无衍射光束在激光加工中的应用

无衍射光束在激光加工中的应用 华东船舶1业学院 nst1rule ?』l14N()5 (c2000 文章编号:1006—1084~c206*0j05005404 T 无衍射光束在激光加工中的应用 f 毪鐾豆,是垫,,\/姚寿广 f华东船舶lL业学院电于与信息系.工苏镇江2120~3) 摘要:分析了球面透镜组成的聚焦系统加l_微槽馗存在的脚题与困难.提出,用旋转棱镜作为激光 加工的光学系统,该系统能产牛无衍射光束,可使工件对位置误差的敏感度为零. 关黼警些;.,.豫锼辛说 中图分类号:,文献标tl…al1.TN249A 0引言 电子设备及器件的高热流密度的散热冷却一直是广大的科研工作者研究的方向之一,为提高冷却 强度,需在冷板上开设20‖m宽的微槽道,利用微槽道中高流冷却液的强化换热来达到大幅度提高散 热的目的.因此,对微槽道的加工工艺及方法提出了迫切的要求.从调研 资料 新概念英语资料下载李居明饿命改运学pdf成本会计期末资料社会工作导论资料工程结算所需资料清单 看.传统的方法无法加工 这种微槽道,激光加工热作用区小,可以准确地控制加工范围及深度,有较高的重复性和良好的边缘性, 因而用激光能加工这样的微槽道激光加工的效果主要取决于合理选取激光参数和优良的激光聚焦系 统.因而,针对微槽道的加工,笔者对球面透镜组成的聚焦系统存在的问题和困难进行了详细地分析, 提出用旋转棱镜作为聚焦系统,这样可使工件对位置误差的敏感度为零 1球面透镜组成的光学系统 光学系统是激光加工设备的主要组成部分之一,它的特性直接影响激光加工的性能,它的作用是将 激光束从激光器的输出窗口引导至加【工件 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面,并在加工部位获得所需的光斑形状, 尺寸 手机海报尺寸公章尺寸朋友圈海报尺寸停车场尺寸印章尺寸 及功率密 度在不影响光学系统性能的前提下,组成元件应力求简单,结构要紧凑.为了同时兼顾小的聚焦光斑 和长工作距离的要求,激光微加工中通常采用发散一会聚系统和扩束,会聚系统作为聚焦系统 1.1发散一会聚系统 发散,会聚系统如图1所示,为激光器输出激光的束腰半径,?为经光学系统变换后的激光 束束腰半径,一,分别为凹透镜和凸透镜的焦距根据高斯光束传输规律和透镜变换原理可推得: =一II/,(1) 7d.’3fl=牛(2) 收稿日期:1999—05—12 基金珥目:院青年基盒课题(院编98313) 作者茴介}徐荣青{1966一)男.江苏扬州人.华尔船舶_r业学院讲帅 箍 第 卷年 @ 第5期绦荣青等:无衍射光束在激光加工中的应用 要加工0.020nlil]的馓槽道,聚焦光斑的直径必须为 0.020nIITL,即?为0.010mn1.若所用的激光器为Nd:YA( 激光器,则为0.00106ITflTI,设n为0.5Tnrn;下面确定系 统的其它参数,选取2:f3=lO0nll1],=400IflF/l,由(2) 式可求得~.020=0040mm.再由(1)式求得,J=一63ran], 即选取焦距分别为一63mm的凹透镜和1o0kmof andconvergencesyste~ 的步骤 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 ,已知lll=05r1]iI1,30=O.01rlllTl,选取工作距离,3=100n仰,由(4)式求得‖10= 3.37f?,再由(3)式可求得M=6.74选取,l一一20nm,–135nm1,可算得整个光学系统的长度 为450mrll,符合实际应用的要求,扩束系统也可用开普勒系统,但伽俐略系统外形尺寸紧凑,还可以避 免正透镜会聚而引起的强光效应及对透镜的破坏,因此,选用伽俐略望远系统来扩束 1,3工件位置 要使加工满足要求,除了把光束聚焦成直径为0.02rilin的光斑,尚需确定工件的位置,前面仅仅考 虑了光束的聚焦;激光束是高斯光束,经球面透镜后仍是高斯光束,因为聚焦后的束腰被压缩得很细,发 散角很大.如果工件的位置偏离聚焦后的光束束腰位置,光斑的增长不可忽视,因而需精确确定工件的 位置.设束腰的光斑半径为w0,则距束疆?处的光斑半径ut为: : . l+()(5) Yn 当()《t时,=w.[I+{(),则加工的相对误差为: :: ()’(6) ~v0’n 若要求加工的相对误差不超过5%,由(6)式可算是?要小于0.1rill21, 这样的距离对机械调整来说是 相当苛刻的另外,由于被加工工件存在表面起伏误差,要加工满足误差要求的微槽,必须配备一套性能 优良的激光焦点位置自动控制系统,用以自动检测并实时跟踪激光聚焦束腰的位置和工件之间的距离, 使其在开槽加工中随工件的起伏始终小于误差,这样的控制系统必须是一个随动系统,而且要具有较高 的精度和快速响应,该系统难以实现,即使实现,费用会相当高昂. 