Системы фокусировки и отклонения лазерного излучения для технологических процессов обработки материалов (стр. 7 )

ЛЕКЦИЯ 6

Экспериментальная оценка качества волокон, коэффициента передачи излучения и анализ факторов, влияющих на потери лазерной мощности. Итак, теоретические потери мощности лазерного излучения, передаваемого по ВОС, составляют около 12%. Практически, на коэффициент передачи лазерного излучения влияют такие не учтенные при расчете факторы, как диаметр сердцевины и радиус изгиба волокна, качество подготовки рабочих торцевых плоскостей передающего световода, характеристики оптических элементов, погрешности при юстировке ВОС и погрешности самой ВОС и некоторые другие.

Результаты проведенных экспериментальных исследований транспортировки лазерного излучения мощностью до 250 Вт по разработанной ВОС с использованием кварцевых волокон с кварцевой оболочкой с dc от 400 до 710 мкм и кварцевых волокон с полимерной оболочкой с dc от 370 до 1000 мкм позволили определить реальный коэффициент передачи лазерного излучения и пороговую мощность разрушения волокна.

Качество изготовленных волокон оценивали по предельному оптическому затуханию в образцах. При меньшем dc увеличивается интенсивность лазерного излучения и снижается уровень предельной передаваемой мощности лазерного излучения.

Установлено, что в подавляющем большинстве экспериментов разрушение волокна возникало из-за возгорания полимерной оболочки на начальном и конечном участках. Самые низкие значения пороговой мощности разрушения (50—60 Вт) и самый низкий коэффициент передачи лазерного излучения (0,67) получены при транспортировке пучка по кварцевому волокну с полимерной оболочкой при dc=370 мкм.

Все измерения мощности выполняли с помощью измерителя средней мощности лазерного излучения типа ИМО-2Н.

Более высокие показатели качества получили при передаче лазерного излучения по кварцевому волокну с кварцевой оболочкой, легированной фтором, при dc, равном 600 и 710 мкм. В данном случае при пороговой мощности до 200 Вт возгорание не наблюдали, а коэффициент передачи излучения был максимальным (0,78).

Однако, несмотря на более высокие показатели качества кварцевого волокна с кварцевой оболочкой со ступенчатым показателем преломления, для эксплуатации выбрали кварцевое волокно с полимерной оболочкой со ступенчатым показателем преломления с dc от 600 до 750 мкм и Kп = 0,76. Длина образцов составляла 5-10 м, а минимальный радиус изгиба - 30 или 50 мм в зависимости от dc. Такое решение приняли с учетом более высокой надежность кварцевых волокон с полимерной оболочкой по сравнению с кварцевыми волокнами с кварцевой оболочкой из-за технологических дефектов в последних, выявленных при исследованиях.

Для повышения эксплуатационной стойкости самого волокна необходимо проанализировать причины, ограничивающие передачу мощного лазерного излучения (более 200 Вт) по кварцевому волоконному световоду. Из экспериментальных и литературных источников известно, что такими причинами являются плавление самого волокна в результате нагрева распространяющимся излучением, электрический пробой материала волокна электромагнитным полем излучения, а также превращение распространяющегося лазерного излучения в другие виды излучения.

Повышение температуры волокна, особенно на входе, обусловлено двумя факторами. Во-первых, из-за несоответствия модового состава излучения и волокна, т. е. когда часть излучения распространяется не по сердцевине волокна, а вдоль оболочки, либо входит в нескольких миллиметрах от передней торцовой плоскости через покрытие и поглощается на границе между защитным покрытием и оболочкой. Во-вторых, из-за поверхностных загрязнений рабочих торцев волокна, которые возникают во время нагружения, т. е. при работе волокна, либо при некачественной подготовке рабочих торцев для эксплуатации.

Даже при 1 %-ном поглощении лазерного излучения мощностью 100Вт, т. е. при поглощении 1 Вт непрерывного излучения, достаточно, чтобы волокно начало плавиться.

Хотя материал кварцевого волокна является диэлектриком, он не абсолютный изолятор, поэтому при некотором критическом значении электрического поля (около 5 МВ/см) происходит его пробой. Критическое поле зависит не •только от самого материала, но и от частоты передаваемых импульсов излучения и их длительности. Для импульсов в субмикросекундной области порог увеличивается до 1/√τ (τ - длительность импульсов).

При больших интенсивностях распространяющегося внутри волокна лазерного излучения часть ето может превращаться в другие виды излучения, т. е. происходят нелинейные эффекты [4], в данном случае - стимулированное рамановское рассеяние, вынужденное рассеяние Бриллюэна и четырехволновое сопряженное рассеяниэ.

Поскольку потери мощности лазерного излучения преимущественно на вводе в волокна часто происходят из-за ослабления лазерного пучка продуктами разрушения волокна, особенно при термодеструкции полимерной оболочки в процессе работы, необходимо большое вни мание уделять предварительной обработке и подготовке, а также своевременной профилактической доводке входного и выходного участка волокна.

