Системы фокусировки и отклонения лазерного излучения для технологических процессов обработки материалов (стр. 5 )

m = D/d

Учитывая, что m=f1/f2 можно определить f2=f1*d/D=d/A.

По этой формуле, зная диаметр зрачка человеческого глаза и относительное отверстие объектива, легко найти фокусное расстояние самого слабого полезного окуляра.

Если принять диаметр зрачка глаза равным 6 мм, то наименьшее полезное (равнозрачковое) увеличение будет равно, следовательно, одной шестой диаметра объектива в миллиметрах. Так как диаметр зрачка глаза меняется от 6-8 мм (при полной темноте) до 2 мм (при дневном освещении), то наименьшее полезное увеличение будет различно при разных условиях и при наблюдении предметов различной яркости. Поэтому при пользовании слабыми окулярами нужно всегда учитывать обстановку, определяющую величину зрачка глаза. Например, при наблюдении слабого объекта (туманности) в темную ночь в телескоп с диаметром объектива, равным 100 мм, при диаметре зрачка глаза 6 мм наименьшее полезное увеличение будет равно 100/6 = 16.7. С тем же объективом при наблюдении в светлое время суток, например Венеры, это увеличение повысится до 50, так как зрачок глаза уменьшится до 2 мм.

Фокусные расстояния нужных в этих случаях окуляров можно легко найти по вышеприведенным формулам. Для телескопа с относительным фокусом 10 они составят соответственно 60 и 20 мм.

http://shop. tarantas. ru/txt/ustroistvo_teleskopa. php

Тема 4. Использование оптического волокна для транспортировки излучения технологических лазеров.

ЛЕКЦИЯ 5

Использование волоконной оптики для транспортировки и фокусировки излучения лазеров.

Обычно источники света испускают расходящийся сноп лучей. Освещенность, создаваемая этим снопом лучей при падении лучей на поверхность по нормали, обратно пропорционально квадрату расстоянию от источника до облучаемой поверхности. Пучок лучей (проектор) можно сфокусировать так, что освещенность окажется в значительной мере не зависящей от расстояния. Для этого используют системы линз и зеркал, которые поллимируют лучи, исходящие из переднего фокуса системы. Эти системы могут создавать направленные пучки лучей на больших расстояниях.

Оптическое волокно - это волокно для передачи световой энергии и оптических сигналов.

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.

Устройства, состоящие из большого числа волокон, могут передавать энергию и изображения. Эти устройства используют в медицине.

Оптические волокна бывают двух видов:

·  ступенчатые

·  градиентные

Устройство световода

Световод состоит из сердцевины и оболочки. Сердцевина изготавливается из материала прозрачного для передаваемого излучения. Торцы сердцевины обычно перпендикулярны боковой поверхности цилиндра. Оболочка волокна изготавливается из материала с показателем преломления меньшим показателя преломления сердцевины. В простейшем случае это кварцевый стержень в воздухе.

Излучение, поступающее на входной торец при определенных условиях, испытывает полное отражение от внутренней боковой поверхности и распространяется по зигзагообразному пути до другого торца, который параллелен входному. Направление выходящего луча параллельно направлению входящего пучка или отличается от него на второй входной угол.

sin i' = n sin i

Преломленный луч падает на боковую поверхность под углом 

Em = p/2 - i¢

Для полного внутреннего отражения на боковой стенке необходимо выполнение условия  Em ³ Ec

где   Ec  - критический угол полного внутреннего отражения.

Если n ³ sqr 2 то свет, падающий под любым углом после переотражения выйдет из световода.

l0 - длина волокна, определяющая свободный пробег луча.

l0 = d/tg i'

d - диаметр сердцевины.

Число полных отражений на длине световода определяется

N = l0 / l

Коэффициент внутреннего светопропускания равен отношению светового потока, вышедшего из волокна к потоку, который вошел в волокно

Коэффициент пропускания световода равен

Рассмотрим волокно с оболочкой

Необходимым условием распространения луча только в сердечнике является

nвозд ×sin Qа= sqr (n1 - n2 )

Qа - 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 n1 и n2 .

Оболочка SiO n2 = 1.46. По технологическим соображениям разница показателей преломления (D) не должна превышать 1%.

Обычно числовая апертура находится в пределах 0.1 - 0.2.

Это соответствует приемным углам  Qа = 5.7 - 11.5°.

