Systemy laserowe dr inż. Adrian Zakrzewski dr inż. Tomasz Baraniecki
Metody analizy i kształtowania wiązki laserowej
Źródło: Beyer Wiązka gaussowska Natężenia promieniowania poprzecznie do kierunku propagacji idealnej wiązki laserowej ma rozkład normalny, czyli rozkład Gaussa I r = I 0 exp 2r2 r o 2 I(r)- natężenie dla promienia r I o - natężenie maksymalne r o promień wiązki (promień, dla którego natężenie jest równe (1/e 2 ) I o )
Źródło: Beyer, Fraunhofer IWS Charakteryzacja wiązki laserowej Długość Rayleigha: Z R = πr o 2 λ Jest to odległość mierzona wzdłuż propagacji wiązki, na przestrzeni której powierzchnia plamki zwiększyła się dwukrotnie, a natężenie spada o połowę Niezmiennik wiązki gaussowskiej: θ 0 r 0 = const. θ 0 r 0 = λ π
Długość Rayleigha Źródło: Wedel, AKL 12
Źródło: Wedel, AKL 12 Głębia ostrości Podwójna długość Rayleigha jest określana jako głębia ostrości. Głębia ostrości może być traktowana jako dystans, w zakresie którego materiał może się przemieszczać od pierwotnego położenia bez znaczącej zmiany na wynik procesu obróbczego Zastosowanie soczewki o większej ogniskowej powoduje, że plamka w ognisku jest większa, ale jednocześnie znacznie wzrasta głębia ostrości. Dwukrotne zwiększenie plamki w ognisku powoduje czterokrotne zwiększenie głębia ostrości.
Źródło: Beyer Charakteryzacja wiązki laserowej Dywergencja w polu dalekim: θ 0 = λ πr 0 tan θ 0 θ 0 = r 0 Z R Z R = πr o 2 λ
Charakteryzacja wiązki laserowej Promień krzywizny frontu falowego: R z = Z 1 + Z R Z 2 W przewężeniu (w tali) front falowy jest płaski, daleko od przewężenia front falowy jest sferyczny Źródło: Beyer
Mody poprzeczne lasera Źródło: Ion, Beyer, Fraunhofer IWS
Średnica wiązki Szerokość połówkowa FWHM (Full Width at half maximum) Szerokość dla 1/e 2 wartości maksymalnej (13.5%) d I 0 /e 2 = 2d FWHM ln2 = 1,699 d FWHM Średnica wiązki laserowej jest wyznaczana jako wielość wewnątrz której znajduje się 86 % mocy
Źródło: Beyer Ogniskowanie wiązki Soczewka pozwala na skupienie wiązki laserowej, dokonuje jej transformaty
Źródło: Beyer, Groche Ogniskowanie wiązki Im ogniskowa soczewki jest krótsza tym promień skupionej wiązki jest mniejszy
Wpływ długości fali na ogniskowanie Porównanie kaustyki (kształtu) zogniskowanej wiązki w przypadku modu podstawowego (TEM 00 ) i modu wyższego rzędu (TEM 10 ) oraz dla różnych długości fal Użycie modu wyższego rzędu zawsze będzie powodować, że plamka lasera będzie większa Im krótsza jest długość fali lasera tym mniejsza będzie plamka w ognisku Źródło: Beyer, Groche
Źródło: Beyer, Groche Ogniskowanie wiązki beam expander W celu zwiększenia średnicy wiązki lasera na soczewce można ją umieścić w pewnej odległości od lasera lub użyć odpowiednich układów optycznych
Minimalna średnica wiązki w ognisku d f = 4λf πd M2 Źródło: Beyer, Groche d f średnica plamki w ognisku λ długość fali f ogniskowa soczewki M 2 jakość wiązki D średnica wiązki lasera na soczewce
Źródło: Beyer, Groche Jakość wiązki parametr M 2 Wiązka gaussowska jest najlepszą wiązka jaką można uzyskać w idealnym układzie laserowym. W rzeczywistym układzie laserowym wiązka laserowa będzie odbiegać o wiązki gaussowskiej. Rozbieżność pomiędzy wiązką idealną a rzeczywistą określa jakość wiązki poprzez parametr jakości wiązki M 2 M 2 = πθr λ K = 1 M 2 K współczynnik propagacji W przypadku wiązki idealnej M 2 równe jest 1, im wiązka bardziej odbiega od wiązki Gaussowskiej tym parametr ten jest większy
