Фокусування лазерного випромінювання

Мета роботи: практично ознайомитись з можливостями фокусування лазерного випромінювання у повітряному просторі.

Лабораторне обладнання

1. Лазери газові ЛГ-78 та ЛГН-207Б, твердотільні лазери ЛТ-16, Квант-17, напівпровідниковий LSM-464.

2. Інструкції з експлуатації та техніки безпеки при роботі з лазерами.

3. Набір лінз, дзеркал, фокусуючих та перетворюючих пристроїв.

Послідовність виконання роботи

1. Теоретично ознайомитись зі способами фокусування лазерного випромінювання.

2. За допомогою інструкцій з експлуатації вивчити конструкції фокусуючих систем технологічних лазерів ЛГ-78, ЛТ-16, Квант-17, LSM-464.

3. Практично ознайомитись із фокусуючими системами технологічних лазерів ЛГ-78, ЛТ-16, Квант-17, LSM-464.

4. Знайти фокусні відстані F від скляних лінз фокусуючої системи технологічних лазерів ЛГ-78, ЛТ-16, Квант-17, LSM-464 (для лінз, вимірювання яких ускладнене без зняття робочих вузлів фокусні відстані встановити із інструкцій).

5. Розрахувати основні характеристики фокусуючих систем технологічних лазерів за формулами (1)-(10).

6. Порівняти основні характеристики оптичних систем вивчених лазерних установок.

7. Зробити висновки по роботі.

Загальні відомості

Випромінювання на виході із резонатора технологічного лазера представляє собою промінь діаметром від декілька міліметрів до десятків міліметрів і не забезпечує високого ступеня концентрації енергії і необхідного характеру розподілу густини потужності. Для реалізації високопродуктивного процесу лазерного зварювання застосовують різні оптичні системи перетворення параметрів лазерного випромінювання.

З метою підвищення густини потужності лазерного випромінювання здійснюють його фокусування. Для фокусування застосовується як прозора оптика прохідного типу (лінзи), так і відбивна металлооптика (дзеркала). Фокусуючі прозорі лінзи використовуються при малих потужностях лазерного випромінювання (до 1...3 кВт). При підвищених потужностях лазерного випромінювання частіше використовують дзеркальні фокусуючі системи з металлооптики, що забезпечують значно більший термін служби. Дзеркальні фокусуючі системи використовуються у виді одиночного фокусуючого дзеркала або якого-небудь варіанта двох-дзеркального об'єктива Кассегрена.

До оптичних параметрів фокусуючої системи відносять (рис.3.1): фокусну відстань f, діаметр плями фокусування d_f, кут сходження променя після фокусуючої системи j, діаметр променя на виході з резонатора d (при плоско паралельному промені, для розхідного променя при розрахунках використовують діаметр d_л променя перед фокусуючою лінзою).

На мінімально досяжний розмір лазерного променя у фокусі впливають кілька факторів:

1) розбіжність лазерного променя,

2) модовий склад випромінювання,

3) аберації оптичної системи,

4) дефекти оптичних матеріалів.

Фокусування променя за допомогою ідеальної лінзи (рис. 3.1), яка розташована на відстані l₀ від перетяжки променя в резонаторі r_п дає мінімальний діаметр променя 2r_f, що визначається із співвідношення:

, (3.1)

де f – фокусна відстань лінзи, q - розбіжність променя.

Рис. 3.1. Схема фокусування лазерного випромінювання

Для променя з невеликою розбіжністю замість діаметра перетяжки в резонаторі r_п використовують діаметр d_л променя перед фокусуючою лінзою.

Розбіжність променя визначається із:

, (3.2)

де k_д – коефіцієнт, що залежить від розподілу електромагнітного поля в поперечному перерізі променя (при однорідному розподілі k_д=1,22).

Кут сходження променя після фокусуючої системи визначається із:

. (3.3)

Відстань l_f від лінзи до перетяжки сфокусованого променя визначається із:

(3.4)

Інший важливий параметр, що характеризує розміри сфокусованого лазерного променя, є глибина фокуса – відстань від площини найменшого розміру променя до площини, на якій проходить задане збільшення діаметра променя. Наприклад збільшення діаметра променя на 10% відповідає переміщенню на:

. (3.5)

В деяких випадках глибина фокуса визначається як відстань від перетяжки до площини, де інтенсивність випромінювання зменшується до половини:

. (3.6)

Фокусування за допомогою одиночного дзеркала здійснюється за схемою представленою на рис.3.2. На рис.3.2,а фокусуюче дзеркало 4 встановлено під кутом w до вісі падаючого випромінювання. В даній схемі використано додаткове плоске дзеркало 2, яке необхідне при обробці великогабаритних деталей. Якщо оброблювані деталі мають невеликі розміри, то лазерне випромінювання можливо направляти на фокусуючи дзеркало. На схемі рис. 3.2,б використовується плоске кільцеве дзеркало 3, а фокусуючи сферичне дзеркало 4 встановлено співвісно с падаючим випромінюванням. Цю схему фокусування доцільно використовувати, коли лазерне випромінювання має кільцевий переріз.

