Návrh optického systému na generovanie lúčov zameraných na prstencové

Baohua Chen^a, Quanying wu^a,* , Yunhai Tang^a, Fanúšik Junliu^a, Xiaoyi Chen^b, Yi slnko^c

^aJiangsu Kľúčové laboratórium technológie toku mikro a nano tepelných tekutín a aplikácií energie, Škola fyzikálnej vedy a techniky,
Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215009, Čína

^bSuzhou Mason Optical Co., Ltd., Suzhou, Jiangsu 215028, Čína

^cSoochow Mason Optics Co., Ltd., Suzhou, Jiangsu 215028, Čína

1. Úvod

Tvarovanie a modulácia laserového lúča majú dôležitú úlohu pri komunikácii s optickými vláknami, laserovým rezaním a laserovým zváraním [1,2]. Priemyselné zváranie potrubí s tenkými stenami sa zvyčajne dokončuje zaostreným bodom laserového lúča v kombinácii s automatizovanými strojmi [3,4]. Účinok zvárania tejto metódy je zlý a neefektívny v dôsledku nízkej presnosti trajektórie zdvihu automatizovaného strojového zariadenia a nerozdelenia nejednotnej intenzity zaostreného lúča. Preto sa navrhujú nové optické systémy na riešenie týchto problémov priamo formovaním lúča do prstencového lúča [5–8]. Väčšina optických systémov používaných na tvarovanie prstencového lúča je prenosná [9–11], ktorá pozostáva z kužeľového objektívu a zaostrovacej šošovky. Avšak, obmedzený procesom leštiacich šošoviek, špička stredu šošovky je náchylná na zaokrúhlenie, čo vedie k nerovniformnému strednému lúči a znižovaniu jeho kvality. Prenosné systémy s filmovou vrstvou šošovky nemôžu po dlhú dobu podporovať vysoko výkonné laserové lúče a vyvolať redundanciu optického systému a ďalšie problémy, ktoré ovplyvňujú konečnú účinnosť a presnosť zvárania. Zrkadlá reflexného optického systému môžu byť spracované ultra-presným jednostupňovým diamantovým otáčaním (SPDT) s vysokou účinnosťou a dobrou presnosťou a odrazivosť je 98% po pokovovaní zlata na kovovom povrchu [12]. Takéto optické systémy však stále používajú rovnaký zvislý uhol kužeľového zrkadla, čo vedie k štruktúre, v ktorej sa poloha zaostrovacie zrkadlo nemôže slobodne zmeniť a sloboda dizajnu je obmedzená [13,14]. Ak je dopadajúci lúč Gaussian, rozdelenie intenzity v tvare prstencov nie je jednotné. Problém tepelnej deformácie sa nedá vyriešiť v procese zvárania pre veľkú prstencovú medzeru v zvaroch.

V tejto štúdii je reflexný optický systém navrhnutý tak, aby riešil problémy s obmedzeným stupňom slobody reflexných optických systémov a nerovnomerného prstencového lúča založeného na kónických a parabolických zrkadlách. Matica parabolickej rotácie je odvodená pre akýkoľvek zvislý uhol kužeľového zrkadla, aby sa zvýšila sloboda dizajnu optického systému. Potom je navrhnuté konkávne a konvexné parabolické valcové zrkadlo na zvýšenie šírky prstencového prstenca zaostreného prstencového lúča a optimalizáciu jeho distribúcie intenzity za vzniku prstencového lúča s rovnomerným rozdelením intenzity.

2. Metóda návrhu

2.1. Počiatočná štruktúra optického systému

Optický systém pozostáva z kužeľového zrkadla M1 a parabolického valcovitého zrkadla M2, ako je znázornené na obr. Okolo 90◦ a potom sa odráža na M2. Nakoniec sa celý lúč konverguje na ohniskovom bode F. Vzhľadom na to, že ohniskový bod F je posunutý od optickej osi Z, v ohniskovej rovine sa vytvára zaostrený prstencový lúč s polomerom rovným vzdialenosti posunu. Aby som to zhrnul, súradnice Focus F sú určené pracovnou vzdialenosťou Z1 a priemerom prstencového lúča Ø a veľkosť M1 je tiež ovplyvnená veľkosťou veľkosti dopadajúceho lúča H. optické parametre systému je možné získať z počiatočných podmienok.

