光子数控系统：为下一代光学产品的超精密加工带来革命性变革

探索光子数控技术如何利用先进的激光加工技术，在制造复杂光学元件时实现亚微米精度。探索其在增强现实、生物医学设备和量子技术中的应用，了解光基制造的未来。

光子数控：基于光的超精密加工

文章涉及以下几个关键领域 光子数控技术本书首先介绍了精密制造的重要性和光子加工概述。然后深入探讨了光子加工的基础知识，并讨论了其中涉及的关键技术和材料。常见加工工艺部分包括激光切割、烧蚀技术、打标和雕刻、激光钻孔和激光抛光。

随后，文章对比了金刚石车削和光子加工，探讨了实现高精度的方法，并详细介绍了自由形态光学器件的制造。在光基数控技术部分，重点关注 激光数控系统 以及集成光学和计量学。结论部分展望了光子加工的未来，而常见问题部分则讨论了常用激光器、可达到的精度、难加工材料、激光数控中心的操作以及光子加工的应用。

精密制造在开发性能不断提高的下一代微型光学系统中发挥着至关重要的作用。增强现实显示器、生物传感器、量子通信和光子集成电路等新兴技术越来越需要复杂的非旋转对称或自由形态组件。然而，传统的机械加工在灵活制造此类复杂设计方面面临诸多限制。利用强激光辐射作为减工具的光子加工技术提供了一种可行的解决方案。通过将高功率激光切割与基于多轴激光的计算机数控系统相协调，材料的真正三维雕刻变得可行。与集成的在线计量相结合，可以在各种工业材料上实现亚微米精度。

在多个行业需求激增的推动下，精密光学制造成为一个快速增长的领域。仅 Lasik 眼科手术每年就需要超过 2 亿片矫正镜片，而到 2025 年，增强现实硬件的销售额预计将达到 $100 亿美元。同时，平板显示器和消费电子产品正在向近眼和衍射设计过渡，这就需要新的生产技术。

反映过去十年公众兴趣的谷歌趋势数据显示，"光子学制造 "和 "光学制造 "的搜索量激增了十倍。与此同时，利用片上实验室传感器和光遗传学进行生物医学诊断/治疗的研发也在不断增加。量子信息处理和基于激光雷达的自动驾驶汽车等新兴领域同样依赖于精密光学的发展。然而，传统的制造方法难以满足这些新兴产业所需的定制化复杂设计。光子加工提供了一种有利的解决方案，能够通过基于多轴激光的计算机控制，快速制作任意几何形状的原型。该技术还因其软件驱动的可配置性而允许更小的体积。

本文概述了光导材料加工及其在未来光学生产中的作用。文章概述了光子加工的基本原理、目标应用、集成技术和未来前景，旨在满足谷歌趋势分析所显示的公众对这一关键领域的巨大好奇心。此外，还介绍了将多轴数控激光技术与先进计量技术相结合的新兴技术。总之，光子加工是满足未来光子制造需求的一项重要技术。

光子驱动制造

光子加工基础

光子加工使用聚焦激光辐射来促进各种工件材料去除技术。二氧化碳激光器、光纤激光器和短脉冲固体激光器是常用的光源。发出 10.6μm 辐射的 CO2 激光器能很好地被非金属吸收，而 1μm 光纤则能最大限度地吸收金属。皮秒或飞秒脉冲的超短脉冲激光器可实现高精度烧蚀，而不会产生热影响区。

激光束由扫描光学元件引导，并通过 F-theta 透镜聚焦到窄光斑上。在切割过程中，聚焦光束相对于工件按照编程路径移动。氧气或氮气辅助气体与光束同轴，以帮助氧化或去除熔融材料。切割过程基本上是非接触式的，机械应力极小。