Рис.3.2. Схеми фокусування з одиночними дзеркалами:

а — фокусуюче дзеркало нахилене до променя під кутом w; б — співвісно із променем (1 — лазерний промінь; 2 — плоске дзеркало; 3 — плоске кільцеве дзеркало; 4 — фокусуюче дзеркало; 5 — деталь, що обробляється; 6 — вісь дзеркала; w — кут нахилу осі дзеркала до осі променя)

а) б) в)

Рис. 3.3. Схеми об'єктива Кассегрена: а – класична схема, б – обернений вісьовий об’єктив, в – обернений позавісьовий об’єктив; 1 — параболоідальне дзеркало; 2 — гиперболоідальне дзеркало; 3 — лазерний кільцевий промінь

Більші можливості фокусування лазерного випромінювання мають дводзеркальні об’єктиви. Об’єктив Кассенгера (рис.3.3) складається з великого увігнутого парабоідального та малого випуклого гіпербоідального дзеркал і має добрі фокусуючі властивості для досягнення високої концентрації енергії лазерного випромінювання. Однак цей об'єктив для фокусування лазерного випромінювання не застосовується, тому що має істотні недоліки:

1) коли внутрішній діаметр кільцевого променя менше діаметра малого дзеркала, відбувається екранування випромінювання малим дзеркалом;

2) виготовлення дзеркальних поверхонь другого порядку досить складно, трудомістко і дорого;

3) на малому дзеркалі досягається висока концентрація енергії випромінювання, що може викликати теплові деформації поверхні дзеркала і погіршення внаслідок цього фокусуючих характеристик.

Другий і третій недоліки класичної схеми Кассегрена усуваються в зверненому осьовому об'єктиві (рис. 3.3,б) що складається з двох сферичних дзеркал. Але екранування центральної частини лазерного випромінювання зберігається. Унаслідок цього звернений осьовий об'єктив Кассегрена доцільно використовувати у випадку, коли лазерне випромінювання має кільцевий перетин із внутрішнім діаметром менше діаметра малого дзеркала. У зверненому позавісьовому об'єктиві Кассегрена (рис.3.3,в) відсутнє екранування і вся енергія випромінювання незалежно від характеру розподілу по перетині променя досягає оброблюваної поверхні. Цей об'єктив має більш широкі можливості і дозволяє фокусувати лазерні випромінювання як суцільного, так і кільцевого перетинів.

Дзеркальна оптика для потужних технологічних лазерів звичайно виготовляється з чистої міді, що забезпечує високі значення коефіцієнтів відбиття і теплопровідності.

Металеві дзеркала виготовляють досить масивними і твердими, щоб вони могли витримати високий рівень лазерного випромінювання і не допустили значних теплових деформацій поверхні дзеркал. Для зниження теплових деформацій і підвищення стійкості в лазерах великої потужності застосовують штучне охолодження мідних дзеркал водою. Використання захисних і багатошарових покрить, що просвітлюють, дозволяє збільшувати стійкість дзеркал при збереженні й експлуатації.

Лазерне випромінювання порівняно невеликої потужності (до 1...3 кВт) фокусується звичайно лінзами з оптично прозорих матеріалів. Для найбільш розповсюджених технологічних СО₂-лазерів з довжиною хвилі випромінювання l= 10,6 мкм в якості фокусуючих систем використовуються штучні оптичні кристали з хлористого натрію (NaCl), хлористого калію (КС1), фтористого натрію (Na), бромистого калію (КВr), бромисто-йодистого талію марки KRS-5 і бромисто-хлористого талія KRS-6, фтористого барію BaF₂. Також використовуються оптичні лінзи з германія (Ge), селеніду цинку (ZnSe), теллуристого кадмію (CdTe), кремнію (Si), арсеніду галію (GaAs), що мають більш високий коефіцієнт переломлення і внаслідок цього збільшені втрати на відображення. Тому на ці матеріали наносять інтерференційні покриття, що просвітлюють. Прості, дешеві у виготовленні лінзи з монокристалів КС1 і NaCl мають невеликі показники заломлення, забезпечують малі втрати на відображення і використовуються без покрить. Істотними недоліками цих матеріалів є їхній гігроскопичність, низька міцність і мала стійкість при експлуатації.

Фокусування видимого випромінювання і близького до інфрачервоної області випромінювання здійснюється скляними лінзами.

