Разработка схем и методов расчета оптических систем преобразования излучения в световую трубку тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат технических наук Санталина, Ирина Юрьевна

• Санталина, Ирина Юрьевна
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Санталина, Ирина Юрьевна

Введение.

Глава 1. ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В

ТЕХНОЛОГИИ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ.

Глава 2. МЕТОДЫ РАСЧЕТА ПРОСТРАНСТВЕННОЙ СТРУКТУРЫ

ЛАЗЕРНЫХ ПУЧКОВ В ПАРАКСИАЛЬНОМ ПРИБЛИЖЕНИИ.1В

2.1 Волновые методы.1В

2.2 Метод сопряженных плоскостей.

2.3 Лучевой пакет.

2.4 Метод двух лучей.

2.5 Матричный метод. Закон АВСО для гауссовых пучков.

Глава 3. РАСЧЕТ ФОКУСИРУЮЩИХ СИСТЕМ.

3.1 Параксиальный расчет основных типов оптических систем.

3.1.1 Передача лазерных пучков фокусирующими световодами. Расчет согласующей оптики.

3.1.2 Фокусировка лазерных пучков линзой.

3.1.3 Формирование излучения градиентными фокусирующими элементами.

3.2 Фокусаторы лазерного излучения как класс дифракционных оптических элементов.

3.2.1 Фокусатор в линию.

3.2.2 Фокусатор в продольный отрезок.

Глава 4. РАЗРАБОТКА СХЕМ И МЕТОДОВ РАСЧЕТА ОПТИЧЕСКИХ

СИСТЕМ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ В СВЕТОВУЮ ТРУБКУ.

4.1 Преобразование излучения плоского источника в световую трубку цилиндрической формы.

4.2 Определение предельного диаметра сечения лазерного пучка в оптической системе.

4.3 Синтез оптической системы предварительного (начального) преобразования световой трубки.

4.4 Оптическая система переменного увеличения в схеме лазерной технологической установки.

Глава 5. РАСЧЕТ ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ, ПРЕОБРАЗУЮЩЕЙ ЛАЗЕРНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ В ЦИЛИНДРИЧЕСКУЮ СВЕТОВУЮ

ТРУБКУ.

5.1 Определение размеров световой трубки.

5.2 Определение параметров оптической системы ф/.

5.3 Определение параметров оптической системы сря.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка схем и методов расчета оптических систем преобразования излучения в световую трубку»

Развитие современного производства обуславливает все возрастающее внедрение наукоемких технологий. К ним относится лазерная обработка материалов. Такая обработка является одной из технологий, которые определяют современный уровень производства в промышленно развитых странах [1].

В основе лазерной обработки лежит простой научный факт: лазерный луч можно сконцентрировать на поверхности материала в пятно диаметром в десятые доли миллиметра. Если при этом лазер обладает достаточной мощностью, то происходит расплавление, испарение, разрушение, изменение структуры материала. Для превращения лазерного луча в инструмент на его пути на расстоянии нескольких сантиметров от поверхности обрабатываемого материала ставится фокусирующая линза. Процесс напоминает детское развлечение в солнечный день с выжигательным стеклом. Только вместо солнечного луча - луч лазера. Если теперь начать двигать материал с помощью двухкоординатного привода, управляемого от компьютера, то получится простейший станок для лазерной обработки материалов.

Гибкость лазерных методов такова, что ни одно из стратегически важных технологических направлений в мире за последние 15-20 лет не обходилось без использования лазерных технологий обработки материалов в их самом современном виде. Они активно применяются в электронном машиностроении, автомобилестроении, атомной, космической, авиационной и судостроительной промышленности, медицине и практически во всех направлениях оборонного производства. Внедрение лазерных технологий обработки позволяет практически всегда повысить качество продукции, производительность, обеспечить экологическую чистоту производства, а по целому ряду направлений достичь технических и экономических результатов, которые нельзя реализовать другими техническими средствами.