对于三维零件，多轴数控激光系统利用高速振镜扫描镜和旋转/线性平台，通过静态光束同步操纵工件。这有助于在复杂的几何形状中进行复杂的轮廓加工。短脉冲激光器通过烧蚀光分解对材料进行烧蚀，在烧蚀过程中产生的高密度电子-空穴对吸收后续激光脉冲，从而在不加热周围区域的情况下实现稳定汽化。这样就能对热敏感材料进行微加工。正确选择激光参数（如功率、波长、脉冲持续时间和加工环境）以及高定位精度对于实现所需的材料效果至关重要。使用 CCD、高温计和光谱仪进行在线过程监控可进一步确保过程的稳定性。

用于光子加工的材料

由于金属具有高导热性，因此在激光加工应用中占主导地位。碳钢和不锈钢通常用于加工消费品、工业部件和工具。铝及其合金 Al 6061 和 Al 2024 广泛应用于汽车和航空航天工业，适合激光切割。用于外科植入物的 Ti-6Al-4V 等钛合金需要超快激光。在精密光学制造领域，红外激光器非常适合熔融石英、硼硅玻璃和结晶蓝宝石等透明材料，这些材料对可见光区域的吸收很弱。

短波激光与集成光流体设备中使用的铌酸锂和磷酸二氢钾的吸收带相匹配。热塑性塑料 ABS、聚碳酸酯和丙烯酸酯以及热固性环氧树脂和硅树脂等聚合物可以使用与其吸收光谱相匹配的激光进行微结构加工。在生物医学应用中，高密度聚乙烯、尼龙和聚氨酯是常用的加工材料。包括环氧树脂、PEEK 和 peek-carbon 中的碳纤维增强材料在内的复合材料正日益受到重视。在这种情况下，超短近红外激光器发出的超短脉冲可在几乎不产生热量积聚的情况下实现烧蚀，从而保持加固材料的质量。因此，光子加工是一种适用于各个工业领域的通用技术，因为它与金属合金、塑料、光学和复合材料具有广泛的兼容性，可使用适当的激光配置。

常见加工工艺

激光切割 是一种热机械加工工艺，集中的激光束通过切口加热并熔化工件，辅助气体喷射吹走熔渣。对于三维几何形状，通常采用多轴激光系统。静态激光与高速 X-Y 振镜扫描仪和 Z 轴定位平台配合，沿着刀具路径逐步切割/消融。旋转轴进一步促进了全三维轮廓加工。使用超短激光脉冲进行烧蚀，通过光热和光化学机制去除材料，不产生任何重铸层或热影响区。

这有助于对热敏感材料进行高精度微结构加工。标记和雕刻利用低功率激光发射来烧焦或烧蚀表面层。可雕刻点阵字符、可变数据代码和分辨率低于 50μm 的微蚀刻。激光钻孔可钻出直径与深度纵横比超过 30:1 的孔。典型应用包括涡轮叶片冷却、医疗植入物和微流控设备。一种新兴的技术是激光抛光，它使用多次低功率扫描来逐步光滑粗糙的表面。这种技术在增材制造金属零件的精加工方面日益突出。总之，激光与三维加工中心结合使用，可以在不同的工业领域灵活地加工具有微型特征尺寸的零件。

超精密光学切割

金刚石车削与光子加工

金刚石车削和光子加工都是成熟的精密光学制造技术。金刚石车削利用单点金刚石工具生产旋转对称组件，其表面光滑度小于 1nm RMS。然而，由于加工限制，非对称自由形状设计的复杂性和灵活制造受到了限制。光子加工通过多轴数控激光系统克服了这些限制，该系统能够在一次装夹中加工出复杂的自由曲面。激光还消除了刀具磨损问题。不过，非接触式烧蚀会降低材料去除率。超快激光工艺可对金刚石工具难以加工的脆性材料进行亚微米级加工。同时，对于反射性金属，金刚石车削可获得激光无法达到的表面质量。因此，结合两者优势的混合方法可能是最佳选择。

实现高精度

最先进的激光微加工中心具有高加速/减速轴，配备闭环扭矩电机，可实现低于 10nm 的定位重复性。刚性空气轴承滑块和线性电机可实现平滑的多维运动。集成的波前计量为工艺修正提供快速反馈。薄膜应力测量和激光多普勒测振仪可确保工件的稳定性。光纤耦合光谱仪可检测质量变化，进行现场工艺控制。定制夹具可精确定位零件，同时消除热/机械变形。空气轴承上的浮动支架有助于微调和实时动态补偿。

