4. Результаты расчётов для некоторых

твердотельных технологических лазеров.

Расчёты проводились с использованием данной методики для исследованных твердотельных лазеров. В результате расчета получаем оптимальные фокусные расстояния и диаметры пятен (см. табл.3.1). В последнем столбце указана ожидаемая плотность мощности (q).

Из приведенной таблицы видно, что оптимальные фокусные расстояния и плотность мощности малы. Как известно величину фокусного расстояния (рабочего отрезка) оптического тракта не рекомендуется выбирать меньше 50 мм. Поэтому применение однолинзовых оптических систем для данного типа лазеров представляет значительные трудности.

Таблица 2. Возможности фокусировки твердотельных лазеров

при номинальной выходной мощности.

лазер	P(Вт)	(mрад)	D(mm)	Fопт.(мм)	d(mm)	q(Вт/см2)
ЛТН - 102	125	8	5	13.48	0.16	608263
ЛТН - 103	250	18	6	11.81	0.32	313405
Фотон	170	25	7	12.35	0.46	101041

5. Пример расчёта фокусирующей системы.

Пусть требуется подобрать и рассчитать систему фокусировки излучения технологического лазера ТЛ-1,5 для осуществления процесса лазерной сварки. Причём длина оптического тракта составляет 3 м.

В качестве системы фокусировки выбирают проходную оптику, а именно фокусирующий однолинзовый объектив, что позволяет использовать такие достоинства, как:

• технологическая простота конструкции, сборки и юстировки;

• хорошая аберрационная коррекция;

• эксплуатационная надёжность при умеренной плотности мощности и общей мощности;

• возможность аксиальной подачи защитного газа.

В качестве материала линзы по вышеприведённым рекомендациям выбирают KCl.

Расчёт минимального диаметра пятна для линзы ведут по известной методике:

• Характеристики материала KCl на =10,6 мкм : n=1,455

• Величина Р* достигает своего минимума (Р* _min) при :

с=с_min =(2n²-n-4)/(2n²+n)

• В этом случае  определяют по формуле

1

 = 

n(1-c)

В нашем случае   0,5658

• Вычисляем аберрационный параметр системы:

1

Р* =  [(2+1)²-(2+)+1]

(1-)²

где =1/n

n—показатель преломления линзы,

В нашем примере  = 0,6873

Р* _min = 2,451

• Оптимальное фокусное расстояние, мм

F_опт0,4*D(P* _min /0,868)^(1/3)

В нашем примере F_опт=111,8 мм

• При округлении в большую сторону и в соответствии с ГОСТом принимаем F_опт=120 мм.

• Полный размер пятна в фокусе d_п, мм

P^*_{min *} D³

d_п =  + _0,868 * F_опт. (2)

32*F²_опт.

где D — диаметр входного луча для линзы, мм:

D=A + L * 0,868

Где А — апертура выходного луча из лазера,

А=19 мм для лазера ТЛ-1,5;

L=3000 мм, L—длина оптического тракта,;

0,868=1,4 мрад, 0,868—расходимость излучения по уровню мощности 86,8%, для излучения данного лазера.

D=23,2 мм

После подстановки

dп=0,234 мм

• Далее производят расчёт размеров фокусирующей линзы из KCl.

- Радиус кривизны первой оптической поверхности r1, мм:

F_опт *(n-1)

r₁= 

 * n

после подстановки r₁ = 66,3 мм; принимают r₁ = 67 мм.

- Радиус кривизны второй оптической поверхности r2, мм:

r₁

r₂= 

(2n²-n-4)/(2n²+n)

после подстановки r2=-309,15 мм; принимаем r2=-310 мм.

Полученные значения радиусов кривизны свидетельствуют о том, что линза является двояковыпуклой положительной (собирающей), причём она располагается более выпуклой поверхностью к лучу.

• Толщина линзы d, мм определяется по формуле

n*r₁*r₂[1/F_опт-(n-1)(1/r1-1/r2)]

d= 

(n-1)*(n-1)

после подстановки d=10,9 мм; принимают d=11 мм.

Если значение толщины линзы больше чем значение радиуса кривизны r₁ или r₂ , то ее толщина выбирается с позиций эргономики (т.е. чтобы было красиво).

• Поперечный размер (Наружный диаметр) линзы с учётом

диаметра падающего на неё пучка D=23,2 мм принимают равным Dл=40 мм. Данный размер можно выбрать исходя из эргономических позиций или конструктивных соображений, но не менее 1,2*D.( Dл= 1,2 * D )