Властивості оптичних систем значно погіршують аберації лінзи. Для монохроматичного лазерного пучка, що проходить уздовж осі лінзи, найбільш істотний внесок вносить сферична аберація. Сферична аберація приводить до того, що промені, що виходять із крапкового джерела і попадають на лінзу на різних відстанях від її осі, не збираються лінзою в одну загальну крапку, у результаті чого зображення розпливається в коло з нечіткими обрисами. Наявність сферичної аберації приводить до того, що радіус сфокусованої плями збільшується. Сферичну аберацію можна зменшити двома шляхами: або використовуючи асферичні лінзи зі спеціально підібраними формами поверхонь (що дуже складно технологічно), або оптимізуючи форму сферичних лінз. Оптимальним з погляду забезпечення невеликих сферичних аберацій і простоти технології виготовлення є застосування плоско-опуклих лінз, звернених більш опуклою поверхнею назустріч лучу. Для фокусування випромінювання СО₂-лазерів германієвими лінзами найменшими абераціями володіють лінзи у вигляді меніска. Лінзи з КСl у порівнянні з лінзами з ZnSe, GaAs і Ge у значній мірі гигроскопічні і мають більш низький коефіцієнт переломлення, що при однакових фокусних відстанях і діаметрі лучачи на лінзі приводить до великих сферичних аберацій. Крім того, ZnSe, GaAs і Ge мають менший коефіцієнт лінійного розширення і більш високу термічну стійкість, але в них великі значення коефіцієнта відбиття, що вимагає застосування покрить, що просвітлюють, для усунення втрат на френелівське відбиття.

Тому з врахуванням аберацій діаметр плями, що фокусується одиночною лінзою визначається:

, (3.7)

де k_а – абераційний параметр.

Таблиця 1. - Параметри лінз, що застосовують для фокусування лазерного випромінювання

Матеріал	Показник заломлення	Форма лінзи	kа
KCl	1,46	Плоско-випукла	0,235
ZnSe	2,40	Меніскова	0,032
GaAs	3,27	Меніскова	0,013

В кінцевому рахунку ефективність фокусуючої системи визначається густиною потужності лазерного випромінювання в фокальній площині:

, (3.8)

де Р – потужність лазерної установки.

В деяких випадках для досягнення необхідних технологічних показників промінь розщеплюють на декілька частин. Для цього використовують призми спеціальної форми або системи дзеркал. Приклади таких систем наведено на рис.3.4.

Рис. 3.4 Системи дзеркал для розщеплення променя на кілька частин

Оскільки для поділу променя необхідно, щоб він був досить широкий у перерізі, то для його розширення застосовується телескопічна система (рис.3.5), тобто 2 лінзи з фокусними відстанями F₁ та F₂ з суміщеними фокусами. Після проходження через телескопічну систему діаметр променя збільшується у співвідношенні:

(3.9)

Розбіжність променя q при цьому змінюється в зворотному співвідношенні (тобто зменшується):

(3.10)

Рис. 3.5 Телескопічна система для розширення променя

Змінювати форму перерізу променя можна за допомогою проекційної системи, в якій промінь проходить через маску певної форми і фокусується об‘єктивом на оброблювану деталь. При цьому деталь розміщується не в фокальній площині, а в площині зображення маски. Перед проходженням через маску промінь звичайно розширюється за допомогою телескопічної системи.

Перетворити форму променя з аксіально-симетричної на прямокутну і сфокусувати його не в точку, а в лінію можна за допомогою схеми рис.3.6.

Рис. 3.6. Перетворювач форми променя із аксіально-симетричної в прямокутну

За допомогою аксіконної оптики (аксікон – це лінза, обмежена конічною поверхнею) можна отримати промінь кільцевого перерізу (рис.3.7) наприклад для зварювання кільцевого шва за один імпульс.

Рис. 3.7. Схема отримання променя кільцевого перерізу за допомогою аксіона

Зміст протоколу

1. Найменування роботи.

2. Мета роботи.

3. Лабораторне обладнання.

4. Змалювати і коротко описати основні схеми за якими реалізується фокусування лазерного випромінювання у просторі.

5. Скласти таблицю по результатам вимірювання фокусних відстаней лінз фокусуючої системи технологічних лазерів та їх розрахованих характеристик.

6. Навести схеми фокусуючих систем розглянутих лазерних установок.

7. Висновки по роботі.

Контрольні запитання

1. Для чого необхідні фокусуючі системи? Які основні характеристик фокусуючих систем?

2. Які фактори впливають на мінімально досяжний розмір променя?

3. Які оптичні деталі застосовують для поділу і фокусування лазерного випромінювання у повітряному просторі?

4. Що таке каустика? Замалюйте схему одержання каустики. Поясніть, що називають глибиною фокусу, або повздовжнім розміром каустики?

5. Наведіть основні схеми фокусуючи систем.

6. Які вимоги ставляться до поверхні деталей за допомогою яких відбивається лазерне випромінювання?

7. З яких матеріалів виготовляють деталі фокусуючих систем?

8. Які лінзи застосовують для фокусування інфрачервоного, видимого та ультрафіолетового випромінювання?

9. Що таке аберації? Які аберації мають найбільший вплив? Як зменшити вплив аберацій?

10.Наведіть недоліки розглянутих фокусуючи систем.

11.Що таке колімація? Для чого застосовують телескопічні системи?

12.Які пристрої можливо застосувати для оптимізації умов фокусування розглянутих технологічних лазерів?

13.Як впливає модовий склад випромінювання на фокусування?

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №4