Оптические системы, используемые в лазерной технологической обработке материалов Волоконно-оптические лазерные системы и компоненты (ВОЛС) это стандартные компоненты, основанные на использовании унифицированных оптических элементов и соединений между ними (см. Thorlabs) Системы доставки и фокусировки излучения в зоне обработки, не связанные с использованием волоконно-оптических компонентов (отдельные зеркала, линзы, объективы и т. д. )
Лазерное излучение на выходе из резонатора нельзя непосредственно использовать для технологических целей, т. к. оно не обеспечивает высокой степени концентрации энергии, требуемой для данной технологии и без соответствующих оптических элементов его нельзя доставить и направить в зону обработки. Отсюда следую две задачи, которые решают оптические системы в технологических лазерах: 1. Доставки излучения в зону обработки и обеспечение оптимального пространственного взаимодействия между обрабатываемой деталью и излучением, обеспечение относительного перемещения луча и обрабатываемой детали. 2. Фокусировка излучения в зоне обработки для создания там требуемой для данной технологии плотности и распределения мощности лазерного луча. Системы перемещения луча двумя зеркалами: а – за счет перемещения зеркал, б – за счет углового поворота зеркал. 1 – технологический лазер, 2, 3 – поворотные плоские зеркала, 4 – фокусирующая система, 5 – обрабатываемая деталь. Схема (б) более компактна и легко реализуется технически за счет использование специальных гальвано-сканеров, однако, в отличие от схемы (а) она не позволяет обрабатывать детали больших габаритов.
Реализация схемы обработки крупногабаритных листовых деталей на координатном столе: 1 – лазерный луч, 2 – первое отклоняющее зеркало, 3 – второе отклоняющее зеркало, 4 – третье отклоняющее зеркало, установленное на подвижной каретке 5, 6 – подвижная рама 7 – рельсы-направляющие, 8 – обрабатываемая деталь. Оптическое устройство для сварки и термообработки кольцевых швов на плоскости: 1 – аксикон (коническая деталь), 2 – фокусирующая линза, 3 – обрабатываемая деталь, 4 – излучение. Преимущества: обработка за один импульс (без перемещения луча или детали). Недостатки: малая плотность мощности в зоне обработки, сложная оптическая деталь (аксикон), однако, для неустойчивых резонаторов (кольцеая Оптическое устройство для обработки цилиндрических деталей : 1 – лазерное излучение, 2, 3, 6 – конические зеркала, 4 – обрабатываемая деталь, 5 – фокусирующая линза. Преимущества: обработка за один импульс (без перемещения луча или детали). Недостатки: малая плотность мощности в зоне обработки
Универсальным устройством для обработки кольцевых зон на поверхности плоских деталей является схема, в которой луч направляется на вращающееся плоское зеркало, установленное под углом 45 градусов к оси луча (рис. а). Более универсальным устройством для обработки цилиндрических деталей по кругу является схема в которой деталь вращается, а лазерный луч неподвижен (рис. б) 5 1 1 2 4 2 3 3 5 а б Схема обработки плоских (а) и цилиндрических (б) деталей по кольцевой области: 1 – лазерный луч, 2 – фокусирующая линза, 3 – обрабатываемая деталь, 4 – плоское зеркало, 5 - ось вращения. Преимущество схемы – высокая плотность мощности в зон обработки, Недостаток – малая скорость обработки из-за последовательной обработки всех участков кольцевой области.
Лазерное излучение легко поддается регулированию и управлению путем деления его на несколько частей с помощью простых оптических устройств. Это свойство эффективно используют для подогрева околошовной зоны в целях снижения скорости охлаждения в процессе сварки, подогрева шва или наплавленного металла вслед за сваркой (отпуск) и для многих других целей. б а Рисунок а - Схема с использованием фокусирующей линзы с центральным отверстием: часть излучения 2 проходит через отверстие 1 линзы 3 и создает на соединяемых кромках деталей 4 круглое пятно нагрева с низкой плотностью мощности (для подогрева). Периферийная область пучка фокусируется для сварки. Рисунок б – Схема с использованием осесиммитричного обращенного объектива Кассегрена: 1 – рассеивающее зеркало, 2 – лазерный пучок, 3, 4 – кольцевые вогнутые зеркала с различными фокусными расстояниями. Зеркало 4 может перемещаться вдоль оптической оси для регулировки скорости и величины подогрева околошовной зоны.
