CC BY
34УДК 621.3.038.615
А. Ф. Ширанков, П. А. Носов, А. Г. Григорьянц, Р. С. Третьяков
РАЗРАБОТКА ОПТИЧЕСКИХ ГОЛОВОК ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК С МОЩНЫМИ ВОЛОКОННЫМИ ЛАЗЕРАМИ
Разработаны основы методики проектирования оптических лазерных головок для технологических установок с мощными волоконными лазерами. Методика учитывает свойства мощного многомодового излучения и позволяет проектировать наиболее простые по составу лазерные головки с широким набором технологических операций, выполняемых установкой.
E-mail: ashirankov@bmstu.ru
Ключевые слова: методика проектирования, лазерно-оптическая система, схемотехника компонентов, искажения лазерного пучка.
Лазерно-оптические системы (ЛОС), предназначенные для преобразования лазерных пучков, широко используются в промышленности, а также в науке, технике и быту. Помимо высокого качества преобразования лазерного пучка, высокой функциональности, технологичности и дешевизны изготовления к ЛОС предъявляются требования удобства использования в работе. Разработка современных ЛОС осуществляется на основе научно обоснованной теории.
Теория преобразования лазерных пучков оптическими системами [1—3] — теория ЛОС — базируется на более общих законах, по сравнению с законами традиционной гауссовой оптики, применяемыми при работе с некогерентными (тепловыми, люминесцентными и др.) источниками (принцип Гаусса, закон Ньютона). Это обусловлено наличием ближней зоны лазерного пучка, размер которой определяется конфокальным параметром zk. Следует отметить, что эти законы принципиально отличаются уже в параксиальной области. Поэтому общеизвестные программные средства Zemax, Code V, Oslo, Synopsys и др. не могут использоваться для разработки ЛОС даже на стадии выбора ее структурной схемы или габаритного расчета.
Работоспособность и эффективность теории ЛОС подтверждена на практике при работе с одномодовыми лазерами [4—6].
Весьма важной задачей при проектировании ЛОС является обеспечение малых искажений преобразуемого лазерного пучка по сравнению с идеальным преобразованием исходного лазерного пучка. Искажения лазерного пучка описываются системой параметров [7], где определяющее значение имеет обобщенный параметр качества
2 2 М лазерного пучка. Параметр М применяется и для многомодовых
пучков, в этом случае его более правильно называть параметром мо-
дового состава и качества лазерного пучка.
В настоящее время в лазерных технологических установках для выполнения большого числа задач по обработке материала используются мощные волоконные лазеры. При разработке ЛОС необходимо учитывать особенности лазерных пучков этих лазеров: многомо-довое излучение за счет сложного характера взаимодействия различных мод внутри транспортировочного волокна, высокую мощность излучения (единицы и десятки киловатт), а также поглощение и отражение излучения в оптической системе лазерной головки (ЛГ). Кроме того, не редки случаи, когда отраженное от поверхностей оптической системы излучение попадает обратно во входной торец волоконного жгута и нарушает нормальную работу волоконного лазера. Поэтому при проектировании ЛГ необходимо рассчитать значение отраженного от поверхностей оптической системы излучения. Следовательно, при разработке ЛГ мощных волоконных лазеров прежде всего необходимо определить пространственное распределение плотности мощности многомодового лазерного пучка на выходе волокна и выяснить применимость теории лазерной оптики для описания распространения такого пучка в свободном пространстве. Кроме того, необходимо определить правомерность использования законов преобразования лазерного пучка через оптическую систему для такого излучения волоконного лазера.
Для решения этих вопросов была разработана методика измерения пространственного распределения пучка мощного волоконного лазера на разных участках оптической головки. При проведении экспериментов использовали оборудование лаборатории ООО «Московский центр лазерных технологий». Объектом исследования являлось лазерное излучение многомодульного иттербиевого волоконного лазера ЛС-4-К с длиной волны излучения Л = 1,07 мкм. Измерялось пространственное распределение плотности мощности излучения вдоль оси пучка на выходе из транспортирующего волокна и после его прохождения через оптические элементы ЛГ.
В лазере предусмотрен оптический каплер для замены одного транспортирующего волокна на другое с разными диаметрами внутренней жилы: 50 и 100 мкм.
