Функциональность лазерных головок. Оптическая функция

Главная функциональность - оптическая, или функция преобразования оптического потока, выходящего из транспортного оптического волокна лазера. Световое излучение выходит из среза в виде конуса с полным углом 0.2 .0.4 радиана (в зависимости от модового типа волокна) и в этом виде непригодно для термических операций. Хотя есть и исключения - можно выполнять сварку тонких металлов просто излучением, выходящим из кварцевого волокна - за счет очень высокой стойкости кварца срез разрушается довольно медленно. Это единственный известный способ использования волоконного лазера без лазерной головки - но все равно необходимо подавать защитный газ и выполнять модуляцию мощности излучения.

Оптическая функция (см. Рисунок 3) состоит в формировании области высокой концентрации лучевой энергии в зоне обработки. Часть технологических процессов с использованием мощных лазеров (сварка и резка) с точки зрения физики процесса - существенно трехмерны и, таким образом, важен не только диаметр пятна фокусировки df, но и характерная длина перетяжки пучка gf . Эти величины можно оценивать, исходя из указанного в паспорте волоконного лазера параметра качества излучения BPP (Beam Production Parameter) и угла фокусировки выходного пучка a, который можно оценивать как отношение фокусного расстояния выходной линзы F и апертуры пучка D до этой линзы a = D/F (эти параметры указываются в спецификации лазерной головки):

Рисунок 3 Оптическое преобразование светового потока лазерной головкой [7]

Следует учитывать, что распределение интенсивности потока в лазерном пучке неоднородно и приведенные оценки дают характерные размеры высокоэнергетической зоны пучка, причем для «хорошо» спроектированной системы с минимальной сферической аберрацией. Для многих технологических применений неоднородность пучка весьма вредна, так, для термической закалки она приводит к тому, что в центре металл доводится до плавления, а на периферии глубина закалки недостаточна. Поэтому в состав оптических функций нужно дополнительно включать выравнивание интенсивности - либо статическим методом (Рисунок. 4), скажем за счет использования асферической оптики, или динамическим, за счет быстрого сканирования (развертки) лазерного пучка по поверхности по оптимальному закону. Сканирование также необходимо в ряде случаев для сварки больших толщин, оно обеспечивает расширение парогазового канала, улучшение дегазации и исключение пор и других дефектов сварного шва.

Рисунок 4 Методы выравнивания распределения светового потока - статический (слева) и динамический (справа) [7]

полимерный композиционный лазерный оптический

Кроме всей этой функциональности важно, чтобы оптическая система передавала лучевую мощность с малыми потерями и не ухудшала качество лазерного пучка. В настоящее время есть фактически только один оптический материал, пригодный для изготовления линз для волоконных лазеров мощностью 500…20000 Вт - кварцевое стекло разных марок с качественным просветляющим покрытием. Характерные потери на одной линзе для таких элементов составляют 0.3…0.5%, а общие потери мощности в лазерной головке не превосходят 1.5…3%. Передаваемая мощность ограничивается как лучевой стойкостью оптических элементов, так и формированием термических линз из-за изменения показателя преломления кварцевого стекла при нагреве в зоне прохождения лазерного пучка. Для кварца эффект всегда положительный, то есть в первом приближении тепловые линзы эквивалентны появлению положительных линз в системе, так что проявляется этот эффект на практике в смещении точки фокуса в сторону к лазерной головке. Моделирование показывает, что характерное время формирования тепловой линзы составляет 2…20 с, так что эффект возникает практически сразу, а не «при длительной работе», как часто ошибочно считается.

Лучевая стойкость высококачественных линз весьма велика и превышает значение 5 кВт/см2, а вот термические линзы могут возникать при существенно меньшей плотности мощности и именно они могут ограничивать предельную рабочую мощность системы. Если воспользоваться практическим опытом лидера в производстве лазерных головок Precitec, то можно, исходя из доступной технической документации, построить график необходимой апертуры системы от мощности передаваемого потока (Рисунок 5) и определить, что практическое значение рабочей плотности мощности, усредненное по апертуре составляет около 0.6…0.7 кВт/см2. Весь набор оптической функциональности сведен в таблицу 1.

Рисунок 5 Зависимость апертуры пучка внутри системы от предельной передаваемой мощности [7]

Другие стьтьи в тему

Разработка микропроцессорной системы управления РТК на базе вертикально–фрезерного станка 6Р13Ф3-37
Автоматизация технологических процессов является одним из эффективных путей повышения производительности труда на предприятии. Автоматизация осуществляется посредством автоматизированных роботизированных технологических комплексов (РТК). Роботизированный технологический компле ...

Расчет цифровой системы импульсно–фазового управления
Электрическая энергия вырабатывается на электрических станциях и передаётся потребителю главным образом в виде переменного трёхфазного тока промышленной частоты 50 Гц, однако как в промышленности, так и на транспорте имеются установки, для питания которых переменный ток с частотой 50 ...