Эффективность лазерной обработки во многом определяется поглощательной способностью материала. Для повышения коэффициента поглощения используют: 1) Специальное чернение материала. 2) Накладные камеры (накладываются на область зоны обработки) с отражающим покрытием с внутренней стороны (рисунок а). В камере (4) имеются отверстие (5) для ввода излучения (1), сфокусированного линзой (2), и отверстие (6) для подачи защитного газа. Рассеянное от детали (4) излучение отражается стенками камеры и направляется обратно в зон обработки. Подаваемый в камеру газ служит для защиты обрабатываемой поверхности от окисления. Оптические системы обеспечивают возможность плавной регулировки плотности мощности в зоне обработки за счет перемещения фокусирующих систем вдоль оптической оси (рисунок б). 1 2 6 3 5 4 Рисунок а Рисунок б
Оптические элементы для фокусировки излучения в зоне обработки Для фокусировки излучения с мощностью менее 1 к. Вт обычно используют элементы проходной оптики (линзы и многолинзовые объективы-рефракторы). Для фокусировки излучения с мощностью от 1 до 3 к. Вт обычно используют неохлаждаемую отражательную оптику (зеркала и многозеркальные объективырефлекторы). Для фокусировки излучения с мощностью более 3 к. Вт обычно используют охлаждаемую отражательную оптику. Требования к материалу проходной оптики Выбор конкретного материала определяется, в первую очередь, пропусканием излучения той длины волны, на которой работает лазер. Кроме этого, материал должен отвечать следующим требованиям: - Высокая оптическая прочность, обеспечивающая требуемы значения поверхностного и объемного порога разрушения; - Высокая механическая твердость, обеспечивающая возможность и технологичность высококачественного полирования рабочих поверхностей. - Хорошая оптическая однородность. - Высокая термостойкость в рабочем диапазон температур. - Высокая теплопроводность, обеспечивающая рассеяние поглощаемой материалом линзы энергии. - Возможность получения заготовок больших размеров - Высокая химическая стойкость. - Отсутствие токсичности материала. - Минимальная стоимость и максимальная технологичность.
Материалы проходной оптики 1) Кристаллы: - хлористый кальций (KCl), - хлористый натрий (Na. Cl), - фтористый натрий (Na. F), - бромистый калий (KBr), - бромо-йодистый таллий (марки KRS-5, KRS-6), - фтористый барий (Ba. F 2), - германий (Ge) - селенид цинка (Zn. Se), - кремний (Si), - теллуристый кадмий (Cd. Te), - кремний арсенид галия (Ga. As); 2) Аморфные материалы - оптические стекла различной номенклатуры.
Селенид цинка (Zn. Se) – кристаллический полупровдниковый материал, в природе встречается редко, искусственно выращиваются кристаллы селенида цинка кубической и гексагональной структуры. Селенид цинка – один из основных материалов для проходной оптики среднего ИК диапазона и , в частности, диапазона излучения СО 2 лазера (9… 11 мкм). С практической точки зрения различают две категории селенида цинка (Zn. Se): 1) селенид цинка (Zn. Se) лазерного качества с размером зерна 50 -70 мкм; 2) селенид цинка (Zn. Se) ИК качества с размером зерна 90 -110 мкм. Первый тип селенида цинка (Zn. Se) лазерного качества с размером зерна 50 -70 мкм используется для силовой оптики в мощных СО 2 лазерных установках, второй тип, называемый также селенидом цинка (Zn. Se) оптического качества имеет широкое применение в различных приборах прикладного назначения ИК диапазона , а также в медицинской и специальной технике. Основные свойства селенида цинка: - область прозрачности 0. 6 – 21 мкм; - показатель преломления (для 10. 6 мкм) 2. 4; - температурный коэффициент показателя преломления 61 x 10 -6 1/K (для 10. 6 мкм и 298 К), - температурный коэффициент линейного расширения (при 293 К) 7. 7· 10 -6 1/К; - теплопроводность (при 293 К) 18 -19 Вт/(м·К); - коэффициент Пуассона 0. 3; - модуль Юнга 70 ГПа, - удельная теплоемкость 339 Дж/(кг·K), - потери на отражение 29. 1% (l = 10. 6 мкм, 2 поверхности).
Селенид цинка
Стекло кварцевое Оптическое кварцевое стекло – аморфный диэлектрический материал; оно предназначено для производства оптических деталей работающих в диапазоне 0. 16 -3. 5 мкм. 1. Стекло кварцевое КУ-1. Стекло КУ-1 кварцевое оптическое, прозрачное в ультрафиолетовой и видимой частях спектра без полос поглощения в интервале длин волн 170250 нм, с интенсивной полосой поглощения в интервале 2600 -2800 нм, нелюминесцирующее, радиационно-оптически устойчивое. Рисунок - Спектр пропускания кварцевого стекла КУ-1. Толщина 10 мм
2. Стекло кварцевое КВ Стекло КВ кварцевое оптическое, прозрачное в в видимой области спектра, с заметными полосами поглощения в интервале длин волн 170250 нм и 2600 - 2800 нм Спектр пропускания кварцевого стекла КВ. Толщина 10 мм
3. Стекло кварцевое КИ Стекло КИ кварцевое оптическое, прозрачное в видимой и инфракрасной областях спектра, без заметной полосы поглощения в интервале длин волн 2600 -2800 нм. Рисунок - Спектр пропускания кварцевого стекла КИ. Толщина 10 мм.
