EGo3HN0MRD

Источником лазерного излучения выступает азотный лазер ИЛГИ-503 с длиной волны излучения 337 нм и длительностью импульса 10 нс. За счет очень короткой длительности импульса обеспечивается очень высокая пиковая мощность, что и позволяет использовать его в технологических целях. В схеме на рис. 1.6 образец располагается на подвижке, перемещающейся по трем ортогональным координатам, а также вращается относительно главной оптической оси. Это позволяет помимо установки образца в фокусе излучения перемещать его при обработке по двум осям, получая вертикальные и горизонтальные резы с возможностью нанесения сложных рисунков благодаря вращению образца вокруг оси.

1.5.Программа работы

1.Включение установки и подготовка ее к работе.

2.Измерение энергии лазерного пучка на всех возможных режимах работы.

3.Нанесение лазерной маркировки на образец с помощью данной установки.

1.6.Порядок выполнения работы

1.С разрешения преподавателя включите источник питания лазера при помощи тумблера «Сеть». Подождите 15 минут, пока установка прогреется.

Внимание! К блоку питания лазера подведено высокое напряжение, опасное для жизни. Перед включением лазера убедитесь в том, что все разъемы электрических соединений лазерного излучателя и блока надежно соединены между собой, а корпус установки заземлен.

2.Запустите режим генерации тумблером «Uвыс», убедитесь в появле-

нии генерации лазера (по наличию светового пятна сине-голубого цвета на листе белой бумаги, помещенном за выходным зеркалом лазерного излучателя).

3.Включите измеритель мощности нажатием кнопки «Сеть»

4.Убедитесь в том, что луч лазера попадает на светочувствительную площадку измерителя мощности и энергии. Это можно проверить по пятну лазерного излучения, которое перед началом измерений должно находиться точно в центре крышки, закрывающей входное отверстие приемного блока измерителя мощности.

11

5. Измерьте и запишите значения энергии и мощности пучка лазерного излучения на всех режимах работы лазерного излучателя, переключая режимы тумблером «Uвых», находящемся на блоке питания лазера. Зная длину импульса, пересчитайте значения энергии в мощность и сравните с измеренными значениями мощности.

6.Установите на оптический рельс подвижку с закрепленным на ней образцом (плоскость поверхности образца должна быть перпендикулярна главной оптической оси). Передвигая образец вдоль главной оптической оси, добейтесь фокусировки излучения на образце. Передвигая образец по горизонтали и вертикали, а также помещая образец в фокус и убирая образец из фокуса, нанесите на образец маркировку, заданную преподавателем.

7.Под микроскопом измерьте ширину полученного реза.

8.Проделайте пп. 6 и 7 для всех режимов работы лазерного излучателя. Проследите, что происходит с шириной реза.

9.Выключите измеритель мощность нажатием на кнопку «Сеть», а лазерный излучатель – сначала тумблером «Uвыс», затем – тумблером «Сеть».

1.7.Контрольные вопросы

1.Расскажите о принципе работы азотного лазера.

2.В чем принципиальное отличие схемы азотного лазера от схем других типов лазеров?

3.На чем основана лазерная маркировка?

4.Почему несмотря на малую мощность азотный лазер можно применять в технологических целях?

5.Азотный лазер работает в невидимом для человеческого глаза диапазоне. Как можно определить, вошел лазер в режим генерации или нет?

1.8.Содержание отчета

1. Структурные схемы и краткое описание экспериментальной установ-

ки.

2.Основные расчетные выражения.

3.Результаты измерений энергии и мощности лазерного излучения, результаты расчетов.

4.Изображения резов, полученные под микроскопом (либо рисунки с указанием размеров).

5.Выводы по лабораторной работе, анализ полученных результатов.

12

Лабораторная работа 2

ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ СКАНИРОВАНИЯ ЛАЗЕРНОГО ПУЧКА НА БАЗЕ АКУСТООПТИЧЕСКОГО ДЕФЛЕКТОРА

Цель работы: изучение физических принципов работы акустооптического дефлектора и исследование его выходных характеристик.

2.1.Общие сведения о сканировании света

исистемах сканирования лазерного излучения

Основными характеристиками сканирующих систем являются пределы отклонения, скорость работы, потребляемая электрическая мощность, диапазон световых волн и дисперсия.

Отклонение света в средах с изменяющимся во времени показателем преломления. Простейшая система для сканирования светового луча использует призму из электрооптического вещества, помещенную в электрическое поле. При изменении показателя преломления призмы меняется направление преломленного луча.

Если луч света падает на призму (рис. 2.1) под углом φ, то угол θ, под которым луч выходит из призмы, зависит от показателя преломления призмы n. Варьирование показателя преломления n приводит к изменению угла θ на величину Δθ = nsinα / (cosθ·cosψ), где α – угол при вершине призмы, ψ – угол преломления луча на входной поверхности.

