Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (МГТУ им.Н.Э.Баумана) Системы фокусировки и отклонения лазерного излучения для технологических процессов обработки материалов Москва, 2011 г.

Зеркальные системы представляют собой комбинации либо плоского и сферического зеркал (а(III),б(IV),г(VI),д(VII)), либо 2-х сферических зеркал (в(V), е(VIII), ж(IX)). Системы а,б,в,е являются осевыми системами, а системы г,д,ж внеосевыми Фокусирующие системы для лазерной технологии

МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ЭЛЕМЕНТОВ ПРОХОДНОЙ ОПТИКИ. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ. - Выбор материала конкретного типа лазера определяется в первую очередь пропускание излучения нужной длины волны. - Мощность, необходимая для проведения тех. процесса (показатель поглощения - min). ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ. - высокая оптическая прочность (поры разрушаются); - высокая механическая прочность; - хорошая оптическая однородность; - высокая термостойкость в рабочем диапазоне температур; - высокая теплопроводность; - малое значение температуропроводности; - получение заготовок большего диаметра; - химическая стойкость; - минимальная токсичность; - невысокая стоимость материала и сырья; - удобство монтажа и юстировки; Материалы удовлетворяющие всем требования пока не созданы.

МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ЭЛЕМЕНТОВ ОТРАЖАТЕЛЬНОЙ ОПТИКИ. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ. - max коэффициент отражения на рабочей длине волны; - возможность высокой точности изготовления отражающей поверхности - стабильность формы и качества отражающей поверхности втечение длительного времени эксплуатации. ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ. В соответствии с этим материалы должны иметь: - высокую теплопроводность; - малый температурный коэффициент линейного расширения; - min плотность; - высокий предел упругости; - max жесткость; - min коэффициент поглощения на рабочей длине волны; - высокую лучистую прочность; - возможность обработки отражающей поверхности с высокой точностью воспроизводства; - возможность использования охлаждения; Лучше всего удовлетворяют требованиям и критериям: медь, меднохромистая бронза, молибден, вольфрам.

Одиночная линза в воздухе Рассмотрим одиночную линзу, находящуюся в воздухе, и определим зависимость фокусного расстояния от её конструктивных элементов Произведем расчет хода луча через линзу, полагая u 1 =0, n 1 = n 3 =1; величина h выбрана произвольно.

Различные виды линз Все линзы делятся на две группы. Первую группу составляют линзы, имеющие положительные задние фокусные расстояния. Такие линзы называются положительными. Вторую группу составляют линзы, имеющие отрицательные фокусные расстояния. Эти линзы называются отрицательными. Положительные линзы являются собирательными, а отрицательные рассеивающими.

Виды положительный линз Двояковыпуклая линза Выпукло-плоская линзаВыпукло-вогнутая линза

Виды отрицательных линз

Концентрическая линза Концентричной называется такая линза, у которой центры кривизны О 1 и О 2 обеих поверхностей совпадают Сферическое защитное стекло приборов В качестве защитных стекол приборов иногда применяется концентричная линза

ФОРМУЛА ЛИНЕЙНОГО УВЕЛИЧЕНИЯ И ПОЛОЖЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ Из подобных треугольников при h = h' и h1 = h'1, тогда увеличение равно: Если принять х = a - f x' = a' - f', то получим формулу, связывающую положение предмета и изображения относительно главных плоскостей : f'/ a' + f/a = 1

УГЛОВОЕ УВЕЛИЧЕНИЕ И УЗЛОВЫЕ ТОЧКИ Проведем произвольный луч из точки А под углом u к оси системы. На выходе из системы луч пройдет через точку A' под углом u'. Отношение тангенсов этих углов называется угловым увеличением :

ПРОДОЛЬНОЕ УВЕЛИЧЕНИЕ Если отрезок АВ лежит на оптической оси то его изображение A'B' тоже лежит на оси, тогда отношение называется продольным увеличением. Если АВ имеет бесконечно малую величину, то продольное увеличение в данной паре точек при будет равно

Использование оптического волокна для транспортировки излучения технологических лазеров Оптическое волокно - это волокно для передачи световой энергии и оптических сигналов. Устройства, состоящие из большого числа волокон, могут передавать энергию и изображения. Эти устройства используют в медицине. Для распространения излучения внутри волокна его изготавливают с плавным изменением показателя преломления или ступенчатым изменением вдоль радиуса волокна. Одиночные волокна используют в связи, лазерной хирургии, в датчиках и установках обработки материалов. Иногда их называют моноволокнами. Оптические волокна бывают двух видов: - ступенчатые - градиентные

Использование оптического волокна для транспортировки излучения технологических лазеров Рассмотрим волокно с оболочкой Необходимым условием распространения луча только в сердечнике является n возд sin а = sqr (n 1 - n 2 ) а - называют приемным углом волокна для меридиональных лучей. Важнейшей характеристикой волокна является числовая апертура NA. Она позволяет оценить количество световой энергии, которую можно ввести в волокно. Величина безразмерная и зависящая только от n 1 и n 2. Оболочка SiO n 2 = По технологическим соображениям разница показателей преломления ( ) не должна превышать 1%. Обычно числовая апертура находится в пределах Это соответствует приемным углам а = В технологических установках апертура может быть больше 0.5 ( а 30)

Использование оптического волокна для транспортировки излучения технологических лазеров В ОАО "НИАТ" разработано устройство ввода, предназначенное для соединения излучателя с волоконным световодом. 1 – корпус устройства; 2 - смотровое окно; 3 – штуцер; 4 – световод; 5 – держатель; 6 – юстировочный механизм; 7 – фокусирующий объектив; 8 – дифференциальный винт.

