01

應用背景

隨著智能制造步伐加快，各行業對精細化零部件的加工需求愈發旺盛。傳統借助外部輔助機構如機床、機械臂帶動激光加工頭實現激光束空間維度變化的方式，因運動磨損、連續啟停等因素，限制了加工精度與速度。

激光自身空間維度加工系統具備調控激光束空間維度變化的能力，特別適用于高效、高精度的激光加工。其主要涵蓋點維、一維、二維、三維和 “五+N” 維加工系統。不同維度的系統通過獨特的光學結構和調控方式，實現對聚焦光束空間維度的控制，在航空航天、電子信息、生物醫學等諸多領域有著廣泛的應用前景，為激光加工技術的發展提供了新的方向和解決方案。

02

激光自身空維度加工系統：分類及特點

1.點維激光加工系統

原理：激光束通過聚焦系統獲得聚焦光斑（包括點光斑?線光斑?方形光斑以及多種異型光斑等），但聚焦光束無法在空間維度上進行運動，如需進行空間維度加工需要借助外部輔助機構移動聚焦光束或者加工樣品?

應用：點維空間激光光束可用于芯片隱形切割、透明材料內部微流控加工等。

2.一/二/三維激光加工系統

原理：聚焦光束在某個空間維度（X，Y，Z，α 或 β）/兩個空間維度（XY、YZ或XZ）/三個空間維度（XYZ）上進行運動。

示例：以二維空間的聚焦光束調控為例，其激光束只能在兩個維度上運動，若要實現第三個維度的運動，需要借助外部輔助機構（如機床?機械臂等）擴充空間維度，同時可以擴大聚焦光束的空間移動范圍，但是外部輔助機構的運動速度遠小于激光自身空間維度變化的運動速度，而誤差又大于激光自身空間維度的運動誤差，故而影響加工速度和精度?

應用：三維激光光束常用于曲面結構加工等。

3.“五+N”維激光加工系統

原理：其中“五”即聚焦光束可以在五個維度空間運動，包括三維空間的 XYZ 以及兩個偏轉維度 α 與 β，而“N”是指激光自身特性如激光能量、激光偏振特性等的調控?

應用：五維激光光束可以實現倒錐孔、 異形槽等復雜結構的加工。

4.借助外部輔助機構的局限

雖能帶動激光加工頭改變激光束空間維度，但由于機床、機械臂等多軸運動裝置存在運動磨損、連續啟停等問題，嚴重限制了加工的精度與速度。

與之相比，激光自身空間維度調控系統在加工精度和速度上優勢顯著。

03

激光加工系統：點維

點維空間調控原理

光斑形成與整形：

激光束通過調控系統、聚焦系統后會聚成廣義上的點光斑，實際光斑尺寸在微米級別。調控系統可對激光能量重新分割和分配，實現光斑形狀的整形，如產生高斯態、平頂態等不同光強形態，以及月牙光斑、五角星光斑、多點光斑等異形光斑。

*激光點維聚集

*光強形態分布

*異性光斑形態

調控方法：

基于固定光學結構：包括折射式、反射式與衍射光學元件。

①折射式：由兩非球面透鏡組成，依據能量守恒定律設計鏡片相位函數來調控光強。

②反射式：根據幾何光學與能量守恒定律，通過設計兩反射鏡重分配光強。

③衍射光學元件：利用衍射光學元件，調控激光波前變化調控光強。

此類方法成本低、效率高，但因光路結構固定，存在鏡片安裝與制造誤差，且不適用于動態調節場景。

*基于固定光學結構調控：1)折射式 2)反射式 3)衍射光學元件

基于空間光調制器：有可變形鏡、液晶空間光調制器和數字微鏡等。

①可變形鏡：通過實時操控反射鏡形狀調制入射光波，改變光束能量分布；

②液晶空間光調制器：通過調控電極間電壓改變液晶分子折射率，調控入射光相位；

③數字微鏡：通過改變輸入微反射鏡的信號生成二值圖，控制光束能量。

這類方法速度快、效率高，但對材料靈敏度要求高，控制難度大且分辨率較低。

*基于空間光調制器調控：4)可變形鏡 5)液晶空間光調制器 6)數字微鏡

矩形光斑或方形光斑進行焊接，有助于生成高質量焊縫；線光斑進行材料的剝離，可以保證加工精度與重復性。

相關產品及應用

基于折射式固定光學結構產品：

奔騰科技的激光切割頭與大族激光的激光焊接頭，基于折射式固定光學結構制造，常搭配機床或機械臂，用于多邊形、多弧形等異形機械零部件的切割與定位軸、方形槽的焊接等，但加工速度和精度受外部機構影響較大。