Reflexný povrch M1 je tvorený kónickou čiarou otáčajúcou sa okolo optickej osi z a kužeľová čiarová rovnica L (x, z) v meridiálnej rovine je definovaná nasledovne:

Apexový uhol A z M1 je 90◦ a jeho priemer spodného dna je možné nastaviť v súlade s veľkosti dopadajúceho laseru H.

Reflexný povrch M2 je tvorený parabola rotujúcou okolo optickej osi Z a jeho os symetrie je os X. Parabola p (x, z) v meridiálnej rovine je definovaná takto:

kde F je ohnisková vzdialenosť paraboly, L je vzdialenosť medzi osami parabola a osi z a súradnice ohniskového bodu F sú F (XF, ZF). Ak sa XF rovná –D a Zf sa rovná nule, polomer sústredeného prstencového lúča je d. Ohnisková vzdialenosť f je neznámy parameter v ekv. (2). Edge Point T je umiestnený na P (x, z), jeho z súradnice je –Z1 a jeho súradnica X sa rovná polomeru R, ktorého hodnota je primerane stanovená veľkosťou optického systému. Nakoniec môže byť ohnisková vzdialenosť F vypočítaná nahradením T (R, –Z1) do rovnice. (2).

2.2. Optický systém s zmeneným uhol vrcholu zrkadla

Odrazený lúč na M1 sa mení z 1 na 2, keď je vrcholový uhol M1 ', ako je znázornené na obr. 2. Symetrická os x' paraboly by mala byť rovnobežná s odrazeným svetlom 2, aby sa udržala zaostrenie a zaostrovacia poloha nezmenená. V skutočnosti sa Parabola P (x, z) otáča okolo zaostrenia F určitým uhlom 9, aby sa získal nový parabola p '(x', z ') a uhol 9 sa rovná 90 ° -'. kde t je bod na parabole p (x, z) pred rotáciou a vektor k zaostreniu f je ft̅ →=(x - xf, z - zf). T 'je otočený bod T a vektor k zaostreniu f je ft̅ → ′=(x' - xf, z ′ - zf). Poloha bodu T '(x', z ') sa dá vypočítať pomocou nasledujúceho vzorca:

Obr. 1. Optický systém prstencového lúča pozostáva z kužeľového zrkadla M1 a parabolického valcového zrkadla M2.

Obr. 2. Optický systém s zmeneným uhlom vrcholu kužeľa. Pevná modrá čiara predstavuje proces šírenia lúča, keď je uhol vrcholu, a bodkovaná čiara predstavuje proces šírenia, keď je vrcholový uhol '.

kde je uhol medzi vektorom ft̅ → a osou x a ▕ ft̅ → ▕ je modul vektora ft̅ →. Vyššie uvedený vzorec je zjednodušený nasledovne:

kde súradnice T 'a T sa transformujú do seba navzájom pomocou rotačnej matice Tθ, takže parabolická p' (x ', z') rovnica je nasledovná:

Optické systémy sú navrhnuté pomocou kónických zrkadiel s tromi typmi vrcholových uhlov=90, '> 90◦ a' '<90◦, ako je znázornené na obr.

Polomer prstencového laserového lúča je možné určiť súradnicami zaostrenia F vo vyššie uvedených metódach konštrukcie. Súradnice F sú f (–d, {{{{}}}}) a horné a dolné lúče získané simuláciou sledovania lúčov, ktoré sa stretávajú najprv a potom sa šíria do ohniskovej roviny, ako je znázornené na obr. Keď F koordinuje

Obr. 3. Optické systémy s rôznymi uhlami vrcholov kužeľa. (a) Apexový uhol=90 ◦. (B) Apexový uhol ′> 90◦. (C) Apexový uhol '' <90◦.

sú f (d, {{0}), laserové lúče sa šíria priamo do ohniskovej roviny bez prekrývania. Aj keď prstencový lúč má rovnakú veľkosť ako F (–D, 0), jeho distribúcia intenzity a praktické použitie sú odlišné.

Obr. 4 (a) zobrazuje prstencový lúč prijatý detektorovým prehliadačom, keď sú súradnice F (–d, 0) a obr. 4 (b) zobrazuje krivku distribúcie intenzity prstencového lúča. Vrchol intenzity je na vonkajšom okraji a jeho distribúcia sa monotónne znižuje z vonkajšej strany do interiéru. Je vhodné na vnútorné zváranie medzi komponentmi v oblasti aplikácie laserového zvárania na obrázku 4 (c).

