在过去的二十年中,激光加工系统得到了无数工业应用领域的青睐,如,焊接,切割,刻线,雕版,钻孔,以及打标。检流计扫描系统常被用于使激光光斑在工件上快速而准确的定位。这种系统利用一对可旋转的镜子来实现二维可控的激光光束偏转。激光光束可被精确的定位,通过以一定的速度往复移动光束从而获得规定的图案。扫描头上的控制器单一的决定了激光光斑所走的轮廓。
与传统方案相比,激光的材料加工由于使用了扫描系统带来了许多的优势:高水平的动力学性能以及加工速度;消除了机械工具磨损;非接触加工;小且精确限定的热影响区域;特有的柔性,无须再加工。
应用
激光打标是检流计扫描系统的一个关键应用。用激光标志的文字有永久性特点,此外,可读性很好,且不需要耗材的使用。这项应用对于食品包装上的有效期代码或者是ATM卡和身份证上的文字都是很理想的选择。
扫描系统在其他许多领域也得到了应用,如高精度的材料加工领域,电子工业(硅加工,印刷电路版钻孔),医疗技术领域(激光眼科手术,相干眼底断层扫描仪),快速制造业(激光快速成型技术,激光烧结/熔融),以及用千瓦级功率的激光进行切割或者焊接。
由于对激光功率,精确度和加工速度的不同要求,市场上有大量的扫描系统配置。图1给出了不同应用的概况,它们的要求,以及合适的扫描头。
配置
如果不考虑应用的话,激光的材料加工系统从本质上来说依赖以下组件:激光光源,光束整形,光束定位,和控制器。此外还需要使用附加的特定用途的组件,如操作系统,图象处理,或者进程控制设备。图2给出了基本的扫描头系统装置,图3给出了不同的聚焦镜组件的具体描述。
对于聚焦,典型的是使用专门的平场镜片,即,F-Theta镜头,安装在扫描头的光束出射处。这个镜头聚焦经过准直后的激光而不受限于偏转镜的位置,且聚焦后总是在一个平面内。这种F-Theta镜头有许多不同的波长以及焦距可供选择。所得到的象场边长通常是镜头焦距的50%-70%。被用于材料微加工的远心F-Theta镜头将激光束垂直的聚焦在象场,边长典型值为50mm。
焦斑的直径由镜头的焦距 f,可处理的表面面积,以及激光类型和扫描头的孔径等因素决定。对高斯分布的光束来说,其焦斑直径s,可以通过以下公式计算:
s = λf M2 k / d
这里,λ是激光波长,M2表征光束质量,d是经过聚焦光学系统前的光束直径。参数k表征激光光束由于孔径或者是在镜头内时产生的衍射效应。为了使焦点处的功率密度达到最大,即,提高加工速度,光束宽度必须扩展至与扫描头孔径相等。这种情况下,k = 1.83。
在一些应用中,快速移动的透镜系统被置于扫描器前端,用来调节焦距以符合偏转镜和激光在工件上的目标点之间的距离。这种varioSCAN可变扫描光学装置在没有合适的F-Theta镜头可用时尤其有用,例如在光束直径长或者象场较大时,在高的激光功率或者激光波长特别时就可以使用。此外,这些varioSCAN可变扫描光学部件在扫描范围内可实现三维加工,它们可以被单独使用,或者与F-Theta镜头一起使用。