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摘要

復雜的光束對準和高指向穩定要求是激光材料加工設備尤其是非光纖龍門加工系統的最大挑戰，它們對設備機械元件的設計和處理提出了更高的技術要求。使用簡單機械結構的光束指向穩定系統Aligna，不僅降低了設備成本，同時又顯著提高了加工精度，并且這一系統還為整體光路的提供全自動對準。

正文

在材料微加工中，激光器覆蓋了在越來越多的應用領域。這種定制化的加工方式擁有超高的分辨率，可以輕松完成錯綜復雜的機械與光學元器件的制造。特別是超快激光所展現出的材料上最低限度熱傳遞的優勢，極大降低了機械應力和表面損壞。實際上，通過使用這種超短脈沖，我們幾乎可以在所有的材料上進行簡單精確的織構。

不過，只有保證激光源和光路上的所有的光學機械元件都沒有任何漂移時，超高的分辨率才可能實現。通常情況下，避免漂移是極其困難的，甚至不可能實現。因為高能短脈沖激光器的內部結構非常復雜，其對環境溫度的變化非常敏感，即使在激光器完成預熱的情況下，環境溫度的輕微變化也常常導致出射光束產生不容忽略的角度漂移。

此外，激光光束必須相對于加工目標進行精確移動。通常我們將設備設計成1軸，2軸或多軸的龍門系統。光束不僅要貫穿這些不斷振動與自由漂移的軸，而且還必須與每一個移動軸均勻平行。如果不這樣做的話，將導致聚焦透鏡上的光束會隨龍門軸的移動而移動。這反過來會導致焦點位置的誤差和光斑質量退化 (主要歸結于透鏡像差)。

典型的對策是使用一些堅固且精度很高的機械結構，通常這些機械結構不僅昂貴而且非常沉重，并且需要進行曠日持久的人工調節。這種發源于機械銑床的構建方式確實是行之有效的方法。

與傳統的機械銑削頭相比，激光束的最大特點是幾乎沒有質量。所以即使平均功率達到幾千瓦的光束都可以使用小巧輕質的反射鏡進行X&Y方向的位置和角度的高動態移動。上海昊量光電提供的Aligna系統使用納米級分辨率位置敏感探測器（PSD）以幾十MHz的速度測量光束位置和角度，并使用基于壓電陶瓷的伺服反饋機構對測得的偏移可以進行快速糾正。

乍一看，這樣一個主動的穩定系統比被動的機械結構穩定顯得更加復雜。不過再仔細想想：被動穩定需要相當多的努力——空間溫度變化或高功率線性模組散熱產生的熱漂移必須避免或屏蔽，如果可能的話，也要通過機械結構進行補償。高動態運動需要堅固沉重的龍門架和機械底座（通常由混凝土或花崗巖建造），這反過來又需要更多的電力，從而導致更多的散熱，當然也會增加更多的成本。

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