集成 CO₂ 激光器和扫描振镜以实现性能互补的复杂性

CO₂ 激光器广泛运用于各种应用，包括打标打码、切割、钻孔穿孔、消融，以及从模切到 3D 打印的各种行业，这些应用中，激光光束的高速度和高精度控制同样至关重要。激光源通常根据其脉冲性能、光学输出功率和波长进行选择，而扫描振镜则根据其工作范围和光斑直径、速度以及精度等规格进行选择。因此，虽然每个组件都是根据其性能特征进行选择的，但是，对设备制造商和激光集成商而言，确保组合系统达到最佳性能是一项独特的挑战。

本文深入探讨了集成 CO₂ 激光器和扫描振镜以实现性能互补的复杂性。内容包括选择正确的机械部件、电气和光学组件时的关键因素，以及如何设计一条易于对准且经济高效的光束路径。尽管这些方面一直被低估，但它们在子系统的整体成功中发挥着至关重要的作用。

Novanta CO2激光器与振镜的组合

在所有激光材料加工中，对于质量和速度的实际需求决定了最佳的激光源和光束控制组件。Novanta 全球应用中心在各种激光应用方面拥有丰富的经验，这些应用涵盖了各种商用波长(UV–IR)、输出功率 (mW–kW)、脉冲宽度 (fs–cw) 和扫描振镜孔径 (10mm–50mm) 以及控制方法（模拟、混合、数字）。

上图显示了 Novanta 可提供的 CO₂ 激光器和模拟/混合扫描振镜的组合。总体而言，更大的扫描振镜通光孔径可实现更小的焦斑直径和更高的可接受激光功率，而更小的孔径则允许更快和动态性能更高的光束控制。扫描振镜越小，价格通常越低，因此必须检查激光器的最大功率输出 (Pmax) 是否满足扫描振镜的镜片通光孔径 (D) 和镜片反射率 (R) 性能的要求。

1/e² 光束尺寸和有效通光孔径

在高斯光学中，原始入射光束尺寸直接影响扫描振镜的焦斑直径。为实现最小的焦斑直径，最理想的情况是用最大直径的光束充分填充扫描振镜的输入孔径。通常，激光光束的宽度在其参数表里提供 1/e² 直径数值，包含了大约 86.5% 的总能量，而扫描振镜的参数表会给出有效的通光孔径。为了确保 99% 的激光光束能量能通过扫描振镜，下面的计算显示，必须在以 1/e²值形式给出的光束尺寸和自由孔径之间应用约 1.5 倍的安全系数。

高斯光束的功率损失和比率计算

如果通光孔径与光束直径的比率小于 1.5，则可能导致显著的衍射环和系统中的激光功率损失，从而导致打标或切割性能下降、组件寿命缩短。较大的比率将导致光学组件上的功率密度增加和焦点区域的光斑直径增大。因此，确保激光光束尺寸与特定的扫描振镜准确匹配至关重要。

激光光束和振镜孔径的光学匹配

基本上扫描振镜只有与入射激光光束精确匹配才能实现最佳性能，必须充分考虑激光光束的准直度、椭圆度、模式、尺寸和入射角度。为了使激光器与扫描振镜参数能相互匹配，同时考虑激光光束的发散，Novanta 精心选择了由一流的优质供应商提供的可调节扩束器。通过这些扩束器能高效地进行光束整形和尺寸控制，从而使激光系统达到最佳性能。

匹配过程中的另一个关键方面是光束对准，这通常取决于自由空间光系统。尽管 CO₂ 激光器的长波长在处理纸张、聚合物、玻璃和其他有机材料时有优势，但它也为光纤传递带来了挑战。目前可用的光纤技术会吸收过多激光能量，而且对于大多数工业应用来说，透过率不够高。因此，对于大多数应用，尤其是涉及到 CO₂ 激光器功率超过 30W 的应用，在激光器和扫描振镜之间采用自由空间光束传播是首选方法。

大多数 CO₂ 激光器在光束出口位置和角度上都有一些变化，因此需要对进入振镜的激光束进行对准。激光光束必须以极高的精度与扫描振镜输入孔径的中心对齐。任何输入光束的偏差都会在远场中被放大，这会导致输出光束偏离中心，挡光引起功率损失，或者对扫描场造成负面影响。

解决光束对准问题的最佳技术是在光路中添加两个独立的可调节的镜片和对应的基准，以便将机械位置精确匹配到扫描振镜的光学轴。虽然这种技术是有效的，但它会显著提高子系统的成本、占用空间和复杂性。为了简化对准挑战，Novanta 的 Synrad 品牌为其 CO₂ 激光器开发了特殊的底板和安装脚。通过将各个激光器预对准到其底板，Novanta 可以极大地限制扫描振镜入口孔径处的激光光束位置和角度的变化。这样便打造出一个外观精巧、精确无误的子系统设计。

激光对准概述

Novanta 使用几个关键组件来预对准 CO2激光子系统：

• 激光输出端固定位置有一个孔径的支架

• 磷光屏

• 可接受多种激光配置的轨道底板

• 激光对准脚

CO2 激光器与扫描振镜子系统概述

优化激光器和扫描振镜子系统的性能时，需要考虑的不仅仅是光学机械设计。Novanta子系统将高性能激光器和扫描振镜与经过测试的电源相结合，同时还配有 ScanMaster Controller(SMC) 和 ScanMaster Designer。借助功能强大的控制器和软件集成工具包，可轻松实现尖端应用开发和设备控制。

Novanta 提供多种混合和数字扫描振镜，包括 Novanta 的 2 轴混合扫描振镜 VERSIA，其设计充分考虑了性能和系统集成。VERSIA 采用精巧的工业设计，非常适合用于微加工和打标打码等多功能应用。VERSIA拥有 IP54 防护等级的外壳，并采用直观的、符合行业标准的输入和输出接口，便于集成。为了使用户能够监控位置反馈并使用其他监控工具，VERSIA 还支持双向通信协议。凭借 Novanta 的数字伺服设计，伺服控制板能够支持多个针对特定应用进行单独优化的调试方式。