В качестве оптических элементов использовали следующие системы с просветлением на 1064 нм:
- коллимирующий узел фирмы Precitec COL CO 30C F125 (фокусное расстояние f' = 125 мм) с двухлинзовым объективом;
- фокусирующие узлы фирмы Precitec YK52 (f' = 120 мм) с двухлинзовым объективом, YС50 (f = 200 мм) и YW50 (f = = 300 мм) с однолинзовыми объективами;
- фокусирующие линзы (f = 150 мм, f = 300 мм) производства ФГУП НПО «Астрофизика»;
- защитные пластины толщиной 2 мм фирмы Precitec и производства ФГУП НПО «Астрофизика».
Для перемещения лазерного пучка по высоте использовался промышленный робот ABB IRB2400 c установленной видеосистемой для контроля за процессом наведения лазерного пучка на обрабатываемый материал.
Измерения проводили с помощью диагностической системы LASERSCOPE UFF 100 для высокомощных лазеров, обеспечивающей качественные измерения как расфокусированного, так и сфокусированного лазерного пучка. Схема диагностической системы для измерения лазерного излучения приведена на рис. 1. Через отверстие на конце иглы, обращенное к пучку, излучение после отражения от двух наклонных зеркал попадает на детектор. Измеряемый лазерный пучок сканируется по оси х за счет вращения иглы. Ось вращения у постоянно смещается, что позволяет сканировать все поперечное сечение пучка. Плотность мощности лазерного пучка измеряется путем регистрации яркости по каждому сечению пучка. Прибор позволяет делать до 41 смещения при измерении плотности мощности. Детектор наклонных зеркал усиливает сигнал, оцифровывает и временно
Рис. 1. Схема диагностической системы LASERSCOPE UFF 100
хранит его до передачи через последовательный интерфейс (RS 232) на компьютер для дальнейшей обработки.
Диагностическая система LASERSCOPE UFF 100 может быть адаптирована для измерения лазерного излучения разной плотности мощности в широком спектральном диапазоне. Грубая настройка чувствительности осуществляется посредством отбора игл с различными размерами отверстия. Для более точной настройки выбирают значения внутренних коэффициентов усиления детектора.
Среднее поглощение мощности лазерного луча прибором в процессе измерения составляет всего около 1 %. Если во время измерения плотность мощности лазерного излучения превышает пороговое значение, то она ограничивается до максимально допустимого уровня либо выдается ошибка.
При исследованиях проводили измерения на выходе из транспортирующего волокна диаметром 50 мкм при средней мощности выходного пучка 1,5 кВт (рис. 2). Повторные измерения (10 раз) показали высокую абсолютную стабильность радиуса выходного пучка с колебанием менее 0,01 мм. В ходе измерений определяли пространственные распределения плотности мощности лазерного излучения на разных участках оптической системы ЛГ, по которым определяли диаметр огибающей лазерного пучка. При этом возможны два способа определения: как расстояние между точками поперечного сечения, где интенсивность составляет Ив1 от интенсивности на оси, и как размер зоны, где сосредоточена 0,86 часть (1 - 1/в2) полного потока лазерного пучка. Поскольку в эксперименте эти критерии дали практически один и тот же результат, далее при определении огибающей использовали второй критерий, а диаметр огибающей пучка трактовали как диаметр пучка. При транспортирующем волокне диаметром 50 мкм в плоскости коллимирующего узла размер (1/2 диаметра) пучка по уровню 0,86 от полного потока составил 9,74 мм.
Затем исследовали пространственную структуру лазерного пучка после коллимирующего и фокусирующего узлов. В качестве коллиматора использовали систему Precitec COL CO 30C F125, состоящую из двух линз: двояковыпуклой и менисковой. Диаметр жилы выходного волокна 50 мкм. Средняя мощность лазерного излучения на выходе из волокна изменялась от 1 до 3,5 кВт.
Поскольку коллимирующий узел полностью открыт и находится без каких-либо систем защиты, во время проведения экспериментов коллимирующая оптика была повреждена. Наличие прогорания на внешней поверхности первой линзы подтвердилось при ее визуальном осмотре. Таким образом, все последующие измерения были проведены с данным дефектом в коллимирующей системе. При длительном включении и воздействии лазерного излучения «провал» в пятне
%
%
1100 90 i| 80 70 60 50 40 1 30
120
'S
Рис. 2. Результаты измерения распределения интенсивности пучка на выходе коллиматора:
а — распределение интенсивности; б — вид сверху и поперечные сечения распределения интенсивности
увеличивался в диаметре из-за дифракции, возникающей в области дефекта. Кратковременное включение лазерного излучения не приводило к эффекту «расползания» пучка в диаметре. Следует отметить, что наличие этого дефекта влияет практически лишь на плотность мощности пучка в области его нахождения, но не влияет на расходимость и другие параметры пучка.