Obr. 5 (a) zobrazuje prstencový lúč prijatý detektorovým prehliadačom, keď sú súradnice F (d, 0). Obr. 5 (b) naznačuje, že vrchol intenzity je na vnútornom okraji a jeho distribúcia je opačná ako na obrázku 4 (b). Ako je znázornené na obr. 5 (c), je vhodný na vonkajšie zváranie komponentov pri laserovom zváraní.

2.3. Dizajn rovnomerného prstencového laserového lúča

Jednotnosť lúča σ sa môže merať pomerom rozdielu medzi maximálnou a minimálnou intenzitou a priemernou intenzitou, ako je znázornené vo vzorci (7). Obr. 4 a obr. 5 ukazujú distribúciu intenzity intenzity prstencového laserového lúča ohniskovej roviny nie je rovnomerne navrhnuté vyššie uvedenou metódou.

Ako je znázornené na obr. 6, M2 sa mení na konkávne parabolické valcové zrkadlo, aby sa zlepšila rovnomernosť intenzity lúča [15,16]. Povrch M1 je rozdelený do oblastí 1, 2, 3. Na základe šírky prstencového kruhu CD a nastavuje šírku každej sekcie pozdĺž osi z1, Z12, Z13.

Tam, kde sa laserový lúč odráža na konkávnom zrkadle v oblastiach 1 a 3, potom konvertuje na ohniskách F1 a F3 a nakoniec dosiahne CD. Lúč v oblasti 2 sa odráža na konvexnom zrkadle a cestuje v opačnom smere pozdĺž virtuálneho zaostrenia F2, prípadne dosiahnutím CD a šírka plochy 2 je menšia ako šírka CD.

Intenzita gaussovského laserového lúča dole v oblastiach 1, 2 a 3 monotónne klesá. Jeho intenzita neustále klesá z bodu D do bodu C odrážaného na CD konkávnym parabolickým zrkadlom nad oblasťou 1 a zvyšuje sa konvexným parabolickým zrkadlom nad oblasťou 2. V dôsledku toho sa intenzita lúča zameraného na prsník na CD stáva rovnomerne konvexným povrchom.

Keď je vrcholový uhol kužeľového zrkadla '', konkávna parabolická rovnica PN1 (XN1, Zn1) s F1 (XF1, ZF1), pretože zaostrenie možno definovať takto:

kde sú body A a B umiestnené na PN1 (XN1, Zn1) a F1 je priesečník čiary AD a BC. Súradnice A (XA, Za), C (XC, ZC) a D (XD, ZD) sa vypočítavajú z počiatočnej podmienky. Súradnica ZB v B (XB, ZB) sa rovná Za+Z11. Hodnota XB, súradnica F1 a ohnisková vzdialenosť FN1 v ekv. (8) je možné vyriešiť pomocou nasledujúcich rovníc:

Obr. 4. Distribúcia intenzity prstencového lúča pri F (-D, 0) ohniskovej roviny. a) prstencový lúč prijatý divákom detektora 10 x 10 mm. Miesto vyznačené kruhom ukazuje, že intenzita lúča vľavo je nízka, zatiaľ čo vpravo je vysoká. b) krivka distribúcie intenzity. c) Vnútorné zváranie rúrkových častí. Ukazuje, že dráha lúča je použiteľná na vnútorné zváranie rúrkových častí.

Obr. 5. Distribúcia intenzity prstencového lúča pri F (D, 0) ohniskovej roviny. a) prstencový lúč prijatý divákom detektora 10 x 10 mm. Miesto poznačené kruhom ukazuje, že intenzita lúča vľavo je vysoká, zatiaľ čo miesto vpravo je nízka. b) krivka distribúcie intenzity. c) Vonkajšie zváranie rúrkových častí. Ukazuje, že dráha lúča je vhodná na vonkajšie zváranie rúrkových častí.

Obr. 6. Návrh konkávne - konvexného parabolického valcového integrovania zrkadla. a) Schéma cesty laserového lúča na integračnom zrkadle. Ukazuje, že dopadajúci laserový lúč je rozdelený do oblastí 1,2,3 integrujúcim zrkadlom a potom sa prekrýva na CD. b) Integrácia schémy na návrh zrkadla.

Obr. 7. (A) Rovnomerný prsný laserový optický systém. Povrch 1 predstavuje kužeľové zrkadlo a povrch 2 predstavuje konkávne a konvexné parabolické valcové integrujúce zrkadlo. (B) Jednotný prstencový lúč prijatý divákom detektora 10 x 10 mm. (C) Krivka distribúcie intenzity. Zobrazenie značky prerušovaného kruhu, že šírka prstenca je blízko obdĺžnika.

