EGo3HN0MRD

Поэтому только импульсные лазеры могут обеспечить условие постоянной плотности потока мощности в обрабатываемой зоне и стабильное качество лазерной обработки.

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

рующих системах Б-типа только центральная точка обрабатываемой поверхности находится в фокальной плоскости линзы (сканирующие системы с угловым отклонением пучка). Основные типы данных систем представлены на рис. 2.8.

Двухмерная система типа линзы с «плоским полем»

Рис. 2.8. Схемы сканирующих систем Б-типа

Проекционные методы. Заключаются в формировании топологии на поверхности за счет проецированиея лазерным пучком изображения трафарета или маски на обрабатываемый образец с заданным масштабом. Схема данного метода представлена на рис. 2.9. Последовательное освещение обрабатываемого образца по заданному контуру сформированным световым пучком обеспечивает высокое качество обработки за счет создания однородного распределения светового поля излучения лазера в зоне обработки (в отличие от обработки фокальным пятном малого размера, где распределение поля

21

имеет гауссовский характер). К описанным методам относятся контактная схема обработки (когда маска прилегает к образцу, такой способ также называется теневым) и активный проекционный метод (включает в себя управление лазерным пучком во время обработки и перемещение образца относительно излучателя).

Рис. 2.9. Оптическая схема проекционного метода микрообработки:

1 – лазер; 2 – расширитель пучка; 3 – маска; 4 – фокусирующий объектив; 5 – обрабатываемая поверхность

Комбинированные оптические методы. На практике большое распро-

странение получили комбинированные методы формирования изображения, когда элемент изображения строится методом оптической проекции, а поле обработки перекрывается сканированием пучка (например, перемещением стола). К таким методам относятся мультиплицирование изображения и фотонабор, применяемые в фотолитографии, и некоторые другие. В лазерных технологиях наибольшее распространение из таких методов получили скани-

рующий проекционный или контурно-проекционный.

Принцип метода фотонабора (рис. 2.10) заключается в синтезе (наборе) изображения из элементарных частей (базовых элементов) последовательным экспонированием пятна с изменяющимся размером и формой в плоскости изображения. Для изменения геометрии пятна могут быть использованы подвижные диафрагмы.

Метод мультиплицирования (размножения) (см. рис. 2.10) изображений осуществляется многократным последовательным или параллельным нанесением повторяющегося топологического рисунка. Различают оптикомеханическую и оптическую мультипликации.

Проекционно-сканирующий (контурно-проекционный) метод состоит в том, что изображение синтезируется в результате последовательного обхода по контуру световым пучком специального сечения, которое представляет собой микропроекцию простого элемента, например квадрата. Схема этого

22

метода аналогична схеме проекционного метода, но осветительная система работает с увеличением, меньшим 1.

Обход заданного контура на обрабатываемой поверхности осуществляется перемещением рабочего стола, на котором располагается изделие, по программе или с использованием оптического плоттера.

Рис. 2.10. Принципиальные схемы метода фотонабора (слева) и метода мультипликации (справа)

Достоинствами контурно-проекционного метода формирования оптического изображения являются независимость размеров общего поля изображения от разрешающей способности; высокая точность рисунка; высокая разрешающая способность; небольшие потери энергии на маске.

2.4. Описание лабораторной установки

Излучение гелий-неонового лазера ЛГН-105 (длина волны λ = 632,8 нм) направляется на входное окно акустооптического дефлектора на базе кристалла парателлурита (TeO2), подключенного к генератору высокочастотных сигналов Г4-143 с перестраиваемой частотой. С помощью последнего в АОД создается дифракционная решетка. Часть излучения проходит через дефлектор, часть отклоняется вследствие дифракции Брэгга. Прошедшие пучки попадают на экран.

Дефлектор представляет собой металлический корпус размерами 60х20х20 мм, в котором размещен акустооптический элемент. К нему прикреплен пьезообразователь из ниобата лития LiNbO3. На корпусе АОД имеется разъем для подключения ВЧ-сигнала управляющего генератора. Внешний вид используемого в лабораторной работе АОД показан на рис. 2.11.

23

Л1, Л2 - телескоп Л3, Л4 - цилиндрические линзы

Рис.2.11. Блок-схема акусто-оптического дефлектора

Основные характеристики АОД:

область прозрачности 0,35...5,0 мкм;

скорость звуковой волны 5,5 км/с;

показатель преломления n = 2,26 при λ = 0,63 мкм.

Быстродействие АОД ограничено временем прохождения звуковой волны через сечение светового пучка t = d / v, где d – поперечный размер лазерного пучка, v – скорость звука в материале ячейки.

2.5. Порядок выполнения работы

Перед началом выполнения работы необходимо ознакомиться с общими положениями и внимательно изучить описание лабораторной установки.

1.Под наблюдением преподавателя включите в сеть лазер, убедитесь в появлении генерации (по наличию пятна красного цвета на листе бумаги, помещенном за выходным окном лазерного излучателя).