Размеры пучка на выходе коллиматора измерялись с шагом 15 мм на расстоянии 120 мм от исходного положения. Огибающая пучка на выходе коллиматора представлена на рис. 3, а. В начальном положении диаметр пучка составил 9,6 мм, в конечном — 8,58 мм.
На рис. 3 приведены результаты измерений размера пучка и аппроксимирующая их гиперболическая зависимость — огибающая пучка: на выходе из коллиматора (см. рис. 3, а) и на выходе фокусирующей линзы УС-50 при диаметре волокна 50 мкм (рис. 3, б) и фокусирующей линзы УК-52 при диаметре волокна 100 мкм (рис. 3, в). В результате обработки данных измерений были определены все параметры пучка на выходе фокусирующего узла:
- для линзы УС-50 размер перетяжки к'р = 0,100 мм, угловая расходимость 2& = 0,053 рад, параметр конфокальности = 3,75 мм, параметр М 2 = 7,79;
- для линзы УК-52 к р = 0,104 мм, 2в ' = 0,107 рад, г ' к = 1,94 мм, М 2 = 16,44.
Проведенные эксперименты показали, что для многомодового излучения мощного волоконного лазера справедливы законы распространения такого пучка в пространстве в соответствии с теорией ЛОС, а также закон его преобразования оптической системой. При этом излучение иттербиевого волоконного лазера можно адекватно описывать, используя коэффициент М 2, примененный к основной лазерной моде. Важно, что такой же вывод следует из работы [8] других авторов в этой же области.
Таким образом, для описания излучения волоконного лазера и его преобразования оптической системой можно использовать традиционные параметры лазерного пучка: полудиаметр перетяжки лазерного пучка по уровню 1/е2 интенсивности кр; конфокальный параметр гк; положение перетяжки исходного пучка относительно переднего фокуса оптической системы гр. Причем все основные связи и зависимости между параметрами лазерного пучка и понятие инварианта сохраняются, а параметр М 2 обобщается на многомодовые пучки.
Ниже приведено описание разработки методики проектирования оптической системы высокоэффективной ЛГ для формирования излучения иттербиевого волоконного лазера ЛС-4-К в пятно малого размера для резки материала. Практика разработки и применения оптических ЛГ для считывания информации с цифровых оптических
О 10- h(z), мм
6 2 - | Z, мм
80 -60 -40 -20 -2 --6 0 20 40 60
о -10
а
Рис. 3. Огибающая пучка по уровню 0,86 полного потока:
а — на выходе коллиматора; б, в — на выходе фокусирующей линзы УС-50 и УК-52 соответственно
дисков [4—6] показала, что наилучшей структурной схемой является полученная экспериментально, а затем подтвержденная теоретически двухкомпонентная схема, у которой первым компонентом является коллимирующий узел, вторым — фокусирующий узел. Правильность выбора именно такой схемотехники для работы ЛГ в режиме резки не вызывает сомнений, так как условия функционирования оптики для этих двух задач одинаковы (за исключением мощности излучения). Структурная схема оптической системы разрабатываемой ЛГ приведена на рис. 4.
Рис. 4. Структурная схема оптической системы ЛГ
Постановка задачи для разработки оптической системы ЛГ: параметры лазерного пучка, выходящего из торца волоконного световода, известны: Л = 1,07 мкм, М2 = 13,2, а кр определяется полудиаметром внутренней жилы волокна ^вол/2. Для лазера ЛС-4-К можно использовать оптоволокно диаметром 50...400 мкм.
Необходимые требования к ЛГ: обеспечение требуемых параметров (к'р, г'к) лазерного пучка в плоскости обработки; допустимые искажения лазерного пучка; состав компонентов; удельная лучевая нагрузка на оптические элементы.