Для уменьшения потерь света за счет отражения на входной поверхности дефлектора используется нормальное падение света на отклоняющую призму.

Рис.2.1. Ход лучей в отклоняющей призме

13

Системы с многолучевым интерферометром с изменяющимся во времени показателем преломления (рис. 2.2). Направление распростране-

ния света в этих системах в дальней зоне определяется относительной разностью фаз между соседними лучами и может меняться с изменением оптической длины пути nl.

Рис. 2.2. Отклоняющая система с многолучевым интерферометром

Такая система действует подобно сфазированной антенной решетке. Изменение оптической длины на величину Δ(nl) приводит к изменению направления волнового фронта на угол Δθ = 2 Δ(nl)/s, где s – расстояние между соседними лучами. Максимальный угол сканирования достигается при Δ(nl) = λ/2 и равен λ/s. Разрешающая способность этой системы равна d/s, т. е. числу лучей в сфазированной решетке.

Сканирование света в веществах с градиентом показателя прелом-

ления. В средах с переменным показателем преломления луч света искривляется пропорционально градиенту показателя преломления. На этом эффекте основаны сканирующие системы, в которых с помощью электрических полей или упругих напряжений создается переменный во времени градиент n.

Если луч света распространяется в среде в направлении, перпендикулярном градиенту показателя преломления, то он отклоняется в сторону возрастания показателя преломления на угол θ = l grad n, где l – путь луча в среде.

14

Градиент показателя преломления может быть создан в электрооптическом кристалле, находящемся в неоднородном электрическом поле.

Значительный градиент показателя преломления можно получить за счет фотоупругости. В стоячей акустической волне показатель преломления изменяется по синусоидальному закону. При пропускании света через узлы стоячей волны (см. рис. 2.3) угол отклонения

Увеличение угла отклонения возможно с помощью многократных прохождений светом акустической ячейки.

2.2. Общие сведения об акустооптических устройствах

Акустооптические устройства позволяют управлять интенсивностью лазерного излучения, положением оптического луча в пространстве, поляризацией и фазой оптической волны, а также спектральным составом и пространственной структурой оптических пучков. Основу таких устройств составляет акустооптическая ячейка (АОЯ), состоящая из рабочего тела (твердотельного образца или кюветы с жидкостью), в объеме которого происходит взаимодействие света с ультразвуковой волной, и электроакустического преобразователя (чаще всего пьезоэлектрического), с помощью которого возбуждается акустическая волна.

Под действием механических деформаций, переносимых звуковой волной, возникает пространственная модуляция показателя преломления оптически прозрачной среды, обусловленная фотоупругим эффектом. Оптические свойства среды меняются во времени с частотой звуковой волны, т. е. значительно медленнее и по сравнению с периодом электромагнитных колебаний в световой волне, и по сравнению со временем прохождения светового луча через звуковой пучок. Образуется структура, аналогичная дифракционной решетке. Если период этой структуры меньше ширины светового пучка, то на ней происходит дифракция света.

15

На перераспределении световой энергии между проходящим и дифрагированным на акустической волне светом основан принцип действия акустооптического модулятора (АОМ). Световой пучок, дифрагируя на решетке, образует несколько выходных пучков — максимумов интенсивности излучения различных порядков, разнесенных в пространстве по направлению.

АОМ позволяет управлять интенсивностью, фазой и частотой оптического излучения.

Частота дифрагированных лучей вследствие эффекта Доплера изменяется по формуле ν → ν + mF, где F – частота акустической волны, m – целое число. Данное смещение частоты обусловливается законом сохранения энергии и импульса (фотонов и фононов). Фаза дифрагированных лучей также смещается на величину фазы звуковой волны.

Вкачестве материалов для акустооптических модуляторов света используют оптическое стекло (тяжелый флинт ТФ7), кристаллы PbMoO4 и TeO2, а

вИК-диапазоне – Ge и GaAs. Эффективность дифракции света в этих материалах достигает 20...80% при акустической мощности 1...5 Вт на частотах 40...250 МГц. К достоинствам акустооптических устройств управления характеристиками света относятся относительно высокое быстродействие, низкое энергопотребление, простота управления, надежность, компактность и др.

Частным случаем АОМ являются акустооптические дефлекторы (АОД)

и сканеры – устройства для управления направлением светового луча в пространстве. Эти устройства осуществляют отклонение светового луча в пространстве в любом заданном фиксированном направлении либо непрерывную развертку светового луча (сканирование) на основе явлений акустооптической дифракции или рефракции. Сканирование лазерным лучом широко применяется в задачах лазерных технологий, например при маркировке и гравировке поверхностей, а также при выполнении операции скрайбирования.