2无衍射光束的基本原理 无衍射光束是自由波动方程的一组精确解[,其表达式为: E(x,y,z,tj=exp训)]』iA()ex(co婶+3t妒)d: 56华东船舶j二业学院2000年 exp!i(we一)](K)(7) 其中,p2=.r2+v,KI=(2以)坩,0为无衍射光束的会聚角,』0是零阶第一类贝塞尔 函数 excel方差函数excelsd函数已知函数     2 f x m x mx m      2 1 4 2拉格朗日函数pdf函数公式下载 (7)式中 的振幅部分只是的函数,与传播方向坐标无关,即垂直于:轴横平面上的光强不随传播距离而变 化,此现象称为无衍射特性,因而称此光束为无衍射光束.无衍射光束 由平面波角谱成分选加而腔法,锥 形透镜法和球面象差法,因旋转棱镜结构简单,能量利用率高,能量转换效率高达92%,所以用旋转棱 镜产生无衍射光束是最实用的. 3旋转棱镜组成的光学聚焦系统 图3是激光加工机的光路图,激光器的输出光 束径伽俐略望远镜扩束准直,扩束准直后的激光束 经旋转棱镜变换后形成锥体波矢.所有这些平面渡 在光轴子上相交,无数焦点产生一条与z轴互相重 台的连续细线.图中,中为旋转棱镜底面锥角,h为 旋转棱镜的半径,z一为光束的无衍射距离,在此 范围内光束为无衍射光束,由几何分析可知J: Z=h/tg口(8) 元衍射光束中心光斑直径D为: D: ln I激光器2伽利略华远镜3旋转棱镜 图3激光加工机的光路图 Fig3Opticalpathgraphicoflasermachine 式中,口由决定,=arcsin(?sing’)一,为旋转棱镜材料 的折射率根据(8),(9)两式可得出无衍射光束的无衍射距离 Z及中心光斑直径D随垂的变化关系曲线(图4).由图4可 知,当中取5|8,可获得无衍射距离为124mm,光斑直径为 0.02mm的无衍射光束,此时加工的动态范围大.在无衍射范 围内不存在工件位置误差的问题,对工件表面的乎整度适应性 强,只需一个二维工作台就可加工出满足要求的微槽道 日20 言: 5 05】0I52025 ―Cj 】6. I20 E a. 4. 0 (9) 【4D随的变化 4结束语.系线 rtgru【lcllOrlCtk,me’e0I ZDand 无衍射光束具有中心光斑尺寸小且不随传播距离变化的特 点,用无衍射光束进行加工时,加工的动态范围大,在无衍射范围内对 工件位置误差的敏感度为零,对工 件表面的平整度适应性强,且沿光轴方向既不需精密聚焦,也无需考 虑齐焦的问题,这样可使三维工作 台简化为二维工作台并可避免使用昂贵的精密机械调整装置由于 无衍射光束在微加工的应用中具有 灵活性和经济性,可以预言它在激光精密焊接,切片及微调中都有非 常诱人的应用前景. 第5期徐荣青等:无衍射光束在激光加工中的应用 参考文献: , 1]魏光辉,朱宝亮.激光束光学.M,.北京:北京工业学院出版 社,1988:138—140. 2]DURNIN』,EBERLYJHDiffracticatfree[J].PhysReLett,1987,58:1499 —1501 [3]GRAEMSEfficientGeneratkmofNearlyDiffraction—freebeansusinganaxican[J].o0tEng,1992,31(12):2640 2643. ApplicationNon?diffractionBeamonLaserProcessing XURong-qin.WUYue.YAOShou—guang2 (】D印t.fElectnmlesandint’ommtlonEastChinaShipbuildingInstitute,Zh 目1liangJ哪212003.China 2DeptMechanicalEng.East(ShimShipbuildingln.gtituteZhenjim.jimag~a 212003.China) Abstract:Analysestheproblemsanddifficulti~inmicro-canalprocessbyusi ngsphericallensfocusingde— veice.Givesanotheropticaldevicebyusingrotaryprismasl&serproces sor.ThisdeviceGsngivenOD— diffractionbeamandmakework—pieceshavingzerosensitivitiesonpositionerror. Keywords:rotaryprism;non—diffractionbeam;lasermachining (责任嫡辑:陈辉) 我国海洋信息系统国际先进 国家海洋信息系统设计建设项目是一项设计复杂,技术密集,信息量 庞大的大型系统工程.该项目 采用了3s,三维立体,多媒体,INTERNET等高新技术,融海洋科学,信 息科学,计算机与通信网络技术 于一体,具有很强的整体性,系统性和实用性,该系统具备了海洋信息 收集,传输,处理,存储和管理,海 洋信息产品设计,制作和服务等功能.它复杂而庞大,基本包括了海洋 信息的各个专业领域,由8个业 务化运行子系统和中国海洋信息网组成.国家海洋信息系统的设计 建设整体上达到了当前国际先进水 平. (摘自2OOO年9月15日《中国船舶报》)