12. Фокусирование лазерных пучков сферическим зеркалом, определение параметров фокусирования.
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. Расстояние между фокусами тем больше чем больше угол α. 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. Такое распределение целесообразно для обработки деталей клиновидной формы. При наплавке исключается трещинообразование за счет планового подогрева излучение меньшей интенсивности полученных наплавленных слоев.
13. Системы фокусирования со сферическими зеркалами (тороидальными, фокусаторами, интегральными, специальными и др.)
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. Расстояние между фокусами тем больше чем больше угол α. При этом меняется не только положение фокусов, но и распределение интенсивности. Допустимым для технологии обработки угол α < 7.
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.
Кроме названных систем в технологии поверхностной обработки используют специальные фокусирующие системы, формирующие пятно фокусирования специальной формы и размеров.
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 45о 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. Обычно такие поверхности обрабатывают при вращательном движении детали и поступательном движении плоского зеркала. Обработка тороидальными зеркалами исключает образование зон отпуска, поскольку кольцевое пятно фокусирования непрерывно перемещается вдоль оси детали на всю длину обработки.
Наряду с однозеркальными фокусирующими системами получили распространение двухзеркальные и более системы. Представителями являются: центральный и внеосевой Коссегрен.
Данная система фокусирования позволяет сфокусировать излучение в прямолинейный отрезок с приблизительно равномерным распределением интенсивности. Она может быть применена для упрочнения, наплавки, микролегирования, для повышения качества поверхности оптических элементов без использования сканирующих систем.