自由曲面光学制造

非球面透镜、衍射透镜或菲涅尔透镜等全非平面光学元件需要五轴关联加工。三维刀具路径是从 CAD/CAM 并由多轴激光系统执行。通过严格的耦合波分析，衍射光学元件具有周期性表面浮雕图案。无需掩膜的超快激光直写技术可实现任意衍射设计。菲涅尔光学元件包括通过光线跟踪模拟的带状折射元件，然后通过同心槽的多级烧蚀加工而成。这展示了光子加工在下一代集成紧凑型成像模块中的应用，与传统设计相比，光子加工不仅提高了性能，而且减小了尺寸和重量。

制造具有非旋转对称形状的自由形态光学器件需要灵活的 多轴数控加工.使用光学软件模拟零件设计，然后从 CAM 程序中导出刀具路径。制造的核心是协调激光切割/烧蚀光束与高速 X-Y 振镜扫描仪和 Z 升平台。附加的旋转轴可对非球面表面进行真正的五轴轮廓加工。步进电机或直接驱动扭矩电机以纳米级精度调节重载轴。

空气轴承可实现超精细表面纹理加工所需的平滑扫描。波前传感器提供实时过程反馈。衍射光学元件在全息显示、激光整形和量子通信等应用中的重要性与日俱增。

飞秒激光直接写入技术使复杂的计算机生成的全息图无需掩膜即可复制。多层次菲涅尔透镜在同心环中加入了带状折射微结构。短脉冲激光器可精确烧蚀具有陡峭侧壁的沟槽，从而调节焦距。这使得紧凑型物镜的性能超越了传统设计。

光子加工克服了球面轮廓的限制，实现了非球面修正。其应用包括显微镜和天文学中的自由曲面镜、平视显示器以及消费电子产品中的集成透镜组件。总之，这表明了精密光子制造在开发下一代微型高性能成像和激光系统中的关键作用，而这些系统的设计自由度是迄今为止无法实现的。

光基数控技术

激光数控系统

典型的激光微加工中心由工作区外壳、激光源、光束传输光学器件、多轴运动平台和机器控制器组成。高速振镜扫描器在 f-theta 透镜的辅助下将光束引导至工件上。Z 向升降平台便于堆叠切割层，旋转轴可同时进行五轴轮廓加工。直驱无刷伺服电机利用线性编码器和旋转变压器以纳米级精度调节运动。坚固的气静压轴承可支撑重型轴，同时确保平稳扫描。装载了大量 G 代码的可编程逻辑控制器协调所有子系统。控制回路通过对热误差/机械误差进行伺服补偿，保持皮米级的切割精度。激光微加工的精确控制需要集成高功率激光源、光束传输光学系统和多轴定位系统。

二氧化碳激光器和光纤激光器可产生从红外线到紫外线的连续或脉冲光束，是常用的光源。激光器与振镜扫描头耦合，使用 F-Theta 透镜、圆柱望远镜或变焦扩束器聚焦发散光束。振镜的扫描范围和速度决定了扫描区域的大小和切割产量。工件放置在 3/4/5 轴机器平台上，沿 X、Y、Z 线性轴和 A/B 旋转轴电动平移。纳米定位线性电机和直接驱动旋转扭矩电机可实现分辨率低于 10 纳米的快速轮廓加工。通过装载 CAD/CAM 软件 G 代码的可编程逻辑控制器进行控制。

来自多普勒干涉仪、电容式监控器和旋转变压器的闭环反馈可将切割轨迹和层注册保持在微米以内。使用氧气或惰性气体净化的机箱可保护敏感的光学元件，并清除材料蒸汽，以确保工艺的稳定性和安全性。排烟器还能防止环境污染。高功率激光能量源、光束仿形组件和同步多轴运动平台在严格控制下进行整合，有助于对各种工程材料进行精确的微加工。