При разработке необходимо определить следующие параметры: структуру узлов и форму линз оптической системы ЛГ; диапазон изменения угла падения (^тах) лучей на поверхность; искажения интенсивности поля лазерного пучка в плоскости обработки; отраженный обратно в лазер (от элементов ЛГ) поток излучения.
При разработке ЛГ учитывали следующие условия: малые искажения распределения интенсивности поля в плоскости обработки; коэффициент Кк эффективного увеличения диаметра пучка реальной выходной перетяжки; максимальный угол падения луча на поверхность линз; поток Ротр излучения обратного отражения от элементов ЛГ. При этом следует также учитывать реально достигнутую в настоящее время лучевую стойкость оптических элементов ЛГ (рис. 5).
Для решения поставленной задачи была разработана методика, обеспечивающая выбор наилучшей структурной схемы оптической
Рис. 5. Зависимость минимального диаметра О пучка лазерного луча на линзе от допустимой мощности Р лазерного излучения, пропускаемого линзой (по данным фирмы Ргесйес)
системы ЛГ, расчет ее габаритных параметров и аберрационный синтез компонентов (определение их конструктивных параметров) при выполнении всех необходимых условий и учете всех ограничений. На основании методики разработан алгоритм автоматического расчета оптической системы ЛГ для заданных параметров исходного пучка лазерного излучения и требуемых параметров выходного излучения.
Результаты расчета оптической системы ЛГ лазером ЛС-4-К с диаметром волокна 50 мкм приведены в табл. 1. Параметры исходного пучка: Ир = 0,025 мм, ¿к = 0,139 мм; параметры идеального пучка, формируемого оптической системой ЛГ: И р = 0,134 мм, ¿к = 4,0 мм.
В табл. 1 использованы обозначения: К — номер компонента (1 — узел коллиматора, 2 — узел фокусатора); I — число линз в компоненте; /' Д.в — заднее фокусное расстояние и световой диаметр компонента, мм; И 'р — размер реальной выходной перетяжки, мм; ^ ' р — положение выходной перетяжки относительно последней поверхности, мм; ртах — максимальный угол падения луча на поверхность линз,
градус; ёЕ — отклонение реального распределения плотности мощности в пятне фокусировки от идеального, %; Жшах — максимальная волновая аберрация на выходе оптической схемы головки (в длинах волн); Ротр — мощность паразитного отраженного излучения, Вт; — расстояние от торца волокна до коллиматора, мм; — расстояние между коллиматором и фокусатором, мм; Ь — длина ЛГ от торца волокна до плоскости фокусировки, мм; ёзаг — толщина заготовки для изготовления всех линз ЛГ, мм; Кдеф — увеличение пятна фокусировки для ожидаемой продольной дефокусировки компонентов ЛГ.
Таблица 1
Результаты синтеза ЛГ лазера ЛС-4-К с диаметром волокна 50 мкм
К 1 /' А» Кн к'р '' 111111 Ш >у тах р 1 огр гн Ь ^заг -Кдеф