Использование оптического волокна для транспортировки излучения технологических лазеров Устройство вывода с оптическим резаком предназначено для соединения волоконною световода с исполнительным технологическим модулем и фокусирования транспортируемого лазерного излучения в рабочей зоне лазерной обработки материала. 1 – держатель световода; 2 – юстировочный механизм; 3 – корпус; 4 – штуцер; 5 – коллимирующая линза; 6 – корпус; 7 – фокусирующая система; 8 – дифференциальный винт; 9 – сопло; 10 – штуцер.

Основные монохроматические аберрации Астигматизм. При объективе, скорректированным на сферическую и коматическую аберрацию, точка объекта на оптической оси будет точно воспроизведена как точка в изображении, но точка объекта, расположенная вне оптической оси, появится не как точка в изображении, а скорее как затемнение или как линия. Такой тип аберрации называется астигматизмом.

Сферическая аберрация Под сферической аберрацией понимают аберрацию оптической системы, которая рассматривается для пучка лучей, выходящего из точки предмета, расположенной на оптической оси. В определенной мере эта аберрация присутствует во всех объективах, построенных целиком из сферических элементов.

Сферическая аберрация Расстояние по оптической оси между точками схода нулевых и крайних лучей называется продольной сферической аберрацией и обозначается S. (Рис.3) Радиус кружка рассеяния в плоскости изображения называется поперечной сферической аберрацией и обозначается l. Сферическая аберрация влияет на всю площадь изображения, от центра до его краев, и получается мягкое низко-контрастное изображение, которое кажется как будто покрытым тонкой вуалью. Наименьший кружок рассеяния образуется на расстоянии F от плоскости изображения. Плоскость, соответствующая наименьшему кружку рассеяния, называется плоскостью наилучшей установки (ПНУ). Радиус кружка рассеяния в плоскости наилучшей установки составляет 1/4 от величины поперечной сферической аберрации, а расстояние от ПНУ до фокальной плоскости

Кома Кома или коматическая аберрация это явление, видимое на периферии изображения, которое создается объективом, скорректированным на сферическую аберрацию, и вызывает сведение световых лучей, поступающих на край объектива под каким-то углом, в форме кометы, а не в форме желаемой точки

Дисторсия Одно из требований к идеальному объективу состоит в том, что "изображение объекта, образуемое объективом, должно иметь ту же форму, что и сам объект". Искажение это такой тип аберрации, который ведет к тому, что прямые линии становятся кривыми (искаженными) на изображении, в результате чего не соблюдается это идеальное условие. Искажение, растягивающее (+) форму по диагонали, называется подушкообразной (положительной) дисторсией, а то, которое сжимает (-) форму по диагонали, называется бочкообразной (отрицательной) дисторсией.

Кривизна изображения Кривизна поля изображения это явление, ведущее к тому, что плоскость образования изображения становится изогнутой как внутренняя часть мелкой чаши, мешая объективу формировать плоское изображение плоского объекта. Когда центр изображения находится в фокусе, его края находятся не в фокусе, а когда края в фокусе, центр бывает не в фокусе.

Хроматическая аберрация положения Есть два типа хроматической аберрации: "продольная хроматическая аберрация", при которой положение фокальной точки на оптической оси меняется в зависимости от длинны волны, и "хроматическая разница увеличения", при которой увеличение изображения в периферийных областях меняется в зависимости от длинны волны.

Примеры лазерных технологических головок волоконных лазеров Головки фирмы IPG IPG d25/d38

Технические характеристики головок для резки фирмы IPG Технические данные Параметр IPG d25 f60-200/300 IPG d25 f /200 IPG d38 f100W- 150/200 Диаметр линз, мм Коллиматора фокусатора Чистая апертура, ммМакс. 22Макс 30 Диапазон настроек - Поперечная - продольная ± 1.5 ± 3 ± 2 ± 7 Фокусное расстояние фокусатора, мм 200, , 200 Максимальная мощность излучения, кВт 123 Максимальное давление режущего газа, бар 20 Масса приб, кг3.53.0

Примеры лазерных технологических головок волоконных лазеров ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СВАРОЧНОЙ ГОЛОВКИ SCANSONIC BO Максимальная мощность лазера 30 кВт Смещение фокуса ±0,02 мм/кВт При увеличении M = 1:3; Fkoii = 80 мм; для 1-6 кВт волоконного лазера (BPP: 25 mm-mrad) Типы лазеров Все промышленные волоконные и твердотельные лазеры Длина волны излучения [нм] Рабочий уголдо 450 = 80 мм Потери мощности< 2 % Фокусное расстояние [мм]фокусировка ОхлаждениеВодяное Вес8,5-10 кг.

Примеры лазерных технологических головок волоконных лазеров ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СВАРОЧНОЙ ГОЛОВКИ Precitec YW52 Мощность лазера 20 кВт Фокусные расстояния головки 100 мм, 125 мм, 150 мм, 200 мм Фокусные расстояния коллиматора от 150 до 1000 мм Массаот 3 до 6 кг, в зависимости от конструкции Размеры (стандартное исполнение) 74 х 74 мм