Jakość wiązki parametr BPP BPP = M 2 λ π BPP Beam Parameter Product BPP wiązka rzeczywista BPP o wiązka idealna K - współczynnik propagacji wiązki M 2 = BPP BPP 0 Oznaczenie M 2 jest najczęściej spotykane w literaturze anglojęzycznej, natomiast K w literaturze niemieckojęzycznej
Źródło: Groche Jakość wiązki Kształt modu Natężenie Mod K
Jakość wiązki dla różnych systemów laserowych Źródło: Beyer
Talia wiązki a jej jakość Źródło: Beyer
Poprawa jakości wiązki Źródło: Beyer
Poprawa jakości wiązki obecne prace Źródło: Beyer
Źródło: Beyer, Groche Kiedy badać wiązkę laserową? pierwsza instalacja systemu laserowego / po serwisie weryfikacja parametrów procesu przed lub w trakcie jego trwania zmiana lokalizacji systemu (przenoszenie stanowiska) analiza błędów optymalizacja systemu kryterium: elementy optyczne, zwiększenie prędkości procesu
Metody inżynierskie badania wiązki Papier fotoczuły tzw. próba krzyżowa Polimer wytop modu w przeźroczystym materiale Wady: brak wartości liczbowych subiektywna ocena wyników brak automatyzacji konieczność wentylacji szkodliwe gazy
Źródło: Primes, Kanatey Metody z wykorzystaniem dedykowanych urządzeń układ z obracająca się igłą (otwór ~ 10 μm) umożliwia pomiary kaustyki laserów dużej mocy (do 15 kw) średnica plamki 80 μm 4 mm
Źródło: Primes Metody z wykorzystaniem dedykowanych urządzeń układ z matrycą CCD przystosowany do pomiarów kaustyki laserów małej i średniej mocy (do 200 W) średnica plamki 5 μm 2 mm
Pomiar kaustyki wiązki lasera CO2
Pomiar kaustyki wiązki lasera dyskowego
Pomiar kaustyki wiązki lasera diodowego
Wady wiązki - przykłady
Źródło: Dietrich, ILS Jan-2012 Porównanie jakości wiązki w obu przypadkach użyto tej samego układu optycznego
Źródło: Trumpf, HighYag Kabel światłowodowy Budowa kabla światłowodowego: 1 powłoka ochronna ze stalowym oplotem 2 przewód obwodu bezpieczeństwa 3 płaszcz ochronny 4 światłowód Podstawowe cechy kabli: różne rodzaje złączek(llk-b, LLK-D) średnica rdzenia światłowodu 11 μm 1000 μm długość światłowodu 4-100 m maksymalny promień gięcia > 25 cm
Źródło: Trumpf Maksymalny promień gięcia Dopóki maksymalny promień gięcia światłowodu jest zachowany występuje całkowite wewnętrzne odbicie W przypadku przekroczenia maksymalnego promienia gięcia warunek całkowitego wewnętrznego odbicia zostaje zaburzony i części promieniowania wycieka z rdzenia. To może spowodować uszkodzenie kabla i stwarzać zagrożenie dla operatora. Maksymalny promień gięcia zależy od wielkości rdzenia i wynosi około 25 cm
Układ bezpieczeństwa w kablu światłowodowym Źródło: HighYag
Sprzężenie lasera ze światłowodem Źródło: Trumpf
Źródło: Schinzel Prowadzenie wiązki wszystkich laserów oprócz lasera CO 2 Wiązka laserowa prowadzona za pomocą światłowodu d f = d k f f f k d f - średnica plamki w ognisku d k - średnica rdzenia światłowodu f k - ogniskowa soczewki kolimującej f f - ogniskowa soczewki skupiającej
Źródło: Kanatey, Trumpf, IFS Prowadzenie wiązki lasera CO 2 użycie soczewki użycie zwierciadła wklęsłego
Źródło: II-IV Infrared Zwierciadła do lasera CO 2 płaskie cylindryczne paraboliczne
Źródło: II-IV Infrared Lustra i soczewka skupiająca lasera CO 2 Lasery dużej mocy, zwierciadła miedziane Soczewka skupiająca ze specjalnego materiału selenek cynku ZnSe
Źródło: II-IV Infrared Soczewka skupiająca ZnSe Zagrożenia ZnSe: materiał kruchy silnie toksyczne opary bardzo toksyczny w krwioobiegu
Dziękuję za uwagę Oddziaływanie laserów z materią