Оптическая система для лазерной обработки

Оптическая система для лазерной обработки
Определениелазерная обработкаРешение для оптической системы зависит от конкретного сценария применения. Различные сценарии приводят к различным решениям для оптической системы. Для конкретных применений требуется специальный анализ. Оптическая система показана на рисунке 1:

Логика рассуждений такова: конкретные цели процесса –лазерХарактеристики – проектирование схемы оптической системы – достижение конечной цели. Ниже приведены несколько различных областей применения:
1. Область прецизионной микрообработки (маркировка, травление, сверление, прецизионная резка и т. д.). Типичными процессами в области прецизионной микрообработки являются микрометрическая обработка таких материалов, как металлы, керамика и стекло, например, нанесение логотипов на мобильные телефоны, медицинские стенты, микроотверстия для форсунок газовых топливных инжекторов и т. д. Основные требования к процессу обработки: во-первых, необходимо обеспечить чрезвычайно малые сфокусированные световые пятна, чрезвычайно высокую плотность энергии и наименьшую зону теплового воздействия и т. д. Для вышеуказанных применений и требований выбор и проектированиелазерные источники светаи другие компоненты выполняются.
а. Выбор лазера: Предпочтение отдается твердотельным ультрафиолетовым/зеленым лазерам (наносекундным) или сверхбыстрым лазерам (пикосекундным, фемтосекундным) в основном по двум причинам. Во-первых, длина волны пропорциональна сфокусированному световому пятну, и обычно выбирают короткую длину волны. Во-вторых, пикосекундные/фемтосекундные импульсы обладают характеристикой «холодной обработки», и энергия обрабатывается до теплового рассеивания, обеспечивая холодную обработку. Как правило, выбирается лазерный источник света с пространственным световым потоком, с коэффициентом качества пучка M2 обычно менее 1,1, что обеспечивает превосходное качество пучка.
b. В системах расширения и коллимации пучка обычно используются линзы расширения пучка с переменным увеличением (2–5 крат), стремящиеся максимально увеличить диаметр пучка. Диаметр пучка обратно пропорционален сфокусированному световому пятну, и обычно используется архитектура расширения пучка по Галилею.
c. В системе фокусировки обычно используются высокоэффективные F-тета-линзы (для сканирования) или телецентрические фокусирующие линзы. Фокусное расстояние пропорционально сфокусированному световому пятну, и, как правило, используются линзы с коротким фокусным полем (например, f = 50 мм, 100 мм). Как показано на рисунке 1: Как правило, в качестве полевой линзы используется многоэлементная группа линз (количество линз ≥ 3), что позволяет достичь большого поля зрения, большой апертуры и низких показателей аберраций. При выборе оптических линз необходимо учитывать порог повреждения лазером.
d. Коаксиальная система мониторинга: В оптической системе обычно интегрируется коаксиальная система машинного зрения (CMOS) для точного позиционирования и мониторинга процесса обработки в реальном времени.
2. Макрообработка материалов. Типичные сценарии применения макрообработки материалов включают резку листовых материалов для автомобильной промышленности, сварку стальных листов для корпусов судов и сварку корпусов аккумуляторных батарей. Эти процессы требуют высокой мощности, высокой проникающей способности, высокой эффективности и стабильности обработки.
3. Лазерное аддитивное производство (3D-печать) и наплавка. Применение лазерного аддитивного производства (3D-печати) и наплавки обычно включает следующие типичные процессы: печать сложных металлических деталей в аэрокосмической отрасли, ремонт лопаток двигателей и т. д.
Выбор основных компонентов осуществляется следующим образом:
а. Выбор лазера: Как правило,мощные волоконные лазерывыбираются модели мощностью, как правило, превышающей 500 Вт.
b. Формирование луча: Данная оптическая система должна выдавать свет с плоской вершиной, поэтому формирование луча является ключевой технологией, и этого можно достичь с помощью дифракционных оптических элементов.
c. Система фокусировки: Зеркала и динамическая фокусировка являются основными требованиями в области 3D-печати. ​​В то же время сканирующая линза должна использовать телецентрическую конструкцию со стороны объекта для обеспечения согласованности обработки краев и центров.