驯服铰接式激光器的工作

江苏激光联盟导读：

铰接臂是一种成熟的激光束传输方法，对于不同的光谱波长具有优越的特性。最近的创新应用受益于性能的提高，尤其是在牙科行业，可将光束直接传送到治疗位置。首选技术依赖于将反射安装在中空膜中，并相互旋转。光束由一列镜子传送到终点。

不同类型的光束传输系统是可用的，基本上服务于将光束从一个激光源引导到一个工作区域的目的。我们经常发现应用在医疗行业，激光材料加工，工业激光和学术界。例如，新兴的应用领域是在牙科治疗领域，眼科手术和普通外科。在这些应用中，最重要的功能是在不考虑铰接臂操作的情况下，提供相对于输出孔径的精确位置的高质量光束。

为了保持激光束的质量，最好的解决方案是自由空间光束传输，使用镜子引导光束穿过连接在一起的铰接空心构件。使用特殊的反射镜（如电介质反射镜）可以实现极高的反射率，即使在铰接臂上使用多个反射镜，也可以将输出功率相对于输入功率的损失降至最低。

一些应用，如材料加工，需要非常精确的光束传输系统，对温差几乎不敏感。将激光源放置在此类应用的保护区内是有益的，而激光束传输可在该保护区外移动。确保聚焦激光束的能力取决于角度方向的稳定性，以及击中输出光圈的能力。

图1安装在连接臂上的校准仪（来源：Duma Optronics）

典型的铰接式光束传输臂包括一系列连接到旋转镜转向节的空心管。光束穿过管，由反射镜沿管轴引导。这种多自由度关节臂可以通过移动臂的末端将光束传递到目标。由于旋转关节镜的对准问题，建造一个类似机器人的光束传输臂是一项非常具有挑战性的任务。每个转向节上激光放置的轻微错位将固有地导致激光束在自由空间传输系统内漂移，有可能撞击管状表面或导致光束在传输孔内漂移。为了避免这种不利情况，每个转向节都应完美放置，并具有准确的所需角度，无论转向节旋转如何，都应保持激光方向。为了实现这一点，设计了一种特殊的仪器，称为校准仪，它解决了装配铰接臂时的校准问题。校准过程遵循每个转向节从第一个（离激光器最近的一个）到最后一个的校准过程，通过使用校准仪系统更换下游后视镜来校准未更换的后视镜。对准是通过同时观察激光束角度和横向位置的偏差，作为关节旋转的函数来完成的。

空心关节臂技术

关节臂是一项成熟的技术。然而，最近用于传输激光束能量的应用要求更高的精度。新系统制造商希望从这种方便的光束传输系统中获益，该系统一方面可以使用大多数激光器的波长，另一方面在整个光束传播过程中保持初始激光特性。

图2以示意性方式描述了光束路径，其中显示了空心构件，其中光束通过反射镜沿传播方向的旋转运动进行传输和操纵。通过握住末端并将其指向治疗区域，可提供两米或两米以上的工作区域。多个反射镜会造成一种情况，即任何未对准都会使光束相对于末端中心移动许多毫米。

图2空心关节臂内的激光射线轨迹。

无论以何种方式，这都是一个非常具有挑战性的数字，尤其是要记住，接臂是相对于输入激光方向不断移动的。为了达到这种精度，刚性管铰接臂（最好由铝或碳纤维制成，并配有旋转关节（六个或七个）需要在工厂进行预对准。即使在工厂校准后，当相对于激光器安装系统时，安装也应完全垂直于入射激光束，并且还需要精确校准。

实践中的校准

该方法包括通过沿激光传播方向更换一个镜子并旋转之前的转向节来安装校准仪。激光击中对准仪的光圈，将在探测器表面移动，并在计算机屏幕上清晰显示其轨迹。如果轨迹显示为一个稳定的点，这意味着被检查的关节安装得很好。另一方面，如果屏幕上的轨迹显示环形轨迹，则应调整转向节。仪器同时显示角度和位置偏差。

图3中还显示了一个典型的屏幕截图，显示了由位置和角度偏差组合引起的圆周运动。左侧显示线性同心度，右侧显示角度偏差。这两个图形平行显示，可以按照软件中显示的相关说明进行校准，直到任何进一步的旋转产生一个类似点的圆。

图3描述非同心度效应的束流轨迹。

测量布局

解决方案1——静态：通过使用适配螺母，可以轻松地将校准的校准仪表组件安装在铰接臂上。如果机械基准相对于机械臂的光轴准确对齐，则校准仪将即时提供中心偏差和角度偏差。解决方案2–动态：如果机械基准对应用而言不够精确，则可以像前一种情况一样将对准仪安装在弯头处，然后执行臂的常规旋转。光束偏差将由校准仪记录为循环。然后，用户必须对齐前一个肘部，使“圆”成为一个点。

总结

许多激光系统供应商正在意识到，将铰接臂纳入其产品将带来准确、可靠且光学性能优越的解决方案。这项技术被广泛接受的主要障碍在于输出光束的准确性。这种障碍可以通过使用校准仪、精确安装转向节和增加系统的总刚度来消除。最受欢迎的新应用是在牙科等医疗设备中，例如通过铰接臂用CO2激光治疗龋齿。还有许多其他应用，包括使用高功率的应用。另一个潜在应用是将铰接臂连接到工业机器人上，该机器人将端件引导至工作区域。

将铰接臂的优点与校准仪提供的校准过程相结合，将在性能方面产生更好的光束传输系统，并在日常材料加工和激光传输中使用各种激光波长。这创造了一种提供灵活性和极高准确性的替代方法。

来源：Photonics Views - 2022 - Aharon - Taming an articulated laser, DOI:10.1002/phvs.202200017