Системы фокусировки и отклонения лазерного излучения для технологических процессов обработки материалов (стр. 1 )

Системы фокусировки и отклонения лазерного излучения для технологических процессов обработки материалов

Лекции 14

Тема 1. Обзор способов формирования излучения технологических лазеров. Методики расчета оптических систем. Программы расчета оптических систем.	1	1
Тема 2. Материалы для изготовления элементов оптического тракта. Основные правила геометрической оптики..	1	1
Тема 3. Одиночная линза в воздухе. Различные виды линз. Оптическая система из 2-х компонентов. Увеличение оптических систем	4	2
Тема 4. Использование оптического волокна для транспортировки излучения технологических лазеров.	2	2
Тема 5. Основные монохроматические аберрации. Аберрации оптических систем 3-го порядка	2	2
Тема 6. Аберрационный расчет технологических оптических систем лазерных установок	12	2
Тема 7. Использование зеркальных оптических систем для фокусировки излучения мощных лазеров.	2	2
Тема 8. Методика разработки и проектирования оптического тракта технологического лазерного комплекса.	4	2

Тема 1. Обзор способов формирования излучения технологических лазеров. Методики расчета оптических систем. Программы расчета оптических систем.

Тема 1. Обзор способов формирования излучения технологических лазеров. Методики расчета оптических систем. Программы расчета оптических систем

ЛЕКЦИЯ 1

Объективы Кассегрена начали применять при сварке в начале 70-х годов в связи с появлением мощных СО2 лазеров. Из литературных источников известно, что для лазерной обработки на мощностях до 5 кВт как правило используют линзы. При мощностях более 5 кВт используют в основном зеркальные оптические системы. Известно, что для осуществления глубокого проплавления, сопровождающегося частичным испарением металла, требуется плотность мощности сфокусированного непрерывного излучения не ниже 105-106Вт/см2 .Очевидно, что при очень больших плотностях мощности может создаться ситуация, когда вследствие чрезмерного испарения нарушится формирование шва. Многочисленные эксперименты последних лет, проведенные на непрерывных СО2 лазерах различной мощности и конструкции, показали, что даже при g>>106 Вт/см2 нарушения формирования шва не происходит. Известно также, что эффективность процесса тем выше, чем больше плотность мощности. Выше изложенное является достаточным основанием для расчета систем фокусировки излучения лазеров на максимальную плотность мощности, а не на какой-нибудь заданный уровень.

При неизменном диаметре лазерного пучка D и его расходимости  Q, плотность мощности сфокусированного излучения определяется и величиной фокусного расстояния, и аберрационными параметрами фокусирующей системы. При этом определяющий плотность мощности диаметр сфокусированного пучка с достаточной для технологии точностью может быть определен суммированием составляющих размера пятна, обусловленных расходимостью пучка и аберрациями фокусирующей системы. Это подтверждается прямыми измерениями размеров фокального пятна.

Рассмотрим наиболее распространенные схемы технологических зеркальных объективов.

Зеркальные системы представляют собой комбинации либо плоского и сферического зеркал (рис. 1 а(на рис-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.

Важным параметром для применения зеркальных систем является расстояние t. Расстояние t измеряется от ближайшего по ходу пучка оптического элемента системы до фокальной плоскости. Этот размер определяет возможность установки в зоне сварки технологической оснастки (сопел, устройств ввода присадочного материала или порошка).

Часто оптическую систему по схеме е называют объективом Кассегрена (17 век). Классический объектив состоит из двух зеркал:

большого вогнутого параболоидального и малого выпуклого гиперболоидального зеркал и обеспечивает идеальное изображение бесконечно удаленной точки. При использовании объектива в качестве фокусирующей системы для сварки наблюдаются следующие недостатки:

1. Центральное экранирование луча малым зеркалом в случае если внутренний диаметр кольцевого луча меньше диаметра малого зеркала.

2. Сложность и дороговизна изготовления поверхностей второго порядка.