1 1 45 29,5 7,06 0,958 -241 16,1 11,9 -12,2 6 0 31,7 0 0 9,9 0,1
2 2 125 32,7 2,36 0,316 136,9 28,8 2,1 -1,1 2,1 0,05 31,7 24,5 307,8 31,2 1,03
2 2 132,3 34,3 1,02 0,137 148,6 29,9 0 -2,6 0,19 0,05 31,7 42,8 337,1 31,7 1,03
2 2 139,7 36,2 1,03 0,139 164,5 29,8 0 -3,2 0,1 0,04 31,7 56,2 366,9 32 1,02
2 2 147 38 1,03 0,138 171,4 29,3 0 -зд 0,12 0,04 31,7 78,7 396,6 32,2 1,02
2 2 154,4 39,4 1,04 0,14 189,6 29,1 0,2 -3,9 0,02 0,03 31,7 89,9 426,1 33,2 1,02
2 2 161,7 41,3 1,05 0,141 205,6 29 0,8 -4,4 0,01 0,03 31,7 103,1 456 33,5 1,02
2 2 169 42,8 1,05 0,141 217,7 27,2 1,5 -4,9 0,03 0,02 31,7 121,1 485,5 33,2 1,01
2 2 176,4 44,7 1,05 0,141 231 31,5 1,1 -4,8 0 0,02 31,7 135,8 515,5 37,1 1,01
2 2 183,7 46,3 1,06 0,142 240,1 29,5 1,2 -5,2 0,03 0,02 31,7 157 545 37,2 1,01
1 1 61,9 28,9 2,16 0,137 -96,3 13 0,1 -1,6 1,9 0 30,4 0 0 9.5 0,1
2 2 83,7 36,9 1,01 0,135 161,5 26,2 0,7 -2,1 0,4 0,04 30,4 22,8 328,9 32,2 1,03
2 2 88,1 38,9 1 0,134 175 26,2 0,5 -2,1 0,3 0,03 30,4 29,2 349 32,8 1,03
2 2 96,9 42,7 1 0,134 201,7 26,1 0,3 -2 0,27 0,02 30,4 42,2 389,4 34,1 1,03
2 2 105,7 46,9 1 0,134 229,9 38,7 0,4 -1,7 0,3 0,02 30,4 51,7 430,4 42,7 1,02
2 2 110,2 48,5 1,01 0,135 243,8 25,9 0 -2 0,27 0,02 30,4 59,7 450 34,5 1,02
1 1 78,8 27,8 1,19 0,057 -69,3 11 0 -0,3 0,65 0 28,7 0 0 9,7 0,1
2 2 75,3 41 1,01 0,136 190,4 30,3 0,6 -4 0,36 0,03 28,7 25 359,9 33,9 1,03
2 2 86,1 46,7 1 0,134 227,1 29,3 1Д -3,4 0,53 0,02 28,7 42,7 415,1 38,3 1,03
1 1 95,6 25,8 1,01 0,042 -55,3 9,7 0 0 0,18 0,01 25 0 0 10,7 0,1
2 2 67,2 41 1,07 0,144 187,5 32,1 2,3 -5,2 1Д1 0,04 25 27,2 356,5 39,9 1,03
2 2 70,4 42,8 1 0,134 200,3 34,3 1,7 -5,4 0,81 0,03 25 31,2 374,3 43,1 1,03
1 1 112,5 25,5 1 0,038 -49,7 7,8 0,2 0 0,02 0,01 25,6 0 0 9,5 0,1
2 2 65,5 43,1 1 0,134 203,2 35,1 2 -8 1,03 0,03 25,6 26,1 371,3 36,4 1,03
2 2 68,4 45,3 1,02 0,137 216,8 39,9 2,4 -7,7 1,13 0,03 25,6 28,9 388,8 39,9 1,03
2 2 71,4 47,5 1 0,135 231 42,6 2,2 -6,5 1,08 0,03 25,6 31,6 406,4 42,2 1,03
1 1 129,4 24,9 1 0,035 -45,4 6,3 0,3 0 0,01 0,01 25,2 0 0 9 0,1
2 2 62,2 43,1 1Д4 0,153 201,9 37,3 3,3 -10,9 1,49 0,03 25,2 26,6 369,3 37,5 1,04
Таблица 2
Результаты синтеза ЛГ лазера ЛС-4-К с диаметром волокна 100 мкм
К 1 Г Ав Кн к'р ^шах сШ ш >у тах р 1 отр ¿к Ь ^заг Кдеф
1 1 95,6 29,9 1,19 0,29 -366 7,6 0,2 -2,1 0,66 0 71,6 0 0 6,4 од
2 2 148,2 33,7 1 0,134 132,8 16,4 0 -0,2 0,02 0,06 71,6 46,9 361 22,7 1,01
1 1 112,5 29,7 1,06 0,164 -232 7,2 0 -0,8 0,38 0 71 0 0 6,4 0,1
2 2 123 33,5 1 0,134 134,4 16,3 0 -0,2 0,02 0,06 71 28,5 343 23,1 1,01
1 1 129,4 29,7 1,02 0,124 -182 6,2 0 -о,з 0,22 0 70,8 0 0 6,3 0,1
2 2 115,7 35,5 1 0,134 146,6 17 0,2 -0,2 0,04 0,05 70,8 35 362,4 23,9 1,01
2 2 141,4 43,7 0,99 0,133 199,6 36 0,7 0 0,02 0,03 70,8 81,9 466,6 39 1,01
