Системы фокусировки и отклонения лазерного излучения для технологических процессов обработки материалов (стр. 6 )

Рис. 1. Принципиальная схема устройства ввода лазерного излучения

Гибкий волоконный световод представляет собой многомодовое кварцевое волокно со ступенчатым показателем преломления, имеющее светоотражающую полимерную оболочку защищенную, в свою очередь, нейлоновой оболочкой. -

Входной и выходной торцы волокна подвергают оптической полировке либо механической обработке ("насечка—скол").

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.

Устройство вывода с оптическим резаком (рис. 2) состоит из двух корпусов 3 и 6, соосно соединенных между собой. В корпусе 3 закреплен держатель волоконного световода 1, аналогичный используемому в устройстве ввода, а также юстировочный механизм 2, позволяющий совмещать оптическую ось излучения с осью

Рис. 2. Принципиальная схема устройства вывода лазерного излучения с оптическим резаком

коллимирующей линзы 5, и штуцер 4 для подачи сжатого воздуха.

В корпусе 6 находятся фокусирующая оптическая система 7, защитное стекло б и штуцер 10 для подачи технологического газа соосно с лазерным излучением. На конце корпуса 6 закреплено сопло 9.

Таким образом, лазерное излучение, генерируемое твердотельным излучателем, направляется вдоль оптической оси устройства ввода, фокусируется им на торец волоконного световода, транспортирующего излучение в устройство вывода с оптическим резаком, где оно формируется в параллельный пучок для уменьшения расходимости, а затем фокусируется на поверхность обрабатываемого материала изделия.

Устройство вывода с оптическим резаком закреплено на исполнительном технологическом модуле с помощью разработанного специального захвата. Последний конструктивно выполнен так, что оптический резак имеет возможность отслеживать форму обрабатываемой поверхности детали контактно-копирным методом.

Расчет фокусирующей оптической системы устройств ввода и вывода. Для ввода лазерного излучения в волокно с минимальными 'потерями - мощности необходимо обеспечить выполнение следующих требований: диаметр фокального пятна сфокусированного лазерного излучения на входе dфп вх должен быть приблизительно в 1,5 раза меньше диаметра сердцевины волоконного световода dс, т. е. оптимальное значение dсопт »1.5 dфп вх плоский или телесный угол ввода лазерного излучения в световод должен быть меньше допустимого, определяемого числовой апертурой волокна AN, для соблюдения условия полного внутреннего отражения.

Поскольку параметры транспортируемого лазерного излучения (диаметр пучка и расходимость), а также волоконного световода (диаметр сердцевины и числовая апертура) известны, то можно рассчитать минимальное значение фокусного расстояния оптической системы ввода:

tgj= dп вх/(2*fвв) (1)

где j - угол ввода лазерного излучения в волоконный световод; dп вх - диаметр лазерного пучка на - входе в устройство ввода, равный 6*10-3 м; fвв - фокусное расстояние оптической системы ввода; AN=0,2¸0,3; dc=0,4¸1 мм.

Числовая апертура волокна

AN=SQRT(n2c-n2об) (2)

где n2c и n2об - показатели преломления сердцевины и оболочки волокна соответственно. Из формулы (1) получаем

fвв≥dп вх/(2*AN) (3)

а из формулы (3)- fвв ≥10¸15мм.

Диаметр фокального пятна сфокусированного излучения

dфп вв=2*θ*fвв+k*d3п вх/f2 (4)

где 2*θ - энергетическая расходимость лазерного излучения, равная 1,5*10-2 рад; k-аберрационный коэффициент, зависящий от модового состава излучения и показателя преломления используемого материала линзы и равный (1.5¸3)*10-1 [2].

Учитывая, что максимальное значение dфп вв должно быть не более 0,3-0,6 мм при условии, что dc составляет 400-800мкм, из формулы (4) получим оптимальное значение фокусного расстояния оптической системы устройства ввода fвв опт-=25¸30 мм.

При расчете оптической системы устройства вывода основными критериями служат габаритные размеры корпуса. Так как расходимость лазерного излучения на выходе из волоконного световода в основном зависит от числовой апертуры волокна и в данном случае составляет приблизительно 24°, то уже при фокусном расстоянии оптической системы устройства вывода fвыв=40¸50 мм диаметр коллимирующей линзы dкол должен быть не менее 30 мм. Дальнейшее увеличение диаметра коллимированного лазерного пучка dкп приводит к резкому уменьшению длины перетяжки при фокусиро-вании пучка в зону обработки, что налагает, в свою очередь, жесткие требования к расстоянию между соплом и обрабатываемой деталью, особенно при резке материала. Таким образом, fвыв должно быть не более 50 мм, но и не менее 25 мм, так как в соответствии с оптической схемой диаметр сфокусированного в рабочей точке пучка

dфп выв=dc*fфок/fкол (5)

где fфок-фокусное расстояние фокусирующей линзы оптического резака; согласно технологическим требованиям составляет 30—50 мм, что обусловлено необходимостью размещения в резаке защитного стекла и штуцера для подвода технологического газа; fкол—фокусное расстояние коллимирующей линзы.