集成光学和计量学

机载干涉仪可快速量化波前质量并定位像差。相位偏移技术可检测到与所需形状的偏差，分辨率可达 λ/10。光谱仪和热像仪可评估表面光洁度、热分布并探测加工缺陷。模式识别解决方案可识别异常，进行自我修正。通过视口插入的光纤探头对烧蚀区域进行微拉曼光谱分析，帮助优化材料相互作用。这种闭环过程控制能够制造复杂的自由形态设计，精度达到个位数微米，适用于新一代集成光子学、生物医学设备和先进光学设备。总之、

基于激光的数控技术为精密自由形态制造提供了一种多功能方法，并辅以实时分析以保证质量。确保超精密加工需要在激光微加工过程中验证波前质量。集成在激光加工中心上的干涉传感器可在不拆卸工件的情况下实现快速表面计量。

传统的移相干涉仪使用多个低相干照明序列，以亚纳米级的垂直分辨率提取毫米范围内的表面轮廓。Twyman-Green 和 Fizeau 干涉仪等特定配置可测试非球面表面和自由形态梯度，同时将透镜伪影降到最低。与微型拉曼光谱仪耦合的原位光纤探头可识别材料相位、应力变化和失控加热造成的晶体损伤。

热像仪可显示温度分布，而模式识别解决方案可识别结构缺陷，以便在加工过程中进行上游补偿。这种闭环过程控制结合了直接安装在数控轴上的计量传感器，可提供实时反馈，用于自我纠正轨迹偏差和稳定切削参数。在制造过程中监测、分析和补偿误差的能力可大幅减少抛光后的工作量，并快速复制复杂的光子元件。

结论

总之，利用可控激光能量传输与多轴加工中心相结合的光子数控技术已成为精密自由形态微型光学制造的关键技术。通过克服传统金刚石车削加工的局限性（如刀具磨损和复杂几何形状的限制），真正的三维材料雕刻现已成为可能。

将激光微机械加工与在线波前计量相结合，为在生产运行过程中实现自我校正和稳定性提供了一条可行的途径。通过实时反馈，可以在发现异常的同时对设计的动态偏差进行补偿。这种闭环控制可显著减少加工后的抛光工作。

展望未来，先进的非接触式计量工具与机器学习算法的紧密结合有望进一步提高工艺效率和防错能力。将激光雕刻与基于掩模的平行光刻步骤相结合的混合系统也显示出加快光子电路吞吐量的潜力。

总之，通过将数控激光器与分析技术相结合，可提供灵活的材料加工能力和质量保证，这预示着光子驱动制造技术将成为开发包括增强现实、量子技术、生物光子学和太阳能光伏等多个领域的下一代紧凑型技术的首选技术。随着短脉冲激光源和多轴纳米加工领域的创新不断推动精密三维制造的发展，未来的前景依然光明。

常见问题：

问：光子加工通常使用哪些类型的激光器？

答：红外线 CO2 激光器适用于塑料和碳纤维复合材料等材料。波长较短的光纤激光器和 YAG 激光器适用于金属。超短脉冲激光器可对半导体和光学晶体等热敏材料进行高精度烧蚀。

问：光子加工能达到什么精度？

答：有了集成计量反馈，大至 150 毫米的结构都能实现亚微米公差。激光系统的定位重复性优于 10nm，可进行微米和纳米加工。可获得低于 1nm RMS 的表面粗糙度。

问：哪些材料难以用激光加工？

答：熔融石英、石英和蓝宝石等材料对近红外的吸收很差。因此需要使用紫外激光器或多光子聚合等非线性过程。铜和银等热导率高的金属也需要超短脉冲。

问：激光数控中心如何工作？

答：使用振镜对固定在多轴平台上的工件进行扫描。同步运动和激光控制有助于轮廓加工。集成传感器对质量进行验证，以实现基于反馈的优化。

问：哪些应用需要光子加工？

答：自由曲面反射和折射光学器件、生物医学植入物、微机电系统、集成光子学芯片、消费电子元件、用于微型光学器件批量生产的模具，都能灵活地快速制作复杂设计的原型。