2.Установите акустооптический дефлектор на юстировочный столик и добейтесь попадания лазерного излучения во входное окно АОД таким образом, чтобы луч лазера проходил через центр акустооптического элемента. Убедитесь в прохождении лазерного пучка через дефлектор (по наличию пятна излучения на экране, установленном за АОД). Прикрепите к экрану лист миллиметровой бумаги и отметьте положение центра пятна лазерного излучения.

3.С разрешения преподавателя включите в сеть генератор высокочастотных сигналов.

24

4.Подайте на АОД управляющий ВЧ-сигнал на частоте 80 МГц (это рабочая частота АОД на длине волны света 632,8 нм). Убедитесь в появлении отклоненного дифракцией пучка. При помощи регулировочных винтов юстировочного столика добейтесь максимальной интенсивности дифрагированного пучка (контроль интенсивности осуществляется при помощи фотоприемника). Измерьте расстояние между пятном прошедшего и пятном отклоненного дефлектором излучений на экране, а также расстояние между выходным окном АОД и экраном. Рассчитайте угол Брэгга.

5.Измерьте амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) дефлектора. Для этого, изменяя частоту генератора ВЧ-сигналов в пределах ± 20 МГц относительно рабочей частоты 80 МГц, измерьте интенсивность дифрагированного пучка с помощью фотоприемника при разных значениях частоты.

6.Изменяя частоту управляющего сигнала в пределах 60...100 МГц с шагом 5 МГц, измерьте расстояние между прошедшим и дифрагированным пучками излучения на экране. Рассчитайте соответствующие углы Брэгга, постройте зависимость углов Брэгга от частоты сигнала и сравните ее с теоретической зависимостью (из выражения (2.1)).

7.Найдите длину акустической волны Λ, зная скорость звука в кристалле TeO2 и значение рабочей частоты ВЧ-сигнала. Определите длину звуковой волны из выражения (2.1). Сравните полученные значения Λ.

2.6.Контрольные вопросы

1.Каковы основные принципы сканирования света?

2.Каковы устройство и принцип работы акустооптического дефлектора?

3.Какие виды систем сканирования лазерного луча в технологических лазерных установках вы знаете?

4.Что такое АЧХ акустооптического дефлектора, и как она измеряется в данной лабораторной работе?

5.Что такое длина акустической волны, и как она измеряется в данной лабораторной работе?

25

2.7.Содержание отчета

1.Краткие теоретические сведения об акустооптических дефлекторах.

2.Структурная схема и краткое описание экспериментальной установки.

3.Результаты измерения АЧХ АОД.

4.Результаты измерения и расчета углов Брэгга.

5.Результаты измерения и расчета длины акустической волны Λ.

6.Анализ полученных результатов и выводы по проделанной лабораторной работе.

26

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Айхлер Ю., Айхлер Г.-И. Лазеры. Исполнение, управление, применение. М.: Техносфера, 2008 г.

Балакший В. И., Парыгин В. Н., Чирков Л. Е. Физические основы акустооптики. М.: Радио и связь, 1985.

Вейко В. П., Петров А. А. Опорный конспект лекций по курсу «Лазерные технологии». Раздел: Введение в лазерные технологии. СПб: СПбГУ ИТМО, 2009.

Голубев В. С., Лебедев Ф. В. Физические основы технологических лазеров. М.: Высш. шк., 1987.

Григорьянц А. Г., Жиганов И. И., Мискоров А. И. Технологические процессы лазерной обработки. М.: Изд-во МГТУ им. И. Э. Баумана, 2006.

Звелто О. Принципы лазеров. М.: Мир, 1990.

Лазерная техника и технология: в 7 кн. / под ред. А. Г. Григорьянца. М.: Высш. шк., 1987. Лазерные технологии обработки материалов: современные проблемы фундаментальных исследований и прикладных разработок / Под ред. В. Я. Панченко. М.: Физматлит, 2009. Mустель E. Р., Парыгин В. H. Методы модуляции и сканирования света, M.: Наука, 1970. Парфенов В. А. Лазерная микрообработка материалов. СПб: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2011. Парфенов В. А. Технологические применения лазеров. СПб: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2007.

27

СОДЕРЖАНИЕ

Введение……………………………………………………………………… 3

1.Лазерная маркировка тонкопленочных покрытий с помощью азотного лазера…………………………………………………………………………… 4

2.Исследование системы сканирования лазерного пучка на базе акустооптического дефлектора ……………………………………………………… 13

Список литературы……………………………………….…………………… 27

Редактор И. Б. Синишева

__________________________________________________________

Подписано в печать 17.08.15. Формат 60х84 1/16.

Бумага офсетная. Печать цифровая. Печ. л. 2,75.

Гарнитура «Times New Roman». Тираж 55 экз. Заказ 103.

________________________________________________________

Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

197376, С.-Петербург, ул. Проф. Попова, 5

28