Врефракционном АОД отклонение светового луча осуществляется вследствие искривления его пути при прохождении через среду с неоднородной деформацией, которая возникает под воздействием бегущей акустической волны. В дифракционном АОД угол отклонения дифрагированного луча меняется с изменением частоты акустической волны. Световой пучок, дифрагируя на решетке, образует несколько выходных пучков (дифракционных по-

16

рядков), разнесенных в пространстве под равными углами относительно друг друга.

Дифракцию Брэгга можно наблюдать, если угол падения излучения на среду равен углу Брэгга:

Здесь φ – угол падения, λ – длина волны излучения, Λ – длина акустической волны (Λ = v / F, где v – скорость звука, а F – частота звука).

Направление максимума минус первого порядка при угле падения Брэг-

Направление первого максимума определяется выражением (2.3). При дифракции света под углом Брэгга первый и минус первый максимумы имеют одинаковую интенсивность при πlλ/Λ2<<1 и асимметричны при условии πlλ/Λ2>>1, где l – длина взаимодействия излучения и звука.

При выполнении последнего неравенства наблюдается дифракция Брэгга, при которой интенсивности всех дифракционных максимумов, кроме минус первого, становятся пренебрежимо малыми. Ход лучей при дифракции Брэгга изображен на рис. 2.4.

Угол между направлением на минус первый порядок и осью падающего пучка излучения составит 2θ = 2φ.

Таким образом, выходное излучение АОД состоит из света, продифрагировавшего на возбуждаемых в звукопроводе акустических волнах, и непродифрагировавшей части падающего излучения, прошедшей через АОЯ без изменения направления. При этом отклоненный луч представляет собой излучение, дифрагированное в минус первый порядок. Так как при этом интенсив-

ности всех дифракционных максимумов, кроме минус первого, становятся пренебрежимо малыми, данный случай представляет особый практический интерес.

17

2.3. Общие сведения о системах сканирования в технологических лазерных установках

Системы сканирования в лазерных установках должны обеспечивать:

формирование зоны обработки заданной формы;

формирование изображения зоны воздействия с минимальной неровностью края;

плотность мощности излучения, достаточную для выполнения заданного типа поверхностной обработки;

максимальное использование энергии лазерного излучения с учетом потерь;

перекрытие всей поверхности зоны обработки сканирующей системой

сприемлемыми точностью и производительностью.

Основные пространственно-геометрические модели лазерных источни-

ков:

1)гауссовская модель лазерного источника. Характерна для одномодового режима излучателя. Поперечная структура поля в такой модели описывается функцией Гаусса;

2)телецентрическая модель лазерного источника. Применяется для описания многомодового режима работы лазерного излучателя. В данной модели все точки выходного сечения лазерного пучка являются источниками конических пучков, оси которых параллельны оптической оси, а углы конусов при вершинах равны полному углу расходимости лазерного пучка (рис. 2.5).

Рис.2.5. Телецентрическая модель лазерного излучения

18

Достоинства фокусирующей техники. Фокусирующая техника харак-

теризуется простотой, полным использованием лазерной энергии и оптическим разрешением (размером светового пятна), определяемым расходимостью пучка и фокусным расстоянием линзы.

Уменьшение размера пятна может быть достигнуто размещением перед объективом телескопического расширителя пучка с увеличением Г (снижение расхождения в Г раз). При этом можно либо уменьшать d0, либо увеличивать фокусное расстояние объектива f без изменения d0 (d0 = αл f / Г, рис.

2.6).

Рис. 2.6. Схема уменьшения размера фокального пятна с помощью телескопической системы

Основные недостатки фокусирующей техники:

неоднородное распределение интенсивности в фокальном пятне;

неопределенность размера зоны воздействия, который зависит от порога чувствительности материала;

сложность обеспечения достаточной точности краев зоны воздействия при сканировании.

Сканирующие системы А-типа для лазерной обработки. В скани-

рующих системах А-типа поверхность обработки расположена в фокальной плоскости линзы (сканирование с прямоугольной разверткой) (рис.2.7.).

19

Шестикоординатная (X, Y, Z, φ, ψ, χ) робототизированная микрообработка

Двухмерная развертка (офсетная печать)

Рис. 2.7. Схемы сканирующих систем А-типа

Наиболее широко в промышленности используется двухмерное сканирование (рис.2.7, а), однако наблюдается увеличение трехмерной обработки (рис. 2.7, б). Шестикоординатная микрообработка и двухмерная развертка используются в основнм для специфических задач: когда неободимо обрабатывать детали сложной формы (рис. 2.7, в) или когда обрабатываемая деталь имеет явно выраженную продольную симметрию (рис. 2.7, г). Для стабильных условий обработки необходимо обеспечение постоянного отношения мощности лазера к скорости сканирования пучка. В некоторых случаях невозможно поддерживать одинаковую скорость на прямых линиях и на крутых поворотах. Если скорость сканирования не является постоянной, то ни при каком контроле мощности непрерывного лазера невозможно удовлетворить условию P/Vск (t) = const.

20