1 1 146,2 29,5 1,01 0,105 -156 5,9 0 -0,2 0,13 0,47 70,3 0 0 6,3 0,1
2 2 106,5 35,5 1 0,134 149,2 17,7 0 -о,з 0,04 0,51 70,3 28 357,3 24,2 1,01
1 1 163,1 29,4 1 0,094 -140 5,4 0 -од 0,08 0,02 69,9 0 0 6,2 0,1
2 2 100,2 35,5 1 0,134 149,5 20,1 0 -0,5 0,05 0,07 69,9 24,3 354,3 25,4 1,01
1 1 180 29,2 1 0,086 -128 5Д 0 0 0,05 0,02 69,5 0 0 6,2 0,1
2 2 95,6 35,6 1 0,134 150 19,9 0 -0,6 0,07 0,06 69,5 22,4 352,1 25 1,01
1 1 102 31,9 1,22 0,296 -391 7,6 0,2 -2,1 0,71 0 76,4 0 0 6,8 0,1
2 2 156,9 35,6 1 0,134 148,9 33,9 ОД -од 0,02 0,05 76,4 40,5 381,3 34,9 1,01
1 1 120 31,7 1,07 0,165 -247 7,2 0 -0,8 0,4 0 75,7 0 0 6,8 0,1
2 2 130,2 35,5 1 0,134 147,7 16,3 0 -0,2 0,02 0,05 75,7 28,4 362 24,4 1,01
1 1 138 31,6 1,03 0,124 -194 6,2 0 -о,з 0,24 0 75,5 0 0 6,7 0,1
2 2 122,1 37,4 1 0,134 160,3 34,8 0,2 0 0,02 0,04 75,5 31,6 382,5 36 1,01
Окончание табл. 2
К 1 Г А» Кн к'р ^шах сШ ш >у тах р 1 отр Ь ^заг Кдеф
1 1 156 31,5 1,01 0,105 -166 5,9 0 -0,2 0,14 0,41 75 0 0 6,7 0,1
2 2 112,4 37,4 1 0,134 162,5 17,7 0 -о,з 0,04 0,45 75 27,8 376,2 25,5 1,01
1 1 174 31,3 1 0,094 -149 5,4 0 -0,1 0,08 0,02 74,6 0 0 6,6 0,1
2 2 105,8 37,4 1 0,134 161,5 18,9 0,1 -0,4 0,06 0,06 74,6 26 373 25,9 1,01
1 1 192 31,1 1 0,086 -137 5Д 0 0 0,05 0,02 74,1 0 0 6,6 0,1
2 2 100,9 37,5 1 0,134 162,7 20,9 0 -0,6 0,06 0,05 74,1 22,6 371,1 27 1,01
1 1 70,1 33,8 2,88 0,678 378,8 11 9,1 0 3,02 0 81,7 0 0 8,8 0,1
2 2 514,9 28,3 1,26 0,169 94 23,1 0,4 -0,4 0,78 50 81,7 55,9 340 22,3 1,01
1 1 89,2 33,9 1,91 2,393 9,1 47 -18,3 1,41 0 81,4 0 0 7,9 0,1
2 2 222 35,3 1,01 0,136 149,4 19,2 0 -1,4 0,01 0,05 81,4 130,1 472,5 26,1 1
1 1 108,4 33,9 1,24 0,301 -415 7,6 0,2 -2,1 0,75 0 81,2 0 0 7,3 од
2 2 165,6 37,5 1 0,135 163,5 16,6 0 -0,4 0,02 0,04 81,2 42,4 398,8 25,5 1,01
1 1 127,5 33,7 1,08 0,167 -263 7,2 0 -0,8 0,43 0 80,4 0 0 7,3 0,1
2 2 137,5 37,5 1 0,134 161 16,3 0 -0,2 0,02 0,04 80,4 28,3 380,9 25,7 1,01
1 1 146,6 33,6 1,03 0,125 -206 6,2 0 -0,3 0,25 0 80,2 0 0 7,1 0,1
2 2 128,5 39,3 1 0,134 174,4 17,1 ОД -0,2 0,03 0,04 80,2 33,6 400,2 26,5 1,01
1 1 165,8 33,4 1,01 0,105 -177 5,9 0 -0,2 0,15 0,36 79,7 0 0 7,1 0,1
2 2 118,3 39,4 1 0,134 175,9 17,7 0 -о,з 0,03 0,39 79,7 27,7 395,1 26,8 1,01
1 1 184,9 33,3 1 0,094 -158 5,4 0 -0,1 0,09 0,02 79,3 0 0 7,1 0,1
2 2 111,4 39,5 1 0,134 176,1 18,9 0 -0,4 0,05 0,05 79,3 24,3 392 27,3 1,01
1 1 204 33,1 1 0,087 -145 5Д 0 0 0,05 0,01 78,8 0 0 7 0,1
2 2 132,8 49,2 1 0,134 242,2 19,9 0,2 -0,6 0,07 0,03 78,8 67,1 501,7 30,4 1,01
Результаты расчета оптической системы ЛГ лазера ЛС-4-К с диаметром волокна 100 мкм (Ир = 0,05 мм, = 0,556 мм) приведены в табл. 2. Параметры идеального пучка, формируемого оптической системой ЛГ: И' р = = 0,134 мм, г ' к = 4,0 мм.