基于衍射光學元件產品：

以色列Holo/or 公司與德國Asphersio 公司的光束整形鏡，基于衍射光學原理研制，可用作平頂光發射器、勻化器、渦旋相位板等，能得到多種形狀光斑，用于食品包裝打孔的多點光斑組、玻璃切割的貝塞爾光束等。

基于空間光調制器產品：液晶空間光調制器采用幾何掩模對入射光束整形，可獲得多種類型光斑，實現多形態加工，還能實現尋址微點加工，用于非周期性結構的高效制造。

*點維激光加工系統相關產品及應用

04

激光加工系統：一維

一維空間調控原理：

聚焦光束在一維空間的調控包括沿某一維度平移和繞某一維度轉動兩種方式，入射光需先經過調控系統，再經固定的聚焦系統會聚成聚焦光斑，光束維度的變化主要依靠調控系統實現。

調控光學結構：

實現激光一維空間調控的光學結構有移動反射鏡、偏轉反射鏡或旋轉多邊形棱鏡、利用雙棱鏡折射等多種方式，通過控制光學鏡片的運動實現聚焦激光束在單個維度上的運動，但運動維度尺度有限。

*一維空間激光聚焦光束調控原理及方式

05

激光加工系統：二維

二維空間調控原理

調控原理：

入射光進入調控系統后產生角度為 θ 的偏轉，導致進入聚焦系統的光束方向改變，最終使得聚焦后的光斑位置在 XY 平面發生變化。在聚焦系統保持靜止的情況下，主要通過控制調控系統來實現激光束在 XY 平面的運動。

光學組合方式：

①雙光楔偏轉：將兩相同光楔平行放置，通過控制兩個光楔的旋轉角度與速度，使出射光與光軸的夾角不同。隨著兩光楔旋轉角度的不斷變化，光束可在 XY 平面運動，從而實現對聚焦光斑在二維平面位置的調控。

②雙反射鏡偏轉：將兩個反射鏡放置成一定角度，通過控制反射鏡 1 與反射鏡 2 的旋轉角度，改變光束的反射方向，使光束在 XY 平面運動，達到控制聚焦光斑在 XY 平面位置的目的。

*二維空間激光聚焦光束調控原理及方式

相關產品及應用

在實際的激光加工應用中，最具代表性的產品是2D 振鏡。

2D 振鏡工作原理：

2D 振鏡主要利用兩電機分別帶動兩相距一定距離的反射鏡在一定范圍內發生偏轉，經過反射鏡偏轉的光束再通過聚焦鏡使光斑在工作平臺聚焦。隨著振鏡 X 與振鏡 Y 的旋轉角度不斷變化，光束不斷偏轉，最終實現光斑在工件表面的 XY 平面上的運動。

2D 振鏡產品差異：根據電機中檢測傳感器的不同，2D 振鏡可分為光柵振鏡與光電振鏡，分別對應數字信號與模擬信號。電機上安裝的反射鏡片的種類與尺寸不同，會使 2D 振鏡具有不同的加工波長與通光孔徑。

國內外產品及應用：國外德國的SCANLAB 公司、RAYLASE 公司，美國的CTI以及GSI 公司等的 2D 振鏡產品占據市場主導地位。國內上海通用、大族激光、菲鐳泰克等公司的產品表現突出。

例如德國 SCANLAB 公司的SCANcube 系列產品具有結構緊湊、動態響應快與加工精度高等優點；我國大族激光的光電振鏡 UltraScan 系列產品抗干擾能力強、重復精度高。

2D 振鏡在實際加工中，常與機床等外部輔助結構配合，用于激光打標、切割等領域，以擴大加工范圍，滿足不同加工需求。

*2D 振鏡掃描原理及相關產品

*國內外主要2D 振鏡產品及其技術參數

06

激光加工系統：三維

三維空間調控原理

Z 向調控原理：

在二維空間（XY 平面）調控的基礎上，增加對 Z 軸的調控，即控制激光聚焦方向。通過控制調控系統中鏡片的移動實現聚焦光束在 Z 方向的運動，鏡片 2 用于補償鏡片 1 移動產生的像差，可采用非球面鏡片或鏡片組，以實現焦點在 Z 向的大范圍移動。