В данном случае ввод лазерного излучения в волокно осуществлялся с помощью параболической ( f = 23 мм) или менисковой ( f = 50 мм) линзы Диаметр сфокусированного пятна измеряли с помощью известной методики сканирующей диафрагмы.

Как видно из рис.3, хотя параболическая линза (кривая 1) и дает меньший диаметр сфокусированного пятна лазерного излучения, но получающаяся при этом длина перетяжки пучка, равная нескольким десятым долям миллиметра, накладывает жесткие требования на юстировку при совмещении перетяжки лазерного пучка с торцовой плоскостью волокна, а длиннофокусная линза (кривая 2) дает больший диаметр фокального пятна, сравнимый с диаметром сердцевины, что приводит к передаче излучения по оболочке волокна и быстрому повреждению волоконного световода.

Поэтому для устройства ввода выбрали двухкомпонентный объектив с fвв = 32 мм, с помощью которого диаметр сфокусированного пятна составлял 0,4 мм, а длина перетяжки пучка — приблизительно 1,5 мм.

Для устройства вывода выбрали коллимирующую линзу с f = 50 мм, а фокусирующую систему — в виде двухкомпонентного объектива с f= 50 мм.

Данная оптическая система позволила получить диаметр сфокусированного пятна, равный диаметру сердцевины используемого волокна.

Из формулы (5) следует, что при данной оптической схеме получить диаметр сфокусированного в рабочей точке пучка меньше диаметра сердцевины волоконного световода не удается.

Очевидно, что для повышения плотности мощности в зоне обработки материала необходимо использовать волокно с меньшим диаметром сердцевины и большей числовой апертурой и, кроме того, проектировать специально

Рис. 3. Каустика сфокусированного лазерного излучения (z — расстояние от заданной фокальной плоскости, равное 1/2 длины перетяжки лазерного луча). 1 — параболическая линза с f = 23 мм, 2— менисковая линза с f = 50 мм

рассчитанную оптическую многокомпонентную систему фокусирования лазерного пучка.

Теоретическая оценка технических параметров при выборе волоконного световода. Для эффективного ввода энергии лазерного излучения в волоконный световод и ее передачи необходимо обеспечить выполнение следующего условия:

dп вх*θ≤AN*dc (6)

С учетом параметров лазерного излучения твердотельного лазера dп вх и θ заданных в паспорте на ЛТН-103, из условия (6) следует. что dc≥300 мкм при AN = 0,3 и dc =400 мкм при an = 0,2. При меньших значениях dc необходимо использовать дополнительный оптический элемент для уменьшения расходимости лазерного излучения, что усложнит устройство ввода.

Ограничение по максимальному значению dc принимается из условия требуемой гибкости самого волоконного световода с учетом вышеприведенных выводов. Таким образом, dc ≈ 0.4-0,8 мм.

Значения числовой апертуры обусловлены материалом волокна и его оболочки.

Согласно экспериментальным и литературным данным [3], наилучшим материалом для волокна является кварц, легированный германием, с оболочкой из чистого кварца с AN = 0,25, как наиболее стойкий материал по отношению к воздействию больших плотностей мощности лазерного излучения на длине волны λ = 1,064 мкм.

Причем в качестве кварцевого волокна предлагаются как волокна с большой числовой апертурой AN≈0,38, так и с различным распределением показателя преломления в самой сердцевине волокна.

При увеличении AN кварцевого волокна со ступенчатым распределением показателя преломления на границе сердцевина—светоотражающая оболочка разность показателей преломления ∆n велика, что может привести к возрастанию деформации внутри самого материала и, как следствие, к трещинообразованию [3].

Градиентное распределение показателя преломления имеет свои недостатки, так как увеличивается плотность мощности лазерного излучения в центральной части сердцевины волокна и, тем самым, ограничивается предельное значение передаваемой энергии лазерного излучения. Поэтому наиболее эффективно использование оптического кварцевого волокна с AN= 0,2-0,3.

Лучевая стойкость такого волокна при непрерывном генерировании лазерного излучения составляет приблизительно 108—109 Вт/см2 а при импульсно-периодическом режиме работы - приблизительно 109—1010 Вт/см2.

Оценим потери мощности лазерного излучения в таком световоде. Они складываются из двух основных факторов: френелевского отражения на торцах волокна и поглощения излучения материалом волокна.

Если пренебречь потерями мощности на вторичном отражении от входного Pвх и. выходною Рвых торцев волокна и считать поглощение однородным по всему волокну, то коэффициент передачи излучения Kп можно выразить формулой

Kп=Рвых/Pвх=10-0.1*a*L*(1-R2) (7)

где a - потери мощности в волокне, обусловленные поглощением излучения материалом волокна, дБ/км; R— коэффициент френелевского отражения.

Учитывая, что показатель преломления для кварца п= 1,471, длина применяемых волокон L≈10 м, а составляют менее 10 дБ/км, получим Kп≈0,88.