Оптические отклоняющие системы

В различных технологиях лазерной обработки возникает необходимость перемещения луча по траектории окружности. В ряде случаев для этого достаточно направить луч на вращающееся плоское зеркало, установленное под углом 45⁰ к оси луча или использовать комбинации плоских зеркал в фокусирующей системе. Для получения кольцевых зон обработки на плоскости можно применять аксиконы в виде прозрачных конусов, обращенных основанием к лучу.

Рисунок 4.41 – Схема преобразования излучения круглого сечения в излучение кольцевого сечения. 1 – аксикон, 2 – линза. 3- обрабатываемая деталь.

Полученное таким образом кольцевое излучение далее проходит через фокусирующую систему для увеличения концентрации энергии за счет уменьшения ширины кольца на обрабатываемом изделии. Обработка детали может быть выполнена за один импульс без перемещения луча или деталей. Однако это устройство имеет пониженную плотность энергии вследствие ее распределения по кольцу. Поэтому такой способ развертки луча рекомендуется для термообработки кольцевых участков, где требуемые плотности мощности несколько ниже, чем для размерной обработки и сварки.

Для обработки поверхностей цилиндрических деталей может быть использовано устройство, изображенное на рисунке 4.42. Зеркало 2 имеет внешнюю отражающую поверхность, а зеркала 6 и 3 внутреннюю. Зеркала 2 и 6 преобразуют исходное излучение сплошного или кольцевого сечений в кольцевое большего диаметра. Сфокусированное линзой 5 лазерное излучение 1 после отражения зеркалом 3 попадает на обрабатываемую деталь 4. Обработка осуществляется сразу по всей кольцевой поверхности детали. Перемещением линзы вдоль оси можно регулировать плотность энергии на поверхности детали. Перемещением линзы вдоль оси можно регулировать плотности энергии на поверхности детали. Недостаток тот же, что и в предыдущей схеме – распыление энергии по поверхности детали.

Рисунок 4.42 - Система для обработки поверхностей цилиндрических деталей

В ряде случаев для увеличения производительности процесса, на изделии необходимо создать вытянутое пятно нагрева. С помощью цилиндрической линзы лазерное излучение можно сфокусировать в линию. Вытянутое пятно может быть получено также путем установки фокусирующей линзы со смещением оптической оси, по отношению к оси лазерного излучения в направлении перемещения деталей при обработке. Рассмотренные оптические системы обеспечивают возможность плавного регулирования интенсивности излучения непосредственно в процессе обработки. Это достигается перемещением фокусирующей системы вдоль оси излучения. При этом фокус линзы удаляется или приближается к обрабатываемой поверхности, сфокусированное пятно размывается, и концентрация энергии уменьшается. Для фокусировки излучения более 1,0 кВт используется зеркальная оптика. Зеркальные фокусирующие системы могут применяться в виде одиночного зеркала или какого-либо варианта двухзеркального объектива Кассегрена. Лазерная обработка может осуществляться по схемам, показанным на рисунке 4.43.

Рисунок 4.43 - Схемы обработки с одиночным фокусирующим зеркалом. 1 – лазерное излучение, 2 – ось, 3 – фокусирующее сферическое зеркало, 4- плоское сплошное зеркало, 5 – обрабатываемая деталь, 6 – плоское кольцевое зеркало

На рис. 4.43а фокусирующее сферическое зеркало 3 установлено под углом к оси падающего излучения. В схеме используется дополнительное плоское отклоняющее зеркало 4, которое необходимо при обработке крупных деталей. Если обрабатываемые детали имеют небольшие размеры, то лазерное излучение можно направлять непосредственно на фокусирующее зеркало 3 (по траектории отраженного от плоского зеркала излучения). На схеме рис. 4.43б используется плоское кольцевое зеркало 6. Фокусирующее зеркало 3 установлено соосно с падающим излучением. Эту схему используют, когда необходимо кольцевое излучение преобразовать в сплошной коаксиальный пучок.

Большими возможностями фокусировки мощного лазерного излучения для технологических целей обладают двухзеркальные объективы. Классическая схема двухзеркального объектива, предложенного еще в XVII веке Кассегреном, представлена на рисунке 4.44.

Рисунок 4.44 - Классическая схема объектива Кассегрена.

Объектив состоит из большого вогнутого параболоидального и малого выпуклого гиперболоидального зеркал. Достоинством объектива является то, что он обеспечивает идеальное изображение бесконечно удаленной точки, то есть обладает хорошими фокусирующими свойствами и обеспечивает высокую концентрацию лазерной энергии. Однако объектив Кассегрена в представленном классическом виде при использовании в качестве фокусирующей системы лазерного излучения имеет существенные недостатки:

1. Экранирование излучения малым зеркалом в случае, когда внутренний диаметр кольцевого луча меньше диаметра малого зеркала.

2. Сложность изготовления зеркальных поверхностей второго порядка.

3. Высокая концентрация энергии на малом зеркале, которая приводит к геометрическому искажению отражающей поверхности вследствие тепловых деформаций и ухудшению формирующих характеристик.

Для лазерной обработки, с целью устранения недостатков классической схемы было предложено использовать обращенный объектив Кассегрена, состоящий из двух зеркал (Рис.4.45). Такая схема фокусировки позволяет устранить второй и третий недостатки классической схемы. В то же время возможность частичной экранировки центральной части излучения остается. Поэтому при использовании в технологических целях обращенного осевого объектива Кассегрена необходимо, чтобы лазерное излучение имело строго кольцевое сечение с внутренним диаметром, меньшим диаметра малого зеркала. Кроме того, накладывается ограничение на расстояние от лазера до места обработки, так как с удалением от резонатора кольцевого излучения быстро утрачивается.

Более приемлемой для лазерной обработки является схема фокусировки с помощью обращенного биосевого объектива Кассегрена. В этой схеме полностью отсутствует экранирование излучения, и вся энергия излучения, независимо от ее распределения достигает обрабатываемой поверхности.

Рисунок 4.45 - Схема фокусировки лазерного излучения обращенным осевым объективом Кассегрена: 1 – малое выпуклое сферическое зеркало. 2- большое выпуклое кольцевое сферическое зеркало, 3- лазерное излучение.

Рисунок 4.46 - Схема фокусировки лазерного излучения обращенным внеосевым объективом Кассегрена: 1 – малое сферическое зеркало, 2- большое вогнутое сферическое зеркало, 3 – лазерное излучение