連載《激光，一種工具》丨第三章：將光轉換為工具

來源 | 通快

上一篇文章里我們已經介紹了激光是如何產生的以及激光的種類，但是激光產生的光並不是直接用來進行材料加工的，需要進行光束轉換，變成鋒利的工具。

激光從光源輸出之後，要經過光束整形、傳導、再整形和聚焦等基本的過程。根據激光種類以及加工任務的不同，光束經過的元器件也將不同。我們以 CO2 激光器和固體激光器為例簡單介紹一下這其中所採用的光束傳輸系統和光學聚焦系統所需要的典型元器件。除了這些元器件之外，你還會發現大量其它的元器件，而且不同製造商設計所用到的元件也是不同的。

由於波長的特殊性， CO2 激光器的輸出激光以自由光束的形式從光源傳輸到加工頭。與電力運輸類似，激光首先也會通過激光束擴束減小光的發散角，實現長距離的傳輸，在光束傳輸系統的終點，激光束進入到加工頭。加工頭通過改變光束性質，使其成為適用於不同工藝的工具。聚焦直徑、焦深、像距以及功率密度都需要針對特定的工藝而調整。因此，不同材料的加工涉及到不同加工頭的使用。儘管它們都依賴於能聚焦激光束的透鏡或反射鏡，但是它們各自的特性需要根據具體的加工過程和用到它們的設備來決定。目前在 CO2 激光器中主要有透鏡聚焦和反射聚焦兩種方式。

透鏡光學系統可以用於 CO2 激光器和固體激光器。它們包含一個或者多個用來聚焦光束的透鏡。製造透鏡的材料必須對相應激光的波長是低吸收的。否則透鏡將會吸收激光而發熱，產生像差。甚至會引起透鏡和加工頭的損傷。

反射式光學系統多用於高功率激光器中。金屬反射鏡更加耐用，它們不受熱損傷影響，因此對能吸收激光能量的灰塵或者其他顆粒的敏感度低一些。與透鏡傳輸不同的是：凸面反射鏡（向外彎曲）使光束髮散，而凹面反射鏡（向內彎曲）使光束匯聚。

與 CO2 激光器中複雜的光束傳輸系統相比，固體激光器的光束可以採用更為簡單更為先進的方式傳導。由於波長處於近紅外波段，激光束可以在纖細的石英光纖中傳輸而不會出現太高的能量損耗。石英光纖是激光傳輸光纖的核心，激光傳輸按照全反射的方式進行。

激光束離開光源後，立即被耦合進激光傳輸光纖。一旦光束進入光纖，它就可以被傳送到生產設備中的任何地方。光纖為激光束提供了最佳的保護，使它可以在較低功率損耗的條件下覆蓋光源與放置代加工產品機器間超過 100m 的距離。

為了提高激光器的使用效率，單台激光器可以通過光纖多光路輸出的方式將激光能量傳輸到多個設備或工作站。當多個工作站需要使用激光但又不是同時使用激光加工時，這種激光網路將是個不錯的方案。除此之外，當激光網路中某個輸出光路出現故障時也可以快速的用空閑光路替換，確保激光加工的連續性，也提高了激光的可用性，避免了長時間停工。汽車行業中汽車車身的生產經常會用到這樣的激光網路方案。

與 CO2 激光器一樣，固體激光器也採用透射式和反射式進行光束整形和聚焦。它們的結構非常相似，只是由於波長的差異性造成了鏡片的材料不同，在此我們不再進行介紹。

除了透射式和反射式的固定式加工頭，振鏡掃描光學系統在激光加工中也發揮著重要的作用，它們可以用來激光打標、焊接、鑽孔和燒蝕等應用。相對於固定式加工頭，振鏡加工頭對於工件的加工速度更快，精度也更高。

在典型的掃描光學系統中，兩個電機控制鏡片的旋轉來反射激光，然後用平場透鏡對光束進行聚焦。兩個鏡片的旋轉軸彼此垂直。鏡片可以將焦點導向工作區域內任何一點，也就是用激光「掃描」工作區域。掃描光學系統能夠對激光束焦點進行瞬時定位。這是通過旋轉體積小、重量輕的鏡片來實現的，而不是移動光學系統或整個橫向構件。由於鏡片和工件之間存在很大的距離，鏡片稍微旋轉就能使激光束移動幾厘米。因此平場透鏡可以實現大平面區域上的激光加工。

同步機器人運動軌跡的遠程激光焊接又叫飛行焊接，是振鏡加工中速度更快、等待時間被極大優化的加工方式。飛行焊接將機器人和掃描光學系統結合使用，動態地將聚焦激光束定位到工件上。用高度集成的激光焊接僅僅幾秒鐘就能將像汽車車門這樣的大部件焊接在一起。機器人在工件上約半米範圍內沿著平滑路線移動掃描光學系統。極度靈活的掃描鏡在幾分之一秒內就可以將聚焦點從一條焊縫引導到另一條焊縫。機器人運動的時候，激光器不需要進行等待，進一步提高設備的生產效率。另外，為了在高速焊接的時候保證加工的準確性和穩定性，越來越多的感測器也開始進入到不同的應用領域中。