Изготовление макета лазерного резака на основе оптической системы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

Глава 1. Трансформация излучения с использованием стеклянных линз

1.1 Формализм геометрической оптики

Глава 2. Расчет оптических схем лазерных резаков

2.1 Оптическая однолинзовая схема лазерного резака

2.2 Оптическая двухлинзовая схема лазерного резака

Глава 3. Экспериментальное исследование реализованного лазерного резака

3.1 Экспериментальная установка для исследования диаметра перетяжки в зоне фокусировки лазерного излучения

3.2 Результат и обсуждение

3.3 Численное моделирование зависимости длины оптической системы от фокусного расстояния двухлинзовой оптической системы лазерного резака

3.4 Результат и обсуждение

Заключение

Литература

Приложение



Введение

В рамках продолжения работы над проектом по созданию бюджетного лазерного комплекса на базе полупроводникового лазера Osram PLTB450B (длина волны излучения 0.44 мкм, мощностью 1 Вт) возникла задача сфокусировать лазерное излучение на заданном расстояние. По заявленным параметрам завода изготовителя, диаметр выходного окна лазерного диода составляет 2 мм[1, с.4]. Согласно техническому заданию для курсовой работы фокусное расстояние оптической системы должно составлять 30 мм, а диаметр лазерного пучка в зоне фокусировки - 0,3 - 0.5 мм. Так как для лазерного комплекса важным параметром является скорость обработки, то имеет значения размер и масса спроектированной оптической схемы. Изначально планировалось за основу оптической системы взять готовый оптический блок от DVD Blue-Ray привода. Однако, согласно результатам проведенных исследований [2, с.348], фокусное расстояние такой системы составляет 4 мм. Согласно принципам построения лазерного резака [3, с.10], после последней линзы необходимо пространство для подвода газовой смеси. В случае фокусного расстояния 4 мм такого пространства не остаётся.

В связи с этим, в данной курсовой работе необходимо спроектировать подходящую оптическую систему и изготовить действующий макет лазерного резака на основе этой системы.

В данной работе поставленная цель достигается путем решения следующих задач:

1) изучить формализм геометрической оптики для построения изображений с помощью линз;

2) рассчитать оптическую систему резака;

3) спроектировать оптическую систему резака;

4) изготовить действующий макет лазерного резака.

В главе 1 данной работы рассматриваются формализм геометрической оптики, который необходим для последующего аналитического расчета оптической системы лазерного резака.

В главе 2 представлены расчеты для однолинзовой и двухлинзовой оптической системы лазерного резака и конструкция реализованного лазерного резака.

В главе 3 приведены результаты экспериментального исследования диаметра перетяжки и численное моделирование длины зависимости оптической системы от фокусного расстояния двухлинзовой оптической системы лазерного резака.



Глава 1. Трансформация излучения с использованием стеклянных линз

Для расчета оптической системы необходимо изучить формализм геометрической оптики связанные с линзами для построения изображений предметов.

1.1 Формализм геометрической оптики

Линза это прозрачное тело, ограниченное двумя гладкими выпуклыми или вогнутыми поверхностями (одна из них может быть плоской). Линзы подразделяются на выпуклые, которые толще к середине, и вогнутые, которые к середине тоньше [4, с.350].

Линзы делятся на тонкие и толстые. Линза называется тонкой, если толщина линзы d мала по сравнению с R1 и R2, радиусами кривизны ограничивающих поверхностей. В обратном случае она называется толстой [5, с.266]. Для того, чтобы определить радиус кривизны линзы необходимой воспользоваться общей формулой линзы (1) [5, с.265]:

(1) , где:

F - фокусное расстояние линзы,

n - показатель преломления материала из которого сделана линза,

R1 - радиус кривизны первой поверхности линзы,

R2 - радиус второй поверхности.

Ось, проходящая через центры образующих линзу поверхностей, называется оптической осью. Линза является собирающей, если она преломляет проходящие через нее лучи в сторону оптической оси, и рассеивающей, если она отклоняет лучи от оптической оси [6, с.269].

Главным фокусом линзы называют точку S' на главной оптической оси линзы, в которой сходятся лучи, идущие до преломления в линзе параллельное её главной оптической оси. От сюда следует, у собирающих линз главный фокус действительный, а у рассеивающих - мнимый [4, с.350].

Оптическая сила линзы это характеристика оптических свойств линз, равная обратному фокусному расстоянию линзы F, обозначается буквой D. Формула оптической силы линзы (2), где:

D - оптическая сила линзы,

F - фокусное расстояние линзы.

За единицу оптической силы линзы принимается оптическая сила такой линзы, фокусное расстояние которой равно 1 метр, такая единица называется диоптрией (дтпр). Например, фокусирующая линза, с фокусным расстоянием F=0,5 м имеет оптическую силу дтпр [7, с.258].