Спектр оборудования, используемого для лазерной обработки материалов, чрезвычайно широк. Большинство производителей поставляют на рынок не отдельные технологические лазеры, а лазерные технологические комплексы (ЛТК). Повышение требований к надежности и качеству высокотехнологичной продукции, стремление к миниатюризации приборов при повышении управляемости и гибкости всех систем привели в последние годы к быстрому росту спроса на ЛТК для лазерной микрообработки. Лазерные технологии микрообработки позволяют осуществлять микросварку и резку, сверление сверхмалых отверстий в матрицах и фильерах из сверхтвердых материалов, фрезерование и формообразование, размерную обработку, изготовление сверхплотных масок и трафаретов, осуществлять функциональную лазерную настройку и др.

Необходимость выделения ЛТК для микрообработки в отдельный класс систем связана с тем, что для решения большинства задач, которые стоят в настоящее время перед потребителями ЛТК, технических и точностных возможностей традиционных комплексов уже недостаточно. Необходимо, создание комплексов, состоящие из; лазеров нового поколения, генерирующими световые импульсы повышенной яркости в инфракрасном, видимом и-ультрафиолетовом диапазонах спектра с короткими и сверхкороткими импульсами; устройств внешней оптики, обеспечивающие формирование пятна лазерного излучения, визуальный и параметрический контроль процесса; системы технологической привязки процесса и соединения ЛТК с прочим оборудованием в единую технологическую линейку; блоки питания, системы управления и контроля, охлаждения, пневматические блоки.

Еще одной важной задачей является разработка базовых технологий микрообработки. За рубежом в развитие ЛТК для лазерной микрообработки вкладываются значительные ресурсы. В России в начале 2000-х годов НПЦ

Лазеры и аппаратура ТМ» было начато производство лазерных машин, которые также можно отнести к этому классу ЛТК [2].

Важнейшее место занимает разработка оптической системы, с помощью которой, для достижения высокой плотности мощности, излучение лазера фокусируется вблизи обрабатываемой поверхности. Фокусирующие устройства в зависимости от фокусного расстояния применяемой оптической системы собирают лазерное излучение в пятно диаметром 0,2-0,8мм. Как показал опыт, для лазерной резки и сварки не очень тонких деталей принципиальное значение имеет не только поперечный размер фокального пятна, но и длина перетяжки. Именно этим и определяется актуальность настоящей диссертационной работы, посвященной разработке схем и методов расчета оптических систем, которые должны решать следующие задачи:

1. Фокусировать пучки лучей лазерного излучения в пятно заданного размера.

2. Фокусировать пучки лучей лазерного излучения на требуемом расстоянии от последней поверхности оптической системы.

3. Преобразовать излучение плоского источника (лазерное излучение) в световую трубку конической (в частном случае — цилиндрической) формы требуемых размеров.

Заключение диссертации по теме «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы», Санталина, Ирина Юрьевна

Заключение

Промышленная обработка материалов стала одной из областей наиболее • широкого использования лазеров и, прежде всего, лазеров высокой мощности. Лазерное излучение применяется для резания и сваривания материалов, сверления отверстий и термообработки, обработки тонких металлических и неметаллических пленок, получения на них рисунков и микросхем. Для повышения эффективности применения и качества выполнения технологических операций лазерный пучок лучей в рабочей зоне должен иметь форму конической (в частном случае - цилиндрической) формы требуемых ■ размеров.

Результаты исследований, выполненных в диссертационной работе, могут быть сформулированы в виде следующих выводов:

1. На основе соотношений геометрической оптики показана возможность преобразования излучения лазера в световую трубку цилиндрической или конической формы и получено условие, определяющее взаимосвязь параметров лазера и световой трубки.

2. Получено выражение, удовлетворяющее условие лучевой прочности для разрабатываемой оптической системы.

3. Определены-базовые схемы формирования и преобразования световой трубки.

4. Разработаны методы расчета оптической системы ЛТК, преобразующей излучение лазера в световую трубку цилиндрической и конической форм на требуемом расстоянии от последней поверхности оптической системы.

5. Разработан принцип построения системы переменного увеличения, позволяющей осуществлять изменение параметров световой трубки.

6. Применение разработанных базовых схем построения оптических систем формирования и преобразования световых трубок и разработанных методов их расчета проиллюстрировано на конкретных числовых примерах.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Санталина, Ирина Юрьевна, 2011 год

1. Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Мисюров А.И. Технологические процессы лазерной обработки: Учеб. Пособие для вузов / Под ред. А.Г. Григорьянца. — ~ М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. 664 е., ил. - 1.BN 5-7038-2701-9

2. Сапрыкин Л.Г., Кудрявцева A.JI. Лазерное оборудование для обработки материалов: компоненты, технологии, системы. Промышленный журнал для профессионалов и руководителей «Металлообработка и станкостроение», Октябрь 2008 №10. С. 38-39.

