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激光打标技术11、光学系统的光束聚焦耦合系统

2020-5-8 17:48:48

光学系统的光束聚焦耦合系统

从激光器输出的光束,尽管具有高方向性、高功率密度,但在许多加工 应用中仍不能达到所需的功率密度,所以,必须通过聚焦到焦平面上或在焦 平面附近,才能获得所需要的功率密度[切网。

一束发散角为e光束直径为d的激光朿,经过焦距为/的透镜聚 焦后,在焦平面上的光点d以及焦深z可表示为

d = - = f& (2-2)

D

0.322

Z = 土 J (2-3)

为束:'

焦面

图A4发散角与聚集性

此处焦深2定义为焦斑变化5%两焦斑间距。

则在焦平面上的功率密度为

F^ = ^p (2-4)

点筮3)

式(2-4)中,F为焦点处光束的功率密度;P为激光输出功率.由于0 一般为毫弧度,f为几十毫米,P为百瓦级至千瓦级,因此焦点处功率密 度可达lOOW/cm%这样高的功率密度足以使材料产生加热、熔化、汽化,甚 至爆炸!

由此可见,为获得一定的功率密度,聚焦光学系统的选择很重要。我们 在设计阵列式激光打标机的聚焦系统时考虑以下几种光学系统:

一、单透镜聚焦光学系统

单透镜系统较为简单,光斑尺寸与透镜焦距和发散角成正比,为缩小聚 焦点的光斑尺寸,可缩短透镜焦距,但受两方面的限制:

第一、由于加工件置于透镜与工作台之间,从损伤考虑,加工件与 透镜间必须有一定的距离;

第二、无论哪种激光加工,必然伴随金属粉木或金属蒸汽,在功率 密度lOOW/cm2尤其明显,并伴随有材料飞溅。透镜若离 工件太近,则易污染。

这种系统结构简单,损耗较小,易于设计加工,在非微细加工中应用较 为广泛,如激光打标、热处理、焊接以及某些打孔中。

采用球面透镜衆焦,由于激光的单色性和方向性都较好,聚焦后光斑能 量分布主要取决于球差,球差越大,能量分布弥散圆越大。如果球差强散圆 比激光发散角决定的光斑尺寸大很多时,可考虑使用非球面透镜[17][20\

本系统中由于激光打标为非接触式加工,可以考虑单透镜聚焦方案。

投影成像系统

投影系统光路如图2*5所示,激光束通过具有较小负球差的双分离透镜 后,首先聚焦于理论焦点外之后的£上。由于£远离¥ ,因此•?;将通过 物镜3成像,聚焦到兀之后的。上。这时,*和葛成为一对物、像共巍点, 也就是被投影到s;上。试验表明,在*上放置合适的光阑或成形孔,并保 证严格对准,则在毎处所获得的会聚光的均匀性比单透镜好得多。本系统也 称开普勒望远镜系统。它的缺点是光学长度大,从而增加了机械结袍长度; 虽然加工表面离物镜距离比单透镜远,但飞溅物仍易污染镜片。故本系统不 釆用此种方案.

图2-S投影光路示意图

倒装望远系统

这种系统也称扩束器,它将原从激光输出镜输出光斑为D的平行光变为

直径为£>'的平行光。其放大率可表示为,


M = - — = A (2-5)

M h

式中.材为线放大率;为角放大率。光束经扩束后,光束发散角相应减少 了与线放大率同样的倍数,因此,在小孔加工微细加工中,为荻得微米量级 的光斑大小,必须釆用扩束装置。要求的光斑尺寸越小,其放大率M也越大。 本系统也称伽利略望远镜。与开普勒系统相比,伽利略系统外形尺寸紧凑, 负目镜又可对正物镜的像差进行补偿,使系统形式简单,而且减少了反射面 的损耗。这点对于高功率激光器特别有利,它可避免正透镜会聚而引起的强 光效应以及对目镜的破坏。

四、另一种光学系统将倒装望远镜的物鏡改进为聚焦透镜而成,如下图所示:

 

 

图2-6发散一会聚光路系统示意图

激光束通过负透镜后成为发散光,再聚焦于E后面的s上。由于s的实 际位置比理论焦距远,因此,一方面可用小的聚焦物镜获得小的光斑和高的 峰值功率:另一方面又能使物镜与工件保持大距离,改善了飞溅物对镜片的 污染,并可使聚焦点焦深加长,有利于加工厚的工件。这种系统在激光打孔 设备中获得应用。

对比以上各神聚焦系统,我们所要会聚的是C6澱光器发出的06 的红外激光,再加上我们所需要的激光器为多管并行出光(如图2 —D, 聚焦的效果、装置的完备和简易性来考虑,我们自己选用单透镜聚焦光学系 统,加工合适焦距的透镜。从而完成了对多束CO?激光器所发出的光逬行有 效聚焦的光学结构设计,


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