/ 两个空间维度（XY、YZ或XZ）/ 三个空间维度（XYZ）上进行运动。

示例：以二维空间的聚焦光束调控为例，其激光束只能在两个维度上运动，若要实现第三个维度的运动，需要借助外部辅助机构（如机床､机械臂等）扩充空间维度，同时可以扩大聚焦光束的空间移动范围，但是外部辅助机构的运动速度远小于激光自身空间维度变化的运动速度，而误差又大于激光自身空间维度的运动误差，故而影响加工速度和精度｡

应用：三维激光光束常用于曲面结构加工等。

3.“五+N”维激光加工系统

原理：其中“五”即聚焦光束可以在五个维度空间运动，包括三维空间的 XYZ 以及两个偏转维度 α 与 β，而“N”是指激光自身特性如激光能量、激光偏振特性等的调控｡

应用：五维激光光束可以实现倒锥孔、 异形槽等复杂结构的加工。

4.借助外部辅助机构的局限

虽能带动激光加工头改变激光束空间维度，但由于机床、机械臂等多轴运动装置存在运动磨损、连续启停等问题，严重限制了加工的精度与速度。

与之相比，激光自身空间维度调控系统在加工精度和速度上优势显著。

 

03

 

激光加工系统：点维

点维空间调控原理

光斑形成与整形：

激光束通过调控系统、聚焦系统后会聚成广义上的点光斑，实际光斑尺寸在微米级别。调控系统可对激光能量重新分割和分配，实现光斑形状的整形，如产生高斯态、平顶态等不同光强形态，以及月牙光斑、五角星光斑、多点光斑等异形光斑。

*激光点维聚集

*光强形态分布

*异性光斑形态

调控方法：

基于固定光学结构：包括折射式、反射式与衍射光学元件。

①折射式：由两非球面透镜组成，依据能量守恒定律设计镜片相位函数来调控光强。

②反射式：根据几何光学与能量守恒定律，通过设计两反射镜重分配光强。

③衍射光学元件：利用衍射光学元件，调控激光波前变化调控光强。

此类方法成本低、效率高，但因光路结构固定，存在镜片安装与制造误差，且不适用于动态调节场景。

*基于固定光学结构调控：1)折射式 2)反射式 3)衍射光学元件

基于空间光调制器：有可变形镜、液晶空间光调制器和数字微镜等。

①可变形镜：通过实时操控反射镜形状调制入射光波，改变光束能量分布；

②液晶空间光调制器：通过调控电极间电压改变液晶分子折射率，调控入射光相位；

③数字微镜：通过改变输入微反射镜的信号生成二值图，控制光束能量。

这类方法速度快、效率高，但对材料灵敏度要求高，控制难度大且分辨率较低。

*基于空间光调制器调控：4)可变形镜 5)液晶空间光调制器 6)数字微镜

矩形光斑或方形光斑进行焊接，有助于生成高质量焊缝；线光斑进行材料的剥离，可以保证加工精度与重复性。

相关产品及应用

基于折射式固定光学结构产品：

奔腾科技的激光切割头与大族激光的激光焊接头，基于折射式固定光学结构制造，常搭配机床或机械臂，用于多边形、多弧形等异形机械零部件的切割与定位轴、方形槽的焊接等，但加工速度和精度受外部机构影响较大。 

基于衍射光学元件产品：

以色列 Holo/or 公司与德国 Asphersio 公司的光束整形镜，基于衍射光学原理研制，可用作平顶光发射器、匀化器、涡旋相位板等，能得到多种形状光斑，用于食品包装打孔的多点光斑组、玻璃切割的贝塞尔光束等。 

基于空间光调制器产品：液晶空间光调制器采用几何掩模对入射光束整形，可获得多种类型光斑，实现多形态加工，还能实现寻址微点加工，用于非周期性结构的高效制造。

*点维激光加工系统相关产品及应用

 

 

04

 

激光加工系统：一维

一维空间调控原理：

聚焦光束在一维空间的调控包括沿某一维度平移和绕某一维度转动两种方式，入射光需先经过调控系统，再经固定的聚焦系统会聚成聚焦光斑，光束维度的变化主要依靠调控系统实现。

调控光学结构：

实现激光一维空间调控的光学结构有移动反射镜、偏转反射镜或旋转多边形棱镜、利用双棱镜折射等多种方式，通过控制光学镜片的运动实现聚焦激光束在单个维度上的运动，但运动维度尺度有限。

*一维空间激光聚焦光束调控原理及方式

 

 

05

 

激光加工系统：二维

二维空间调控原理 

调控原理：

入射光进入调控系统后产生角度为 θ 的偏转，导致进入聚焦系统的光束方向改变，最终使得聚焦后的光斑位置在 XY 平面发生变化。在聚焦系统保持静止的情况下，主要通过控制调控系统来实现激光束在 XY 平面的运动。 

光学组合方式：

①双光楔偏转：将两相同光楔平行放置，通过控制两个光楔的旋转角度与速度，使出射光与光轴的夹角不同。随着两光楔旋转角度的不断变化，光束可在 XY 平面运动，从而实现对聚焦光斑在二维平面位置的调控。

②双反射镜偏转：将两个反射镜放置成一定角度，通过控制反射镜 1 与反射镜 2 的旋转角度，改变光束的反射方向，使光束在 XY 平面运动，达到控制聚焦光斑在 XY 平面位置的目的。

*二维空间激光聚焦光束调控原理及方式

相关产品及应用

在实际的激光加工应用中，最具代表性的产品是2D 振镜。

2D 振镜工作原理：

2D 振镜主要利用两电机分别带动两相距一定距离的反射镜在一定范围内发生偏转，经过反射镜偏转的光束再通过聚焦镜使光斑在工作平台聚焦。随着振镜 X 与振镜 Y 的旋转角度不断变化，光束不断偏转，最终实现光斑在工件表面的 XY 平面上的运动。 

2D 振镜产品差异：根据电机中检测传感器的不同，2D 振镜可分为光栅振镜与光电振镜，分别对应数字信号与模拟信号。电机上安装的反射镜片的种类与尺寸不同，会使 2D 振镜具有不同的加工波长与通光孔径。

国内外产品及应用：国外德国的 SCANLAB 公司、RAYLASE 公司，美国的 CTI 以及 GSI 公司等的 2D 振镜产品占据市场主导地位。国内上海通用、大族激光、菲镭泰克等公司的产品表现突出。

例如德国 SCANLAB 公司的 SCANcube 系列产品具有结构紧凑、动态响应快与加工精度高等优点；我国大族激光的光电振镜 UltraScan 系列产品抗干扰能力强、重复精度高。

2D 振镜在实际加工中，常与机床等外部辅助结构配合，用于激光打标、切割等领域，以扩大加工范围，满足不同加工需求。

*2D 振镜扫描原理及相关产品

*国内外主要2D 振镜产品及其技术参数

   

 

06

 

激光加工系统：三维

三维空间调控原理

Z 向调控原理：

在二维空间（XY 平面）调控的基础上，增加对 Z 轴的调控，即控制激光聚焦方向。通过控制调控系统中镜片的移动实现聚焦光束在 Z 方向的运动，镜片 2 用于补偿镜片 1 移动产生的像差，可采用非球面镜片或镜片组，以实现焦点在 Z 向的大范围移动。

后聚焦扫描模式：

多片透镜组成光学杠杆，使聚焦镜焦深变化量 Δz 随聚焦透镜位置移动量 Δd 而变化，且焦深变化远大于聚焦镜移动，在扫描镜前先聚焦，实现动态补偿。

前聚焦扫描模式：

镜片移动 Δd 时，焦点位置变化幅度为 Δz ，在扫描镜后安装 F-Theta 场镜补偿离焦误差，使每个点基本落在加工扫描平面上，在扫描镜后再聚焦。

结合二维自身空间调控和 Z 向调控，形成由动态调焦系统、扫描系统、聚焦系统组成的三维空间激光自身调控系统。

*Z 向激光调控原理及方式

*三维空间激光自身调控系统

Z 维调控方法及相关产品

驱动方式：

Z 向调控由光学镜片移动引起，不同驱动机构控制效果不同。传统的曲柄滑块、直线电机驱动方式受机械结构限制，移动范围较小。 

动态模组产品：

我国菲镭泰克、大族激光以及德国 SCANLAB 等公司均有动态模组产品。

如菲镭泰克的动态模组通过小角度高速旋转电机等带动镜片运动，大族激光的采用音圈电机驱动并搭配高精度光电传感器反馈，SCANLAB 的 vario SCAN Ⅱ 能实现精确聚焦定位。这些动态模组入射光斑直径、行程等参数各异，重复精度较高，但无法单独使用，需与 2D 振镜配合实现三维空间激光自身调控。

*动态模组产品（左菲镭泰克，中大族激光，右SCANLAB）

*国内外主要动态模组产品及其技术参数

三维空间加工系统相关产品及应用

场镜类型与应用：

工业上的场镜可由单片或多片透镜组成，分为球面透镜和非球面透镜。

聚焦前扫描模式受后端场镜限制，适用于深雕与小幅面微孔加工等精密微加工领域，配合远心场镜可加工微小结构；聚焦后扫描模式不受场镜约束，适用于曲面、超大幅面加工。 

振镜产品：

国内外厂家推出 2.5D 和 3D 振镜产品。

我国菲镭泰克的 FE 系列 2.5D 振镜可用于玻璃深雕等，FR 系列 3D 振镜可用于曲面雕刻等；德国 SCANLAB 的 intelliSCAN 系列 3D 振镜可用于微雕刻等。

2.5D 振镜与 3D 振镜重复精度、扫描范围差别不大，主要差别在于2.5D 振镜具有深雕能力。

*国内外主要2.5D/3D振镜产品其加工样品

*国内外主要2.5D振镜产品及其技术参数

*国内外主要3D振镜产品及其参数

 

 

07

 

激光加工系统：“5+N”维

“五 + N” 维空间调控

偏转维度调控：

为实现五维空间激光束的调控，在三维空间调控基础上增加对激光光束自身偏转维度 α 与 β 的调控。入射光经调控系统产生偏角，与光轴形成一定夹角，偏转角的形成与调控系统中光束偏离光轴的距离、出射光偏角等因素有关。

可通过移动反射镜、棱镜，或采用平行光板、双光楔系统等，让光束产生偏移和偏转。例如道威棱镜和三反射镜系统，利用其反射特性使光束偏离光轴出射。

激光特性调控：

“N” 指对激光能量、偏振等特性的调控。激光加工的效率和质量与激光本身特性密切相关，如单脉冲能量影响加工效率和质量，不同偏振光对加工孔的形状有影响。 可通过激光器设置调控脉宽，通过能量衰减系统调节能量，利用半波片或 1/4 波片调控偏振，得到线偏振光或圆偏振光。

*产生偏转角的原理及相应的光学结构

相关产品及应用

美国 NOVANTA 公司的 Elephant2 可加工不同锥度和形状的微孔及微结构。

德国 SCANLAB 公司的 PRESYS 搭配可视化用户操作界面，可实现钻孔与复杂图案加工。

美国 AEROTECH 的 AGV5D 在介入性心血管植入、微电子加工方面广泛运用。

这些产品包含控制系统、操作系统、监测系统与冷却系统，以实现光束多维度变化、便于操作、保证加工有效性和安全性。

然而，目前 “五+N” 维激光加工头普遍存在加工范围小的问题，如 Z 方向调节尺度约为 ±1mm，角度偏转最多 ±9°，提升加工尺度成为未来主要研究方向。

* “五+N”维激光加工头

*国内外“五+N”维激光加工头及其技术参数

【文献信息】

 

标题	激光自身空间维度加工系统综述
作者	梅雪松；李凯林；赵万芹；刘斌；孙铮；段文强；王文君；崔健磊；凡正杰
DOI	110.3901/JME.2023.19.375
网址	hthttp://www.cjmenet.com.cn//CN/10.3901/JME.2023.19.375