后聚焦掃描模式：

多片透鏡組成光學杠桿，使聚焦鏡焦深變化量 Δz 隨聚焦透鏡位置移動量 Δd 而變化，且焦深變化遠大于聚焦鏡移動，在掃描鏡前先聚焦，實現動態補償。

前聚焦掃描模式：

鏡片移動 Δd 時，焦點位置變化幅度為 Δz ，在掃描鏡后安裝 F-Theta 場鏡補償離焦誤差，使每個點基本落在加工掃描平面上，在掃描鏡后再聚焦。

結合二維自身空間調控和 Z 向調控，形成由動態調焦系統、掃描系統、聚焦系統組成的三維空間激光自身調控系統。

*Z 向激光調控原理及方式

*三維空間激光自身調控系統

Z 維調控方法及相關產品

驅動方式：

Z 向調控由光學鏡片移動引起，不同驅動機構控制效果不同。傳統的曲柄滑塊、直線電機驅動方式受機械結構限制，移動范圍較小。

動態模組產品：

我國菲鐳泰克、大族激光以及德國 SCANLAB 等公司均有動態模組產品。

如菲鐳泰克的動態模組通過小角度高速旋轉電機等帶動鏡片運動，大族激光的采用音圈電機驅動并搭配高精度光電傳感器反饋，SCANLAB 的 vario SCAN Ⅱ能實現精確聚焦定位。這些動態模組入射光斑直徑、行程等參數各異，重復精度較高，但無法單獨使用，需與 2D 振鏡配合實現三維空間激光自身調控。

*動態模組產品（左菲鐳泰克，中大族激光，右SCANLAB）

*國內外主要動態模組產品及其技術參數

三維空間加工系統相關產品及應用

場鏡類型與應用：

工業上的場鏡可由單片或多片透鏡組成，分為球面透鏡和非球面透鏡。

聚焦前掃描模式受后端場鏡限制，適用于深雕與小幅面微孔加工等精密微加工領域，配合遠心場鏡可加工微小結構；聚焦后掃描模式不受場鏡約束，適用于曲面、超大幅面加工。

振鏡產品：

國內外廠家推出 2.5D 和 3D 振鏡產品。

我國菲鐳泰克的 FE 系列 2.5D 振鏡可用于玻璃深雕等，FR 系列 3D 振鏡可用于曲面雕刻等；德國SCANLAB 的 intelliSCAN 系列3D 振鏡可用于微雕刻等。

2.5D 振鏡與 3D 振鏡重復精度、掃描范圍差別不大，主要差別在于2.5D 振鏡具有深雕能力。

*國內外主要2.5D/3D振鏡產品其加工樣品

*國內外主要2.5D振鏡產品及其技術參數

*國內外主要3D振鏡產品及其參數

07

激光加工系統：“5+N”維

“五 + N” 維空間調控

偏轉維度調控：

為實現五維空間激光束的調控，在三維空間調控基礎上增加對激光光束自身偏轉維度 α 與 β 的調控。入射光經調控系統產生偏角，與光軸形成一定夾角，偏轉角的形成與調控系統中光束偏離光軸的距離、出射光偏角等因素有關。

可通過移動反射鏡、棱鏡，或采用平行光板、雙光楔系統等，讓光束產生偏移和偏轉。例如道威棱鏡和三反射鏡系統，利用其反射特性使光束偏離光軸出射。

激光特性調控：

“N” 指對激光能量、偏振等特性的調控。激光加工的效率和質量與激光本身特性密切相關，如單脈沖能量影響加工效率和質量，不同偏振光對加工孔的形狀有影響。 可通過激光器設置調控脈寬，通過能量衰減系統調節能量，利用半波片或 1/4 波片調控偏振，得到線偏振光或圓偏振光。

*產生偏轉角的原理及相應的光學結構

相關產品及應用

美國NOVANTA 公司的 Elephant2 可加工不同錐度和形狀的微孔及微結構。

德國SCANLAB 公司的 PRESYS 搭配可視化用戶操作界面，可實現鉆孔與復雜圖案加工。

美國AEROTECH的 AGV5D 在介入性心血管植入、微電子加工方面廣泛運用。

這些產品包含控制系統、操作系統、監測系統與冷卻系統，以實現光束多維度變化、便于操作、保證加工有效性和安全性。

然而，目前 “五+N” 維激光加工頭普遍存在加工范圍小的問題，如 Z 方向調節尺度約為 ±1mm，角度偏轉最多 ±9°，提升加工尺度成為未來主要研究方向。

* “五+N”維激光加工頭

*國內外“五+N”維激光加工頭及其技術參數

【文獻信息】

標題	激光自身空間維度加工系統綜述
作者	梅雪松；李凱林；趙萬芹；劉斌；孫錚；段文強；王文君；崔健磊；凡正杰
DOI	110.3901/JME.2023.19.375
網址	hthttp://www.cjmenet.com.cn//CN/10.3901/JME.2023.19.375