9. Способы управления формой, размерами и распределением интенсивности сфокусированных лазерных пучков, методы их измерения.

Как видно из приведенных схем возможности изменения формы и распределения мощности в выходных пучках весьма ограничены. Наиболее распространенной является форма пучка в виде круга или кольца. Распределение интенсивности – Гаусово или многомодовое, многомодовое близко к прямоугольному. Для того чтобы получить требуемую форму пучка на поверхности обработки, а тем более получить различное распределение необходимо применять различные оптические системы.

Способы управления размерами, формой и распределением интенсивности пучков на облучаемой поверхности.

В настоящее время для этих целей применяют линзовые и зеркальные фокусные системы.

Линзовые системы. В качестве оптических элементов применяют сферические, цилиндрические фокусирующие линзы, изготовленные из различных материалов. Поскольку эти элементы работают на преломлении ЛИ, то их материал соответственно определяется длиной волны ЛИ.

Для излучения с λ < 5 мкм: кварц, оптическое стекло Л8 и др.

с λ > 5…10,6 мкм: NaCl, KCl; ZnSe; GaAs; Ge.

Форма линз существенно влияет на качество фокусирования.

Материал линзы	n	Форма	K1
KCl	1,46	плоско-выпуклая	23,3 · 10-2
ZnSe	2,40	мениск	3,12 · 10-2
GaAs	3,27	мениск	1,39 · 10-2

Сферические аберрации можно существенно снизить, применяя линзы оптимальной формы как в таблице. Кроме этого диаметр линзы должен быть в 1,5 – 2 раза больше диаметра падающего луча. Сферическая линза в фокусирующей системе должна быть установлена выпуклой поверхностью на встречу лазерному пучку.

Для уменьшения хроматической аберрации необходимо применять специальные просветляющие покрытия. Для линз из GaAs и ZnSe специальные покрытия, снижающие отражение падающего излучения.

Цилиндрические линзы позволяют собирать ЛИ в линию, система скрещенных цилиндрических линз в совокупности со сферической линзой позволяем собирать в пятно прямоугольного, квадратного сечений.

Аксиконы – два конуса установленных вершинами друг к другу позволяют трансформировать падающий пучок круглого сплошного сечения в пучок кольцевого сечения.

Зеркальные фокусирующие системы

Наибольшее распространение для фокусирования лазерных пучков получили однозеркальные и многозеркальные фокусирующие системы.

В качестве фокусирующих зеркал применяют:

1. сферические зеркала; 2. параболические зеркала; 3. эллиптические зеркала; 4. тороидальные зеркала; 5. цилиндрические зеркала;

а также специальные фокусирующие элементы:

6. интегральные зеркала; 7.фокусаторы.

Наиболее простыми являются фокусирующие системы на сферических зеркалах. Основной недостаток сферы – это то, что фокус пучка параллельного радиусу сферы расположен на самом радиусе сферы. Поэтому для вывода точки фокуса необходимо лазерный пучок направлять на сферу под некоторым углом α. При этом на оси сфокусированного пучка образуются два фокуса смещенных относительно друг друга вдоль оси. При этом меняется не только положение фокусов, но и распределение интенсивности. Допустимым для технологии обработки является угол α < 7.

Искажения, которые являются характерными для фокусирующих сферических зеркал можно эффективно использовать для управления распределением интенсивности в пятне фокусирования, т.е. очень просто получить пятно фокусирования с неравномерным распределением интенсивности.

Наиболее эффективны параболические зеркала. Благодаря тому, что фокусы пучков параллельные к оси параболы всегда располагаются на ее оси. Искажения пятна фокусирования практически отсутствуют, т.е. такая фокусирующая система трансформирует лазерный пучок без искажений подобно линзе. Высокая стоимость таких зеркал продиктована несовершенством технологии изготовления. Параболические зеркала позволяют конструировать высокоэффективные многокоординатные (5-ти координатные) фокусирующие головки.

Интегрирующие зеркала позволяют получить пятно фокусирования практически любой формы и размеров, направлено изменять распределение интенсивности в нем. Основной недостаток – чрезвычайно сложная конструкция, большие потери, высокая стоимость.

Более эффективными являются фокусаторы. Фокусатор представляет собой плоское зеркало установленное под углом 45^о к падающему пучку. Поверхность плоского зеркала представляет собой систему изолиний, т.е. линий в виде микронеровностей обеспечивающих определенный угол отражения. Такие фокусаторы эффективны для массового производства, поскольку один фокусатор – один знак.

При обработке деталей типа тел вращения можно применять тороидальные зеркала, фокусирующие ЛИ в кольцо. Обработка тороидальными зеркалами исключает образование зон отпуска поскольку кольцевое пятно фокусирования непрерывно перемещается вдоль оси детали на всю длину обработки. Недостаток – требуется большая мощность.

Наряду с однозеркальными фокусирующими системами получили распространение двухзеркальные и более системы. Представителями являются: центральный и внеосевой Коссегрен.