Podobne konvexná parabolická rovnica PN2 (XN2, ZN2) s F2 (XF2, ZF2), pretože zameranie možno definovať takto:

kde body A (XA, Za), C (XC, ZC) a D (XD, ZD) sú známe súradnice a hodnota ZE v E (XE, ZE) sa rovná ZB+Z12. V kombinácii s ekv. (9), súradnica ohniskového bodu F2 a ohniskovej vzdialenosti FN2 sa môže vypočítať v rovnici. (10). To môže zabezpečiť nepretržitú hladkosť v križovatkách konkávnych a konvexných povrchov, ako sú B a E, a uspokojiť nasledujúce obmedzenia:

Na základe vyššie uvedenej metódy sa dosiahne konkávne a konvexné parabolické valcové zrkadlo, ako je znázornené na obrázku 7 (a). Obr. 7 (a) znázorňuje optický systém rovnomerného prstencového laserového lúča, kde povrch 1 predstavuje kónické zrkadlo a povrch 2 predstavuje konkávne parabolické valcové zrkadlo. Radiantná intenzita prijatá divákom detektora je znázornená na obr. 7 (b). Distribučná krivka šírky prstencového krúžku je blízko obdĺžnika na obrázku 7 (c). Jednota je viac ako 80%a jej hodnota bude vyššia so zvyšovaním rozdelených regiónov.

3. Experiment

Konštrukčné parametre optického systému sú uvedené v tabuľke 1, pričom vonkajší priemer d 'ohniskového rovnomerného prstencového laserového lúča je 12 mm a vnútorný priemer d' 'je 6 mm. Priemer lúčového lúča H je 2 0 mm a veľkosť polomeru R ľavej strany konkávne -konvexného parabolického valcovitého integračného zrkadla je 35 mm. Pracovná vzdialenosť Z1 je 15 0 mm a rovnomernosť intenzity prstencového lúča je vyššia ako 85%. Parametre optického systému sa vypočítavajú pomocou Matalb pomocou ekv. (1) - (10), ako je uvedené v tabuľke 2 a tabuľke 3. Veľkosť kužeľového zrkadla H 'je 28 mm a jeho vrcholový uhol ′ ′ je 86 ◦. Súradnice bodov C a D sú (3, 0) a (6, 0), respektíve a uhol rotácie 9 každého parabolického zrkadla je 4◦.

Obr. 8 (a) zobrazuje krivku integrujúceho zrkadla. Šírka každej oblasti je 2 mm, ktorá je oveľa menšia ako ich ohnisková vzdialenosť. Celková krivka preto priamo nevidí vzor podobný vlnám, ale skôr priamku. Bod G a bod J sú susedné body na konkávnom konvexnom križovatke. Rozdiel medzi ich hodnotami x je 2 um a rozdiel medzi hodnotami Z je 5 um. Neexistuje žiadny skokový bod, takže celá krivka je hladká. Obr. 8 (b) zobrazuje inkrementálnu mieru zmeny hodnoty Z s hodnotou x na krivke. V konkávnej oblasti od bodu A do bodu B sa miera zmeny postupne zvyšuje. V konvexnej oblasti od bodu B do bodu E sa miera zmeny postupne znižuje, takže celá miera zmeny je zrejmá zlomená čiara.

Materiál zrkadiel je meď bez kyslíka a ich povrchy sú rotačne symetrické a ľahko vyrobené pomocou technológie SPDT, ako je znázornené na obr. 9 (a). Chyba špičky spracovaného kužeľového zrkadla môže byť regulovaná pod 1 um, chyba vrcholového uhla je menšia ako 0. 001◦. V porovnaní s leštením skla trvá menej času na dosiahnutie 5 nm drsnosti pomocou SPDT. Obr. 9 (b) zobrazuje optický systém s rovnomerným prstencom zameraným na ľavú bielu obrazovku. Optické držiaky a komponenty sú koaxiálne a vzdialenosť medzi obrazovkou bieleho svetla a parabolickým zrkadlom je 150 mm.