Следующая формул, которую мы рассмотрим это формула линзы. Расстояние f от собирающей линзы до изображения связано с расстоянием d от предмета до линзы и фокусным расстоянием F линзы. Выражая эту зависимость математически, представим ход луче.

Из подобия треугольников (заштрихованы одинаково) следует формула

и , где:

h - размер предмета;

H - размер изображения;

d - расстояние от предмета до фокусирующей линзы;

f - расстояние от фокусирующей линзы до изображения;

F - фокусное расстояние линзы.

Из этих двух уравнений получаем и df=dF+Ff. Её делим на произведение dfF и от сюда получаем формулу линзы (3) [4, с.269].

Следующая формула, это формула линейного увеличения. Размер изображения даваемого линзой, будет меняться в зависимости от положения объекта по отношению к фокусу линзы [7, с.258]. Линейным увеличением G называют отношение высоты (ширины) изображения предмета к истинной высоте (ширине) самого предмета [4, с.358]. Формула для вычисления линейного увеличения создаваемого линзой (4) и (5) где:

G - линейное увеличение;

f - расстояние от фокусирующей линзы до изображения;

d - расстояние от предмета до фокусирующей линзы;

H - высота изображения;

h - высота предмета.

Величина h всегда считается положительной. Поэтому для прямых изображений G > 0, для перевернутых G < 0 [8, с.32].

В случае, если используется оптическая система, состоящая из двух линз, то увеличение рассчитывается по формуле (6) [9, с.227], где

G - линейное увеличение оптической системы;

- линейное увеличение первой линзы;

- линейное увеличение второй линзы.

Таким образом, для расчета оптической системы мы располагаем всеми формулами, которые необходимы для решения поставленной задачи, а именно:

,

- общая формула линзы,

(2) - оптическая сила линзы,

(3) - формула линзы,

(4) - формула линейного увеличения,

(5) - формула линейного увеличения,

(6) - формула линейного увеличения оптической системы состоящей из двух линз.



Глава 2. Расчет оптических схем лазерных резаков

Для того чтобы спроектировать оптическую систему, необходимо последовательно рассмотреть в начале схему состоящую из одной линзы и, в случае неудовлетворения требованиям технического задания, рассмотреть схему состоящую из двух линз.

2.1 Оптическая однолинзовая схема лазерного резака

В рамках проекта по созданию бюджетного лазерного комплекса на базе полупроводникового лазера Osram PLTB450B с длиной волны излучения 0.44 мкм и выходным окном лазерного диода 2 мм, была поставлена задача разработать оптическую систему лазерного резака с фокусным расстоянием 30 мм и диаметром перетяжки 0.5 мм.

Первое, что необходимо вычислить, это размер увеличения, которое нам требуется, для этого воспользуемся формулой (5):

(5)

H=0.5 мм,

h=2 мм,

,

Параметры, которые необходимы для оптической схемы:

f=30 мм, G=0.25

Для расчета оптической однолинзовой схемы (см. рис. 5) воспользуемся формулой (4):



d= , мм.

Рассмотрим, какое количество излучения будет попадать в линзу диаметром 1.2 cм. Так как расходимость лазерного излучения, согласно исследованиям данного параметра составляет 114є [10, с.28], рассмотри равнобедренный треугольник с углом при вершине б=114є и высотой 120 мм.

Найдем угол в из равенства углов треугольника:

.

От сюда найдем длину основания С через синус треугольника:

,

Найдем в процентном соотношение размер линзы к основанию треугольника С:

,

Таким образом, от лазера с углом расходимости излучения в 114є в линзу на расстояние 120 мм будет попадать менее 3% всего излучения от лазера. Такой вариант не может рассматриваться как решение задачи, поскольку мощность на выходе составит 30 мВт, что очевидно не может быть использовано для дальнейшей разработки. От сюда следует, что необходимо рассмотреть оптическую двухлинзовую схему.

2.2 Оптическая двухлинзовая схема лазерного резака

Исходя из результатов выше, мы рассмотрим двухлинзовую оптическую схему резака.

Для того чтобы сохранить максимально мощность излучения я решил поставить первую линзу вплотную к выходному окну лазерного диода. Исходя из доступной элементной базы, была взята плоско-выпуклая линза с фокусным расстоянием 4 мм, диаметром 5 мм и толщиной 1 мм из стекла марки К-8. линза оптический лазерный резак

Для того чтобы убедиться, что можно пользоваться формулами линзы, необходимо проверить, является эта линза тонкой. Для этого необходимо сравнить толщину с радиусом кривизны, который неизвестен. Найдем радиус кривизны по формуле (1):

.

F=4 мм, n?1.5.