3. Лазеры в технологии / Под общ. ред. М.Ф. Стельмаха. М.: Энергия, 1975. 216 с.

4. Григорьянц А.Г., Фромм В.А. Оптимизация характеристик сфокусированного лазерного луча для сварки. // Препринт. НИЦТЛ АН СССР. 1984. №5. 56 с.

5. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1973. 719 с.

6. Качмарек Ф. Введение в физику лазеров: Пер. с польск./Под ред. М.Ф.Бухенского. Мир, 1981. 544 с.

7. Пахомов И.И., Цибуля А.Б. Расчет оптических систем лазерных приборов. М.: Радио и связь, 1986. 152 е., ил.

8. Справочник по специальным функциям с формулами, графиками и математическими таблицами / Под. ред. М. Абрамовича и Стиган: Пер. с англ. / Под ред. В.А. Диткина и Л.Н. Кармазинной. М.: Наука, 1979. 832 с.

9. Климков Ю.М. Расчет оптико-электронных приборов с лазерами. М.: Сов. радио, 1979. 260 с.

10. Маркузе Д. Оптические волноводы: Пер. с англ. / Под ред. В.В. Шевченко. М.: Мир, 1974. 574 с.

11. Чуриловский В.Н. Теория оптических приборов. M.-JL: Машиностроение, 1966. 564 с.

12. Kahn W.K. Geometrie Optical Derivation of Formula for the Variation of.the Spot Size in a Spherical Mirror Resonator. Appl. Optics, 1965, V.4, №6, p. 758-759

13. Фокс A., Ли Т. Резонансные типы колебаний в интерферометре квантового генератора. В кн.: Лазеры: Пер. с англ. / Под ред. М.Е. Жаботинского и Г.А. Шмаонова. — М.: Изд-во иностр. лит. 1963, с. 325-362

14. Цибуля А.Б. Лучевая модель расчета лазерных пучков. — В кн.: Аэротермооптика и лучеводы / Под. ред. A.B. Лыкова. Минск: ИТМО АН БССР, 1970, с. 77-89

15. Люстерник Л.А., Червоненкис O.A., Ямполъский А.Р. Математический анализ. Вычисление элементарных функций. -М.: Физматгиз, 1963. 240 с.

16. Бегунов Б.И., Заказное Н.П., Кирюшин С.И., Кузичев В.И. Теория оптических систем. -М.: Машиностроение, 1981. 348 с.

17. Цибуля А.Б., Чертов В.Г., Шерешев А.Б. Пространственная структура лазерных пучков и геометрическая оптика. Оптико-механическая промышленность, 1977, №10, с. 66-72

18. Бугров Я.С., Никольский С.М. Элементы линейной алгебры и аналитической геометрии. -М.: Наука, 1980. 176 с.

19. Слюсарев Г.Г. Методы расчета оптических систем. М.: Машиностроение, 1969. 672 с.

20. Цибуля А.Б. Геометрооптические параметры термогазового световода. — В кн.: Исследования термогидродинамических световодов. / Под ред. A.B. Лыкова. Минск: ИТМО АН БССР, 1970, с. 99-111

21. Митрофанов A.C. Основные принципы работы лазеров. Уч. пособие по курсу «Лазерная физика, техника и технология». СПб: СПбГУ ИТМО (ТУ), 1999

22. Kogelnik Н., Li Т. Laser Beams and Resonators. Applied Optics / Vol. 5. № 10 / October 1966

23. Джерард А., Берг Дж.М. Введение в матричную оптику: Пер. с англ. / Под ред. В.В. Коробкина. Мир, 1978. 340 с.