Из сравнения данных табл. 1 и 2 можно сделать вывод, что использование волокна диаметром не менее 100 мкм обеспечивает более эффективную структуру оптической системы, а ее стоимость снижается.
В результате проведенных исследований с учетом принятых критериев селекции неподходящих решений установлены следующие соотношения числа линз оптической системы ЛГ в коллиматоре и фокуса-торе для волоконного лазера:
Размер входной перетяжки 2Ир, мкм..... 50 100—200 200 — 400 >400
Число линз в коллиматоре..................... 1...2 1 2 1
Число линз в фокусаторе........................ 2 1.2 1 1
Отметим, что определенная теоретически структура ЛГ полностью совпадает со схемотехникой ЛГ фирмы Ргескес (Германия), кроме случая, когда диаметр волокна равен 50 мкм (см. рис. 5). Однако более рациональное построение линз позволит не только увеличить эффективность разработанной ЛГ с мощными волоконными лазерами, но и расширит номенклатуру технологических операций на данной установке.
Заключение. Разработаны методики основы проектирования оптической системы ЛГ минимальным числом наиболее простых линз. При максимальной функциональности ЛГ обеспечивается минимальная стоимость ее изготовления и эксплуатации. Применение данной методики при проектировании конструкции оптической системы ЛГ для резки материалов позволяет:
• обеспечить в рабочей зоне требуемые параметры лазерного пучка (И 'р, г 'к);
• использовать оптическую систему с минимально возможным числом линз с наименее крутыми радиусами кривизны;
• исключить из рассмотрения варианты оптической схемы с недопустимо большим уровнем потока обратного отражения или с большими углами падения лучей на поверхности линз.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Пахомов И. И., Рожков О. В., Рождествин В. Н. Оптико-электронные квантовые приборы: учеб. пособие для вузов / под ред. И.И. Пахомова. - М.: Радио и связь, 1982. - 456 с.
2. Пахомов И. И., Цибуля А. Б. Расчет оптических систем лазерных приборов. - М.: Радио и связь, 1986. - 152 с.
3. Аберрационный синтез оптических систем, предназначенных для преобразования лазерных пучков / П.А. Носов, В.Ю. Павлов, И.И. Пахомов, А.Ф. Ширанков // Оптический журнал. - 2011. - Т. 78. - № 9. - С. 34-44.
4. S h i r a n k o v A. F. et al. DVD System Software Simulaor ISOM/ODS // Joint International Sysposium on Optical Memory and Optical Data Storage 2002, Hawaii. 7-11 Jule 2002. WP10.
5. Пат. РФ RU2227313. Высокоразрешающая ОС одномерного квазилинейного сканирования лазерным пучком. 20.04.2004.
6. Ширанков А. Ф., Рожков О. В. Оптика лазерной осветительной системы проекционного телевизора с матрицей микрозеркал: сб. трудов VI Международной конференции «Прикладная оптика». - СПб, 2004. -Т. 1 (2). - С. 433-436.
7. Носов П. А. Методы анализа и синтеза оптических систем для высококачественного преобразования лазерных пучков: дис. ... канд. техн. наук. - М., 2011. - 150 с.
8. Пространственная структура излучения мощных волноводных лазеров для технологии / В.В. Васильцов, М.Г. Галушкин, В.Д. Дубров и др. // Лазеры в науке, технике, медицине: сб. научн. тр. XXII Международной научно-технической конференции. - М., 2001. - Т. 22. - С. 38-43.
Статья поступила в редакцию 26.09.2012