В случае плоско-выпуклой линзы, один из радиусов кривизны считается бесконечно большим, из-за чего приравниваем к нулю.

,

,

мм.

Так как толщина 1 мм, а радиус кривизны 2 мм, откуда следует, что толщина в два раза меньше радиуса кривизны, можем считать, что эта линза тонкая. Таким образом, можно пользоваться формулами (2), (3), (5), (6). От сюда задача сводится к нахождению фокусного расстояния второй линзы и расстояние, на котором её необходимо ставить от первого полученного изображения. Так как нам не важно перевернутый или нет получится лазерный пучок, мы будем считать необходимое увеличение с минусом (см. [8, с.32]).

d1=1 мм, F1=4 мм, G=-0.25, f2=30 мм.

мм

,

,

мм

мм.

Результаты вычисления параметров для двухлинзовой оптической схемы лазерного резака согласно рисунку 7 можно посмотреть в таблице 1.

Табл. 1. Результаты вычисления параметров для двухлинзовой оптической схемы резака.

f1	-1.333 мм
f2	30 мм
F1	4 мм
F2	мм
d1	1 мм
d2	160 мм
h	2 мм
H	0.5 мм
G1	-1.333
G2	0.187
G	-0.25

Из доступной элементной базы, в качестве линзы L2 (см. рис. 7) была использована линза с фокусным расстоянием 27 мм и диаметром вместе с оправой 15 мм. Для этой оптической системы был выбран металлический корпус цилиндрический формы, для того, чтобы элементы расположились вдоль оптической оси. Этим корпусом является элемент водопроводной системы «бочонок» фирмы «Valtec» с наружной резьбой 1/2”. Внутренней диаметр составляет 15 мм, что позволяет обойтись без дополнительной металлообработки. Сам лазерный диод устанавливался в элемент водопроводной системы «заглушка» фирмы «Valtec» с внутренней наружной резьбой 1/2”. Для корректного регулирования относительного положения линз в оптической системе, были вырезаны шайбы-вкладыши из вспененного поливинилхлорида толщинами 3 и 5 мм, которые устанавливались в корпус между линзой и распорной «заглушкой» (см. рис. 8). Вкладыши вырезались с помощью газолазерной резки с использованием лазерного комплекса на базе СО2-лазера. Фотографию действующего макета лазерного резака приведена в приложении.

Далее приводятся расчеты местоположения линз для реализованной оптической двухлинзовой системы резака из доступной элементной базы.

d1=1 мм, F1=4 мм, F2=27 мм, d2=141 мм, h=2мм.

мм

,

мм

,

,

мм.

Результаты расчетов положения линз для реализованной двухлинзовой оптической системы лазерного резака можно посмотреть в таблице 2.



Табл. 2. Результаты расчетов положения линз для реализованной двухлинзовой оптической системы лазерного резака.

f1	-1.3 мм
f2	33.34 мм
F1	4 мм
F2	27 мм
d1	1 мм
d2	141 мм
h	2 мм
H	0.632 мм
G1	-1.333
G2	0.237
G	-0.316



Глава 3. Экспериментальное исследование реализованного лазерного резака

На основе полученных результатов в параграфе 2.2 собираем макет лазерного резака на основе двухлинзовой оптической системе. После чего необходимо исследовать размер перетяжки в зоне фокусировки лазерного излучения, а также обсудить полученные результаты.

3.1 Экспериментальная установка для исследования диаметра перетяжки в зоне фокусировки лазерного излучения

Далее приводятся данные экспериментального исследования диаметра перетяжки в зоне фокусировки при визуализации с помощью экрана на деревянной поверхности (сосновая фанера ФК-2). На приведена схема экспериментальной установки. Схема состоит из блока питания лазера, самого лазера, оптической системы, которую исследуют и поверхности, которая необходима для визуализации излучения.

Согласно методике [11, с.72] измерения фокального пятна прошедшего через оптическую систему лазерного излучения, лазерный луч необходимо направить на поверхность, на которой можно будет визуализировать лазерный луч. В данном случае используется деревянная поверхность (сосновая фанера ФК-2). Поскольку используемый полупроводниковый лазер имеет мощность более 1.6 Вт [1, с.3], при такой мощности обычная бумага прожигается насквозь. После чего, по отпечатку на поверхности можно измерить диаметр сечения луча в месте установки экрана. Время экспозиция регулировалась кнопкой включения/выключения блока питания.

3.2 Результат и обсуждение

Далее приводится результат эксперимента по измерению диаметра перетяжке в зоне фокусировки. На рисунке 10 приведено изображение отжига на поверхности экрана на деревянной поверхности (сосновая фанера ФК-2).