24. Кузнецов A.A., Цибуля А.Б. Расчет параметров лазерного пучка, прошедшего через фокусирующий стержень. — Квантовая электроника, 1983, т. 10, №2, с. 430-432

25. Цибуля А.Б., Чертов В.Г. Фокусировка лазера одномодового излучения. — Оптико-механическая промышленность, 1976, №5, с. 22-25

26. Цибуля А.Б., Чертов В.Г. Расчет линз, формирующих лазерное излучение Оптико-механическая промышленность, 1977, №3, с. 17-19

27. Dably F.W., Воуко B.W., Shank S.V., Whinnery LR. Short-Time Constant Thermal Self-Defocusing of Laser Beams. IEEE J., 1969, V. QE -5, №10, p. 516520

28. Филимонов В.П., Цибуля А.Б., Чертов В.Г. Расчет согласующих элементов на основе самофокусирующего волокна. Оптико-механическая промышленность, 1979, №4, с. 25-27

29. Методы компьютерной оптики. Под ред. В.А. Сойфера. М.: Физмалит, 2000. 688 с.

30. Гончарский A.B., Попов В.В., Степанов В.В. Введение в компьютерную оптику. М.: Изд-во МГУ, 1991

31. Голуб М.А., Карпеев С.В., Прохоров A.M., Сисакян И.Н., Сойфер В.А. Письма в ЖТФ. 7 (10) 618 (1981)

32. Волосов Д.С., Цивкин М.В. Теория и расчет светооптических систем. М.: Исскуство, 1960. 526 с.

33. Зверев В.А., Точилина Т.В. Основы оптотехники. Учебное пособие. Спб.: СПбГУ ИТМО, 2005. 293 с.

34. Климков Ю.М. Основы расчета оптико-электронных приборов с лазерами. М.: Сов. радио, 1978. 264 е., ил.

35. Журова С.А., Зверев В.А. Однокомпонентная оптическая система переменного увеличения. Оптический журнал. 1998. — Т. 65, №10. С. 26-32

36. Иванова Т.А., Кирилловский В.К. Проектирование и контроль оптики микроскопов. — Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1984. 231 е., ил.

37. Точилина Т.В. Разработка теоретических основ композиции и параметрического синтеза принципиальных схем оптических систем переменного увеличения. Автореферат кандидатской диссертации. СПб, СПбГУ ИТМО, 2004. С. 23

38. Журова С.А., Зверев В.А. Основы композиции принципиальных схем оптических систем переменного увеличения. Оптический журнал. — 1999. — Т. 66, №10. С. 68-86

39. Вейко В.П., Либенсон М.Н. Лазерная обработка / Под общей ред. Лауреата Ленинской премии, д.т.н., проф. С.П. Митрофанова. Лениздат, 1973

40. Условные обозначения к расчетам геометрических и волновых аберраций За основу обозначений принято следующее:

41. Оптическая ось системы совпадает с координатной осью 02 . Оси ОУ и 02 расположены в меридиональной плоскости. Саггитальная плоскость перпендикулярна меридиональной.

42. Греческие буквы в обозначениях либо заменены соответствующими русскими, либо их названия записаны русскими буквами.

43. Индексы заменены соответствующими цифрами.

44. Условные цифровые обозначения длин волн располагаются после обозначения величин, к которым они относятся и заключены в круглые скобки ((0)-А. = 1064/ш).1. Перечень обозначений:1. Для лучей осевого пучка:

45. Д6"(о) продольная сферическая аберрация. Отсчитывается от плоскости Гаусса;

46. Г'(о) — поперечная сферическая аберрация в плоскости Гаусса;

47. Для главных лучей: 7 величина предмета;

48. Z расстояние точки пересечения главного луча с оптической осью от вершины первой поверхности в пространстве предметов;

49. Z' — расстояние точки пересечения главного луча с оптической осью от вершины последней поверхности в пространстве изображений;

50. ТСС' — для главного и меридиональных лучей тангенс угла между лучом и осью. Для внемеридианных лучей тангенс угла между проекцией лучей на меридиональную плоскость ОУХ и осью;

51. К'(о) ордината точки пересечения главного луча с плоскостью Гаусса;

52. ДИС — дисторсия. ДИС = У'(о)- Г'0(0), где У'о(о) — величина параксиальногоизображения;

53. Z'Д/--Z'1S астигматизм, где 2'М — меридиональная составляющая астигматизма; — сагиттальная составляющая астигматизма.

54. Для внеосевых лучей: Н, М координаты точки пересечения лучей со входным зрачком; Ми, ЬА - направляющие косинусы в пространстве предметов; ТОО' — тангенс угла между внемеридианным лучом и его проекцией на меридиональную плоскость ГС^;