В технологических установках апертура может быть больше 0.5 (Qа ³ 30)

Все сказанное относилось к меридиональным лучам. Кроме них существуют косые лучи. Эти лучи при распространении не лежат в меридиональной плоскости(не пересекают ось волокна) и теряют при распространении свою энергию. При большой длине волокна эти лучи быстро затухают. При малой длине эти лучи могут переносить достаточно большую часть общей энергии и должны учитываться в расчете. Стандартная схема.

Применение гибких волоконно-оптических систем (ВОС) транспортировки лазерного излучения существенно расширяет технологические возможности оборудования для лазерной обработки материалов и позволяет решить достаточно сложные задачи новыми, весьма эффективными способами, заменяющими традиционные, например ручную газовую резку и дуговую сварку.

Однако, отечественные промышленные твердотельные лазеры серий "Квант" и ЛТН, работающие в импульсном и непрерывном режиме генерирования, комплектуются в основном только комбинированной оптической системой типа СОК-1, фокусирующей лазерное излучение, или аналогичной, механически жестко связанной с излучателем [1]

Отечественные промышленные СО2-лазеры серий. ТЛ-1,5 и ТЛ-5, "Лазурит", "Комета", "Лантан" и др. комплектуются оптическими устройствами с резаками на основе линзовых и зеркальных фокусирующих систем. Их применяют преимущественно для лазерной резки и сварки [1].

Твердотельные непрерывные лазеры серии ЛТН-101, ЛТН-102 и ЛТН-10З и твердотельные импульсные лазеры типа ЛИТ-100 и ЛИТ-500 не комплектуются оптическими фокусирующими системами, но так же, как и "Квант-15", могут быть механически жестко состыкованы с фокусирующей системой типа СОК-1 или другой оригинальной оптической системой наведения лазерного излучения для соответствующего технологического назначения, например, установки серий "Квант-20", "Квант-50", "Севан" и др. [1].

Таким образом, в настоящее время явно недостаточно готовых стандартных решений по использованию ВОС применительно к выпускаемому серийно у нас в стране лазерному оборудованию. В сложившихся экономических условиях каждый потребитель отечественной лазерной техники решает эту проблему, исходя из своих конкретных технологических задач, наличия необходимых материалов и доступных средств.

В данной работе приведено описание разработанного опытного образца ВОС оригинальной конструкции, состоящей из устройства ввода и вывода и гибкого волоконного световода для транспортировки лазерного излучения к обрабатываемой детали.

В ОАО "НИАТ" разработано устройство ввода, предназначенное для соединения излучателя с волоконным световодом. Корпус устройства ввода 1 (рис. 1) с помощью оптического рейтера крепится непосредственно к установочной плите, на которой предварительно фиксируется излучатель от твердотельного непрерывного лазера ЛТН-103. Волоконный световод 4 жестко закреплен внутри держателя 5, который с помощью юстировочного механизма 6 зажат в корпусе. Торцовая поверхность держателя выполнена сферической, а место посадки внутри корпуса - конусным. Такая конструкция обеспечивает точную юстировку световода относительно перетяжки сфокусированного пучка лазерного излучения. Строго соосно со световодом в специальное гнездо корпуса помещен фокусирующий объектив 7 в собственном корпусе, который может плавно перемещаться вдоль оптической оси лазерного излучения с помощью дифференциального винта 8. Это позволяет совмещать фокальное пятно сфокусированного пучка с торцовой плоскостью световода.

Для защиты входной торцовой плоскости световода от перегрева и загрязнений в корпусе устройства ввода предусмотрен штуцер 3 для подвода сжатого воздуха от пневмосистемы с целью обдува рабочей поверхности объектива и наконечника световода.

В корпусе устройства ввода предусмотрено смотровое окно 2 со съемным пылезащитным прозрачным стеклом для визуализации юстировочных работ. Юстировку устройства ввода с излучателем осуществляют с помощью атомарного одномодового газового Не-Ne-лазера с длиной волны l = 0,6328 мкм и мощностью 1-2 мВт, например, типа ЛГН-208Б. Юстировочный лазер закреплен в специальном юстировочном устройстве на установочной плите за глухим зеркалом излучателя ЛТН-103, а оптические оси излучения непрерывно работающих газового Не-Ne и твердотельного лазеров совмещены.

Более точная юстировка ввода лазерного излучения в световод достигается путем измерения мощности пучка на выходе из световода по максимальному показанию измерителя средней мощности типа ИМО-2Н при небольших уровнях мощности генерируемого излучения твердотельного лазера (около 20Вт)