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SLM激光加工系統(tǒng)與振鏡加工系統(tǒng)兩用光路案例分享

jf_64961214 ? 來源:jf_64961214 ? 作者:jf_64961214 ? 2024-10-29 15:56 ? 次閱讀

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原有光路

01、實(shí)驗(yàn)背景

隨著精密激光加工需求的增長(zhǎng),如何在現(xiàn)有振鏡系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加空間光調(diào)制器(SLM)作為加工設(shè)備,搭建一套靈活的雙模式光路系統(tǒng)——既能單獨(dú)使用振鏡系統(tǒng),又能獨(dú)立操作SLM系統(tǒng),且在各自工況下互不干擾,這一切的關(guān)鍵就在于給光路加裝“切換開關(guān)”。本文將介紹幾種創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案,探索如何在現(xiàn)有振鏡光路中整合SLM光路,最終實(shí)現(xiàn)雙模式加工的穩(wěn)定、便捷切換。

02、光路改造

改造靈感大比拼

思路1:讓SLM直接當(dāng)鏡子,光路不改

這招簡(jiǎn)單粗暴,把SLM直接當(dāng)“鏡子”反射激光,繼續(xù)用振鏡加工。這個(gè)方案的最大優(yōu)點(diǎn)就是“平移光路,穩(wěn)如磐石”,完全不需要其他改動(dòng)。

激光器波長(zhǎng):515nm

重復(fù)頻率:600khz

脈沖寬度:800fs

光斑:30-50um,高斯光

單脈沖能量:125uJ

然而,細(xì)節(jié)往往是關(guān)鍵所在——振鏡加工所需的激光峰值功率密度遠(yuǎn)超出SLM的耐受閾值,導(dǎo)致SLM光路面臨過高功率密度的問題。根據(jù)計(jì)算,即使將激光光斑擴(kuò)展至SLM的最大照射直徑(12mm),其峰值功率密度仍可達(dá)276.3MW/cm2,超過SLM能承受的上限(由于800nm以下的雙光子吸收特性,SLM在30MW/cm2以上的功率密度無法承受),即便通過能量衰減方式將峰值功率降至27.63MW/cm2,雖然可保證SLM的安全使用,但會(huì)影響振鏡系統(tǒng)的加工能量需求,嚴(yán)重影響加工效果。

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結(jié)果:直接PASS!

思路2:分家!兩套光路,分頭并進(jìn)

如果SLM和振鏡合不來,那就分個(gè)“家”吧!讓激光一出來就分成兩束:一路“直奔振鏡”,另一路“轉(zhuǎn)向SLM”。這聽上去沒毛病,但在空間緊張的光學(xué)平臺(tái)上安排分束光路,結(jié)果只能是——擁擠!

這里我們想到一個(gè)“小妙招”:利用平臺(tái)上“爬升光路”。在原平臺(tái)上增加第二層面包板,把SLM光路安排到“空中一層”——騰出更多空間。盡管這招有效,但調(diào)節(jié)和后期維護(hù)麻煩,工程量也不小。

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結(jié)果:雖然可行,但操作繁瑣。

思路3,共軸光路,翻轉(zhuǎn)切換

說到“省空間、調(diào)光路”,共軸光路派上用場(chǎng)了。這里的關(guān)鍵設(shè)計(jì)是翻轉(zhuǎn)鏡和推拉鏡,讓SLM和振鏡系統(tǒng)共用同一條光路!

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● 巧用翻轉(zhuǎn)鏡和推拉鏡

將45度反射鏡和翻轉(zhuǎn)鏡架組合在一起,在平臺(tái)上布置45度反射鏡,將光路偏轉(zhuǎn)至共軸光路中。光路在進(jìn)入SLM加工系統(tǒng)時(shí),在SLM加工模式下,推入4f系統(tǒng)的透鏡;切換至振鏡模式時(shí),移出4f透鏡以形成原始光路。此設(shè)計(jì)有效實(shí)現(xiàn)了兩種光路的無干擾切換。——一鍵切換,光路絲滑流暢!