3. Высокая концентрация энергии на малом зеркале, которое может приводить к увеличению аберраций вследствие тепловой деформации отражающей поверхности, а также снижение срока службы зеркала.

Поэтому для сварки в основном используют обращенные объективы, состоящие из двух зеркал.

В обращенном объективе луч вначале попадает на выпуклое зеркало, затем концентрируется вогнутым зеркалом. Устраняются 2-й и 3-й недостатки. Экранирование остается.

Программы расчета оптических систем

http://www. optdesign. narod. ru/programs. htm

OptiFDTD

Программа реализующая численный алгоритм FDTD (finite-difference time-domain) для решения уравнений Максвелла. Она позволяет исследовать пассивные устройства интегральной и дифракционной оптики, позволяет проследить эффекты дифракции, рассеяния, поглощения, отражения на субмикронном уровне.

ASAP

Программа ASAP (Advanced Systems Analysis Program), широко используется для проектирования сложных изображающих и осветительных систем специального назначения.

LensView

LensVIEW – обширная база данных оптических систем, которые можно найти в патентах Японии и США, а также классические фотообъективы Цейсса. С более чем 30 000 проектов, Вы всегда найдете стартовую точку для разработки своей оптической системы.

ZEMAX

Авторы ZEMAX утверждают, что их программа может все, что касается оптики. Она очень удобна для расчета сложных приборов с дорогостоящими элементами, когда необходимо знать точные параметры каждого элемента, чтобы уложиться в бюджет. ZEMAX содержит огромную базу данных по характеристикам различных видов стекол, способен рассчитать сложнейшую конструкцию из систем линз, зеркал, дифракционных решеток, интерференционных и абсорбционных светофильтров и прочих элементов. Он отображает ход лучей в таких системах, наглядно изображая поведение лучей в различных участках спектра, рассчитывает аберрации системы, ее разрешающую способность, потери света и множество других параметров. Чтобы полноценно овладеть этой программой, нужно уделить ей не один год, но для частных задач, в принципе, хватит и месяца упорной работы и чтения документации. По расчетам, выполненным при помощи ZEMAX, можно смело строить реальный оптический прибор, будучи уверенным, что его реальные параметры будут иметь минимальные расхождения с расчетными.

CODE V

Эта программа в рекламе не нуждается. Code V по праву можно назвать лидером среди аналогичных программ. Программа, разрабатываемая более 30 лет, поможет вам рассчитать любую оптическую систему: от микрообъектива до космического телескопа, учитывая при этом все факторы, влияющие на качество изображения.

OSLO

Программа OSLO (Optics Software for Layout and Optimization) предназначена для определения оптимальных размеров и форм элементов оптических систем фото - и видеотехники, систем связи, научных приборов и т. д. Кроме того, она используется для оценки качества оптических систем и для разработки специализированного программного обеспечения для оптического конструирования, тестирования и производства.

Trace Pro

Программа оптико-механического моделирования. Позволяет создавать трехмерные модели оптико-механических систем и проводить анализ распределения освещенности в системе, учитывая рассеяние, отражение, поглощение, дифракцию света Трассировка лучей методом Монте-Карло. Поддерживает экспорт/импорт во все известные 3D форматы и импорт из Zemax, CodeV, Oslo.

ОПАЛ

Одна из самых известных российских программ для расчета и оптимизации оптических систем

AutoOptic Программа позволяет создавать чертежи линз, объективов и склеек в формате AutoCAD.

Lens Программа позволяет создавать полноценные чертежи линз. Работает только при наличии AutoCAD 2000.

Synopsys

Программа расчета оптических систем.

Тема 2. Материалы для изготовления элементов оптического тракта. Основные правила геометрической оптики..

Тема 2. Материалы для изготовления элементов оптического тракта. Основные правила геометрической оптики..

ЛЕКЦИЯ 2

МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ.

Т Р Е Б О В А Н И Я .

МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ЭЛЕМЕНТОВ ПРОХОДНОЙ ОПТИКИ.

ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ.

1.Выбор материала конкретного типа лазера определяется в первую

очередь пропускание излучения нужной длины волны.

2.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;