Řešení optického systému pro laserové zpracování

Řešení optického systému pro laserové zpracování
Stanovenílaserové zpracováníŘešení optického systému závisí na konkrétním scénáři aplikace. Různé scénáře vedou k různým řešením optického systému. Pro konkrétní aplikace je vyžadována specifická analýza. Optický systém je znázorněn na obrázku 1:

Cesta myšlení je: konkrétní cíle procesu –lasercharakteristiky – návrh schématu optického systému – realizace konečného cíle. Následuje několik různých oblastí použití:
1. Oblast přesného mikroobrábění (značení, leptání, vrtání, přesné řezání atd.) Mezi běžné typické procesy v oblasti přesného mikroobrábění patří mikrometrické obrábění materiálů, jako jsou kovy, keramika a sklo, jako je značení log pro mobilní telefony, lékařské stenty, mikrootvory pro trysky vstřikování plynného paliva atd. Základním požadavkem v procesu obrábění je: za prvé, musí splňovat extrémně malé zaostřené světelné skvrny, extrémně vysokou hustotu energie a co nejmenší tepelnou ovlivňovací zónu atd. Pro výše uvedené aplikace a požadavky je výběr a návrhlaserové zdroje světlaa provádějí se další komponenty.
a. Výběr laseru: Preferovaný ultrafialový/zelený laser v pevném stavu (nanosekundový) nebo ultrarychlý laser (pikosekundový, femtosekundový) je způsoben především dvěma důvody. Prvním je, že vlnová délka je úměrná zaostřenému světelnému bodu a obecně se volí krátká vlnová délka. Druhým je, že pikosekundové/femtosekundové pulzy mají charakteristiku „studeného zpracování“ a energie je dokončena před tepelnou difúzí, čímž se dosáhne studeného zpracování. Obecně se volí laserový zdroj světla s prostorovým světelným výstupem s faktorem kvality paprsku M2 obecně menším než 1,1, což má vynikající kvalitu paprsku.
b. Systémy s rozšiřujícím paprskem a kolimační systémy obvykle používají čočky s proměnným zvětšením (2X – 5X) a snaží se co nejvíce zvětšit průměr paprsku. Průměr paprsku je nepřímo úměrný zaostřené světelné skvrně a obecně se používá Galileova architektura s rozšiřujícím paprskem.
c. Zaostřovací systém obvykle používá vysoce výkonné objektivy F-Theta (pro skenování) nebo telecentrické zaostřovací objektivy. Ohnisková vzdálenost je úměrná zaostřenému světelnému bodu a obecně se používají objektivy s krátkým ohniskovým polem (například f = 50 mm, 100 mm). Jak je znázorněno na obrázku 1: Objektiv s zorným polem obecně používá skupinu víceprvkových čoček (počet čoček ≥ 3), které umožňují dosáhnout velkého zorného pole, velké clony a nízkých aberací. Optické čočky zde musí zohledňovat prahovou hodnotu poškození laserem.
d. Koaxiální monitorovací optický systém: V optickém systému je obvykle integrován koaxiální kamerový systém (CMOS) pro přesné polohování a monitorování procesu zpracování v reálném čase.
2. Zpracování makromateriálů Mezi typické scénáře použití zpracování makromateriálů patří řezání automobilových plechů, svařování ocelových plechů lodních karoserií a svařování plášťů bateriových pouzder. Tyto procesy vyžadují vysoký výkon, vysokou penetrační schopnost, vysokou účinnost a stabilitu zpracování.
3. Laserová aditivní výroba (3D tisk) a plátování. Aplikace laserové aditivní výroby (3D tisk) a plátování obvykle zahrnují následující typické procesy: letecký a kosmický tisk kovů, opravy lopatek motorů atd.
Výběr základních komponent je následující:
a. Výběr laseru: Obecně platí,vysoce výkonné vláknové laseryjsou vybírány s výkonem obvykle přesahujícím 500 W.
b. Tvarování paprsku: Tento optický systém musí vydávat světlo s plochým vrcholem, takže tvarování paprsku je základní technologií a lze ho dosáhnout pomocí difrakčních optických prvků.
c. Systém ostření: Zrcadla a dynamické ostření jsou základními požadavky v oblasti 3D tisku. Zároveň musí skenovací čočka používat telecentrický design na straně objektu, aby byla zajištěna konzistence při zpracování hran a středu.