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定制4f系統(tǒng)

4f系統(tǒng)的兩個(gè)透鏡焦距需根據(jù)SLM與振鏡的距離提前設(shè)定,確保兩者光路的匹配度。由于SLM加工光路共用振鏡系統(tǒng)的一部分路徑,4f系統(tǒng)的焦距配置需精準(zhǔn)。若實(shí)際布置空間不足,可通過增加反射鏡輕松延長(zhǎng)4f的光路長(zhǎng)度,從而更靈活地適應(yīng)空間布局需求。

● 焦平面保護(hù)“法寶”

高能激光的焦平面能量密度極高,尤其在大功率加工時(shí),容易對(duì)光學(xué)鏡片造成損傷。因此,所有反射鏡、透鏡的擺放位置盡量避開焦平面位置,讓光路既高效又安全。

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最終方案:切換自由的共軸光路!

基于上述思路,最終光路設(shè)計(jì)為:元件移入光路時(shí)進(jìn)入SLM加工模式,移出光路時(shí)為振鏡模式。此雙模式光路的實(shí)現(xiàn)滿足了實(shí)驗(yàn)需求,操作流暢、切換靈活,一次實(shí)驗(yàn)中就能輕松實(shí)現(xiàn)振鏡和SLM單獨(dú)使用的快速切換,真正做到“一鍵變身”。

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這樣的光路改造小試驗(yàn),最終為激光加工設(shè)備實(shí)現(xiàn)了“多功能切換”,不僅節(jié)省了設(shè)備空間,還提高了切換效率。如此靈活的方案讓這臺(tái)激光設(shè)備擁有了“魔術(shù)變身”的能力,你學(xué)到了嗎?

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新品推薦!700W藍(lán)寶石SLM

濱松引入了新型號(hào)700W藍(lán)寶石SLM,通過獨(dú)特的散熱技術(shù)和藍(lán)寶石加持,將LCOS的平均功率閾值從業(yè)界最高的200W以上一舉飆升到了700W以上。實(shí)測(cè)功率密度超過3127W/cm2。搭載了這一技術(shù)的X15213-03CL在金屬加工領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了LCOS的又一重大突破。

LCOS-SLM(空間光調(diào)制器)X15213 系列產(chǎn)品一覽:

X15213系列提供廣泛的產(chǎn)品陣容,以滿足各種波長(zhǎng)的需求。所有類型都配備一個(gè)具有抗反射涂層的玻璃基板和一個(gè)帶有振鏡的CMOS芯片

推薦光束直徑 (1/e2) 為8mm或以上。

●鋁鏡型 (-01/-07/-08)

鋁鏡型利用了 CMOS 芯片上鋁電極的反射,具有較寬的反射波段,因此適用于較廣的波長(zhǎng)范圍。

●介電多層鏡型 (-02/-03/-05/-12/-13/-15/-16/-19)

介電多層鏡型的 CMOS 芯片表面上具有專門設(shè)計(jì)的介電多層膜,可支持各種波長(zhǎng)的激光光源。與鋁鏡型相比,介質(zhì)鏡實(shí)現(xiàn)的反射率越高,內(nèi)部吸收率就越低。可實(shí)現(xiàn)高光利用率。

●水冷型 (-02L/-02R/-03L/-03R/-03BL/-03BR/-12L/-12R/-15L/-15R/-16L/-16R/-19L/-19R)

介電多層鏡型的燈頭具有內(nèi)置水冷散熱器,可抑制激光輻照引起的升溫,并實(shí)現(xiàn)高功率處理能力。

●藍(lán)寶石型 (-03CR/-03CL)

除了水冷散熱器外,藍(lán)寶石玻璃還用于玻璃基板。因此,散熱效率得以改進(jìn),功率處理能力超過700W。

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審核編輯 黃宇

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