Согласно измерению, сделанному по полученному изображению отжига, при экспозиции 2 с и при расстоянии ?30 мм от линзы L2 (см. рис. 7) до экрана, диаметр перетяжки после прохождение лазерного излучения через оптическую систему равен ?0.5 мм. Увеличение экспозиции увеличивает диаметр отжига. При выбранной экспозиция 2 с диаметр отжига остается неизменным. Мощность лазера от источника питания 5 В, 1 А согласно паспортным данным [1, с.3] составляет ?1.2 Вт.

Согласно теоретическому расчету (см. табл. 2) диаметр перетяжки H должен составлять 0.632 мм, согласно экспериментальному исследованию (см. рис 10) диаметр равен ?0.5 мм. Рассмотрим отличие практического результата от теоретического расчета:

,

Таким образом, практический результат отличается от теоретического расчета на 20.89%. Полученный результат удовлетворительно согласуется с теорией геометрической оптики, что дает возможность использовать эту теорию для предварительного расчета будущих оптических систем резака.

Так как общая масса реализованной оптической двухлинзовой схемы составляет ?200 г, имеет практический интерес способы по уменьшению массы.

Один из таких способов это уменьшение длины оптической двухлинзовой системы d2 (см. рис. 7) за счет уменьшения фокусного расстояния двухлинзовой оптической системы резака f2 (см. рис. 7).



3.3 Численное моделирование зависимости длины оптической системы от фокусного расстояния двухлинзовой оптической системы лазерного резака

Так как фокальное расстояние f2 зависит от d2, по формуле (4) , с помощью числовых методов рассмотрим график с несколькими зависимостями (см. рис. 12). Первая (красная линия) зависимость d2 от f2 при G2=0.237, то есть, для линз из реализованной оптической двухлинзовой схемы. Вторая (синяя линия) зависимость d2 от f2 при G2=0.187, то есть, для линз из оптической двухлинзовой схемы по результатам из табл. 1.

3.4 Результат и обсуждение

Зависимость построена в программной оболочки «MathСad 8».

Согласно численному моделированию, массу реализованной оптической системы можно сократить вдвое от ?200 г, до ?100 г, если взять фокусное расстояние оптической схемы f2?17 мм.



Заключение

1) В рамках формализма геометрической оптики проведен расчет для использования их в лазерном резаке. Установлено, что для лазера Osram PLTB450B с углом расходимости 114є практический интерес представляет двухлинзовая оптическая система, поскольку в случае однолинзовой оптической системы попадает менее 3% лазерного излучения.

2) Для двухлинзовой оптической системы с линзой L1 с фокусным расстоянием 4 мм, и линзой L2 с фокусным расстоянием 27 изготовлен и спроектирован действующий макет лазерного резака. Фокусное расстояние 30 мм, длина резака 14 см. Результаты экспериментов показали, что диаметр излучения в зоне перетяжки 0.5 мм и удовлетворительно согласуется с результатами аналитических расчетов 0.632 мм.

3) С целью оптимизации массы разработанного лазерного резака проведено численное моделирование зависимости основных параметров оптического системы от её габаритов. Установлено, что при уменьшение фокусного расстояния с 33 мм до 17 мм масса будет составлять приблизительно 100г.



Литература

1. Blue Laser Diode in TO56 Package Version 0.3. PL TB450B.

2. Р. В. Новоточин. Отчет по учебной производственной практике ООО «ПСК «Царицын-паркет». // Волгоград - 2015.

3. П.Г. Мазеин, М.Р. Ахметов, С.Р. Сайфутдинов. Применение станков лазерной резки: учебное пособие. // Челябинск - 2011.

4. Л.С. Жданов, Г.Л. Жданов. Физика для средних специальных учебных заведений. // Москва - 1984.

5. Г.С. Ландсберг. Оптика. // Москва - 2006.

6. Р.Г. Геворкян. Курс физики: учебное пособие. // Москва - 1979.

7. Г.С. Ландсберг. Элементарный учебник физики. Т.3. Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика. // Москва - 1985.

8. Е.А. Деревянных, Е.Л. Кукина, О.А. Куракова, Н.Ю. Лебедева. Проектная работа. Практические занятия по разделу физики «Геометрическая оптика». // Томск - 2015.

9. Н.П. Заказнов, С.И. Кирюшин, В.И. Кузичев. Теория оптических систем. // Москва - 1992.

10. И.М. Авдеев. Разработка системы управления мощностью полупроводникового лазера. // Волгоград - 2015.

11. Ю.М. Задиранов, С.Г. Калмыков, М.Э. Сасин, П.Ю. Сердобинцев.Журнал технической физики. Том 82, вып. 12. Исследование структуры и параметров луча KrF-эксимерного лазера. // Санкт-Петербург - 2012.

Размещено на Allbest.ru

...