Эти меры необходимы еще и для повышения эксплуатационной стойкости волокна против термоскалывания как самого кварцевого световода, так и против трещинообразования полимерной оболочки. Как правило, сколы, трещины и другие механические разрушения часто образуются из-за значительных волн давления возникающих вследствие поглощения лазерного излучения полимерной оболочкой, а также из-за роста термоупругих напряжений в связи с высоким градиентом температур и длительным воздействием мощного пучка [5].

Следует отметить, что за счет качественной подготовки и эффективного охлаждения рабочих участков волокна, а также корректировки расчетных параметров оптической системы и доработки устройств ввода и вывода, проведенных после экспериментальных исследований, удалось повысить Kп до 0,85, что вполне соизмеримо с коэффициентом передачи промышленной системы типа СОК-1.

После доработки ВОС опробовали при лазерной резке и сварке сталей толщиной 0,5 мм. Качество резов и сварных соединений было удовлетворительным. Минимальный диаметр сфокусированного лазерного излучения составил 0,5 мм. Распределение интенсивности в пятне близко к равномерному.

Разработанная ВОС в зависимости от практических задач может быть установлена на любой исполнительный технологический модуль: механизированное приспособление, автоматическое устройство, координатный стол с ЧПУ, робот-манипулятор и т. п. Съем и установка достаточно компактного и легкого устройства вывода ВОС осуществляются с помощью разработанного или специально модернизированного для конкретной цели захвата из дуралюмина. При этом жесткая конструкция устройства вывода не требует дополнительной юстировки ВОС. если, конечно, не затронуто устройство ввода лазерного излучения. Как уже отмечалось, тонкая подъюстировка устройства вывода ВОС осуществляется с помощью собственного юстировочного механизма.

При стационарно закрепленных ВОС и детали можно выполнять лазерную резку, сварку, пайку, термическую обработку и наплавку, а также ремонт различных деталей. Качество обработки в данном случае обусловлено параметрами ВОС и режимами технологических операций, а также параметрами исполнительного технологического модуля, прежде всего плавностью и погрешностью хода механизма перемещения ВОС или детали.

При необходимости данную ВОС после небольшой модернизации можно применять и для проведения ряда технологических операций вручную, например, для лазерной резки, сварки, пайки и наплавки, включая ремонт самых разнообразных деталей, в том числе радиоэлектронных и ювелирных изделий. Качество обработки в данном случае зависит от квалификации исполнителя.

В зависимости от потребностей можно использовать одну или несколько ВОС на различных рабочих местах, а при специальной модернизации - одновременно на двух или трех, но не более, позициях в связи с недостаточной мощностью лазерного излучения от одной установки ЛТН-103.

Выводы

1. Разработана волоконно-оптическая система для передачи лазерного излучения ( λ = 1,064 мкм) на основе кварцевого волокна с dc=600 мкм при мощности до 250 Вт на расстояние 5-10м от технологического твердотельного непрерывного лазера ЛТН-103.

2. Разработаны новые схемы устройств ввода лазерного пучка (dп=6мм) и вывода излучения из световода для фокусировки в пятно (dфп=0,5мм), значительно снижающие потери энергии излучения за счет более точной юстировки.

3. Предложены методики расчета форсирующей оптической системы и оценки характеристик волоконного световода, с помощью которых выбраны оптимальные параметры оптических компонентов, удовлетворяющих условиям максимальной передачи энергии лазерного пучка от излучателя к исполнительному технологическому модулю.

Список литературы

1. Технологические лазеры: Справочник: в 2 частях. Т. 1: Расчет, проектирование и эксплуатация / , , и др. // Под общ. ред. Г. А,Абильсиитова. М.: Машиностроение, 1991, 432 с.

2. Лазерная техника и технология. В 7 кн. Кн. 7: Лазерная резка металлов: Учеб. пособие для вузов / , // Под ред. . М.: Высшая школа, 1988. 127 с,

3. Miura Hiroshi, Okino Keiji. The Transmission Characteristics of High Power CW YAG Laser Light through Optical Fibers // Rev, Laser Eng. 1988. Vol. 16. N 6, P. 21—28.

4. , Прохоров и волоконная оптика // Успехи физических наук. 1986. Вып. 2. Т, 148 С. 289-311.

5. Лазерная техника и технология. В 7 кн. Кн. 4: Лазерная обработка неметаллических материалов: Учеб. пособие для вузов / , / Под ред. . М.: Высшая школа. 1988. 191 с.

6. ,,Оптимизация характеристик сфокусированного лазерного луча для сварки.- Троицк: ПРЕПРИНТ НИЦТЛ N 5 , 1984,75с.

Тема 5. Основные монохроматические аберрации. Аберрации оптических систем 3-го порядка

ЛЕКЦИЯ7

Рассмотрим основные монохроматические аберрации:

(с.80)

Монохроматичность лазерного луча имеет важное значение при фокусировке, т. к. при этом отсутствуют хроматические аберрации, возникающие вследствие n = f (l)

а) астигматизм