21. Оптимизация оптической системы по фокусному расстоянию и

расчет оптимальных параметров оптической системы.

Оптимизация заключается в том, чтобы при данных аберрационных характеристиках фокусирующей системы и параметрах лазерного луча найти такое фокусное расстояние системы и ее параметры, при которых концентрация энергии была бы max. Достижение max возможной концентрации энергии при сварке не всегда оправданного. Примером может служить сварка на импульсных лазерах, когда вследствие малых длительностей импульсов достигается высокая мощность, величина которой такова, что большая ее часть затрачивается на испарение металла. При сварке СО₂ лазерами явления чрезмерного увеличения плотности энергии редко достижимо из-за быстрого роста аберраций. Поэтому при сварке есть все основания проводить оптимизацию всех фокусирующих систем.

Диаметр пятна в плоскости может быть найден как сумма двух слагаемых: 1^ое представляет собой аберрационную составляющую диаметра пятна, 2^ое представляет собой дифракционную составляющую диаметра пятна

d_п = d_а + d_

Полный размер пятна можно записать следующим образом

  Возможная запись (для кольцевых пучков)

Для нахождения оптимума продифференцируем выражение 2.13 по F

и приравняем результат к нулю. Найдем оптимальное фокусное расстояние

для кольцевого пучка

эти соотношения позволяют проанализировать влияние каждого из параметров, характеризующих оптическую систему и резонатор, на поперечные размеры фокального пятна и величину оптимального фокусного расстояния.

При работе с длиннофокусными линзами можно не обращать внимание на их форму Р = 2.45, Р = 10.2, а при короткофокусных линзах их форме необходимо предавать первостепенное значение. В литературе можно встретить номограмму для определения оптимального фокусного расстояния, если известно D_л и Q_л . Номограмму можно использовать и для оптимизации одиночного сферического зеркала.

Радиус кривизны r = 2F_опт

Формулы для определения dmin соответствующего рассчитанному F_опт

по этим выражениям можно проанализировать возможные пути увеличения концентрации энергии

22. Использование зеркальных оптических систем для фокусировки

излучения мощных лазеров.

При неизменном диаметре лазерного пучка D и его расходимости  , плотность мощности сфокусированного излучения определяется и величиной фокусного расстояния, и аберрационными параметрами фокусирующей системы. При этом определяющий плотность мощности диаметр сфокусированного пучка с достаточной для технологии точностью может быть определен суммированием составляющих размера пятна, обусловленных расходимостью пучка и аберрациями фокусирующей системы. Это подтверждается прямыми измерениями размеров фокального пятна.

Рассмотрим наиболее распространенные схемы технологических зеркальных объективов.

Зеркальные системы представляют собой комбинации либо плоского и сферического зеркал (рис. 1 а(на рис-III),б(IV),г(VI),д(VII)), либо 2-х сферических зеркал (в(V), е(VIII), ж(IX)). Системы а,б,в,е являются осевыми системами, а системы г,д,ж внеосевыми.

Важным параметром для применения зеркальных систем является расстояние t. Расстояние t измеряется от ближайшего по ходу пучка оптического элемента системы до фокальной плоскости. Этот размер определяет возможность установки в зоне сварки технологической оснастки (сопел, устройств ввода присадочного материала или порошка).

Часто оптическую систему по схеме е называют объективом Кассегрена (17 век). Классический объектив состоит из двух зеркал:

большого вогнутого параболоидального и малого выпуклого гиперболоидального зеркал и обеспечивает идеальное изображение бесконечно удаленной точки. При использовании объектива в качестве фокусирующей системы для сварки наблюдаются следующие недостатки:

1. Центральное экранирование луча малым зеркалом в случае если внутренний диаметр кольцевого луча меньше диаметра малого зеркала.

2. Сложность и дороговизна изготовления поверхностей второго порядка.

3. Высокая концентрация энергии на малом зеркале, которое может приводить к увеличению аберраций вследствие тепловой деформации отражающей поверхности, а также снижение срока службы зеркала.

Поэтому для сварки в основном используют обращенные объективы, состоящие из двух зеркал.

В обращенном объективе луч вначале попадает на выпуклое зеркало, затем концентрируется вогнутым зеркалом. Устраняются 2-й и 3-й недостатки. Экранирование остается.