4. Кварцевое стекло КС-4 В. Стекло КС-4 В кварцевое, особо чистое, с высоким пропусканием в ультрафиолетовом, видимом и инфракрасном диапазонах оптического спектра, изотропное, бессвильное, высшей категории по признаку содержания пузырей и включений, с высокой радиационно-оптической устойчивостью. Отличается практически полным отсутствием гидроксильных групп благодаря специальной подготовке сырья и вакуумной плавке. Рисунок - Спектр пропускания кварцевого стекла КС-4 В. Толщина 10 мм Оптические детали из кварцевого оптического стекла КУ-1, КВ, КИ, КС-4 В могут быть изготовлены с нанесением просветляющего или отражающего оптического покрытия.
Свойства кварцевого стекла (на примере стекла К 8)
Фокусирующие системы на основе отражающей оптики Зеркальные фокусирующие системы используются в виде одиночных фокусирующих зеркал или какого-либо варианта двух-зеркального объектива Кассегрена. Отражающая оптика состоит из основы (подложки), отражающего и защитного покрытия. Основу (подложку) для зеркальной оптики мощных технологических лазеров обычно изготовляют из металлических материалов (медь, бронза, алюминий и т. д. ) или диэлектриков (кремний, кварцевое стекло, керамика, ситалл и т. д. ). Подложки выполняются достаточно массивными для того, чтобы, во-первых, обеспечить стабильность поверхности зеркала и выполнить роль радиатора для отвода тепла от отражающей поверхности. Минимально допустимое соотношение толщины зеркала к его диаметру – 1/10. В качестве отражающего покрытия, которое наносится на подложку, для видимого и ближнего ИК диапазона используют многослойные интерференционные покрытия, обеспечивающие коэффициент отражения более 99, 9%; для среднего ИК диапазона (от 8 …. 12 мкм) используют металлические отражающие покрытия из меди или золота, обеспечивающие коэффициент отражения более 98 %. Для защиты медного или золотого покрытия от механических повреждений или (и) химического окисления используют дополнительное защитное покрытие (например, двуокись гафния или кремний).
1 2 Рисунок 1 – Схемы (а и б) обработки с одиночным фокусирующим зеркалом: 1 – лазерное излучение, 2 – ось фокусирующего зеркала, 3 – фокусирующее сферическое зеркало, 4 – плоское сплошное зеркало, 5 – обрабатываемая деталь, 6 – плоское кольцевое зеркало. Рисунок 2 – Классическая схема объектива Кассегрена: 1 – параболическое вогнутое зеркало, 2 – гиперболическое выпуклое зеркало, 3 – лазерное излучение Преимущество классического объектива Кассегрена: - он обеспечивает идеальное изображение бесконечно удаленной точки, т. е. обеспечивает наилучшую фокусировку (без аберраций) Недостатки классического объектива Кассегрена : - работает только с кольцевой апертурой, - экранирование пучка малым зеркалом, если внутренний диаметр пучка меньше диаметра малого зеркала, - сложность изготовления параболического и гиперболического зеркал, высокая концентрация энергии на малом зеркале, приводящая к его тепловой деформации и нарушению фокусировки
Рисунок 1 – Схема обращенного осевого объектива Кассегрена: 1 – малое выпуклое сферическое зеркало, 2 – большое вогнутое кольцевое сферическое зеркало, 3 – лазерное излучение. Эта схема позволяет устранить последние два недостатка классической схемы Кассегрена (см предыдущий слайд). Рисунок 2 – Схема обращенного внеосевого объектива Кассегрена: 1 – малое выпуклое сферическое зеркало, 2 – большое вогнутое сферическое зеркало, 3 – лазерное излучение. В этой схеме устраняются все недостатки классического объектива Кассагрена. Однако, с точки зрения аберраций и качества фокусировки излучения (а значит и максимальной плотности мощности излучения в зоне использования), обращенные объективы Кассегрена уступают класиической схеме.
Скачать презентацию Оптические системы, используемые в лазерной технологической обработке материалов
Оптика лазеров 7.ppt