Biela obrazovka je nahradená CCD fotoaparátom s veľkosťou cieľového povrchu 2\/3 palca a veľkosti pixelov 4,5 µm. Prsenkovaný laserový lúč prijatý povrchom detektora je znázornený na obr. 10 (a). V dôsledku vonkajšieho zdroja svetla a expozičného hluku sú obklopujúce bodky a túlavé svetlo. Krivka distribúcie intenzity je znázornená na obrázku 10 (b). Šírka prstencového laserového lúča zaberá 686 pixelov zodpovedajúcich 3,09 mm a chyba je 3% v porovnaní s teoretickou hodnotou. Priemerná intenzita krivky je 222,4 w\/m2. Intenzita vysokoenergetického bodu je 230,6 W\/ m2, zatiaľ čo intenzita nízkoenergetického bodu je 205,3 W\/ m2. Rovnomernosť σ je nasledovná:

4. Závery

V tejto štúdii je navrhnutý optický systém na generovanie prstencových lúčov pomocou kužeľového zrkadla a parabolického valcového zrkadla. Na zlepšenie slobody dizajnu sa odvodzuje rovnica rotácie parabolického valcového zrkadla. Konkávne a konvexné parabolické valcové zrkadlo je navrhnuté na základe princípov povrchového delenia a superpozície lúča. Výsledkom je, že táto metóda môže zostaviť prstencový lúč pomocou minimálneho počtu zrkadiel. Zlepšila sa aj rovnomernosť intenzity lúča a spĺňa aplikačné oblasti s vyššou presnosťou. Experimentálny výsledok ukazuje, že chyba priemeru prstencového lúča je menšia ako 3%a uniformita dosahuje 89%.

Obr. 8. (A) Krivka integračného zrkadla. Konkávne oblasti sú označené modrými čiarami a konvexnými oblasťami červenými čiarami. Šírka oblasti je oveľa menšia ako ohnisková vzdialenosť, takže celá krivka vyzerá ako priamka. (b) Prírastková miera zmeny hodnoty Z s hodnotou x na krivke.

Obr. 9. Experimentálny optický systém. a) Kuchárske zrkadlo a konkávne - konvexné parabolické valcové zrkadlo. (B) Experimentálne zariadenie prstencového laserového lúča.

Obr. 10. (A) prstencový laserový lúč na povrchu detektora CCD. b) krivka distribúcie intenzity. Intenzita vysokoenergetického bodu je 230,6 W\/m2, zatiaľ čo intenzita nízkoenergetického bodu je 205,3 W\/m2, rozdiel je iba 25 W\/m2.

Financovanie

Národná prírodovedná nadácia v Číne (NSFC) (61875145, 11804243); Prírodná veda. Kľúčové disciplíny Jiangsu štrnásteho päťročného plánu (grant č. 2021135). Nadácia prírodných vied o čínskych inštitúciách vysokoškolského vzdelávania Jiangsu (17KJA140001); Kľúčové laboratórium provincie Jiangsu (KJS1710). Vyhliadka priemyslu Suzhou a kľúčový základný technologický projekt (SYC2022145).

Vyhlásenie o konkurenčnom záujme

Autori vyhlasujú, že nemajú známe konkurenčné finančné záujmy alebo osobné vzťahy, ktoré by sa mohli zdať, že ovplyvňujú prácu uvedenú v tomto dokumente.

Dostupnosť údajov

Na výskum opísaný v článku sa nepoužili žiadne údaje.

Odkazy

[1] FM Dickey, Stvorenie laserového lúča: Teória a techniky, CRC Press, 2018.

[2] K. Sugioka, Y. Cheng, návod na optiku pre spracovanie ultra rýchlych laserových materiálov: Základný systém mikroprocesív na formovanie lúčov a pokročilé metódy zaostrenia, Adv. Opt. Technol. 1 (5) (2012) 353–364.

[3] Em Shamov, nn Evtiheev, v Shiganov, I. BAINUNOV, Technológia a vybavenie na laserové zváranie križovatiek prstencových rúrok v pevnej polohe potrubí plynovodu, J. Phys. Konf. 1109 (2018).

[4] Josef BA, Thomas K., Zváracie zariadenie laserového lúča a metóda na prevádzku rovnakého, EP2361717 (2017).

[5] Kraemer, Wilfried a Andreas Buechel, zariadenie pre zváranie laserového prenosu prstencového zvarového švu, US20190054565A1 (2019).

[6] R. Kuwano, T. Koga, T. Tokunaga, optika tvaru prstencového lúča vyrobená s ultra-presným rezaním pre spracovanie laserových laserov YAG, Opt. Rev. 19 (2) (2012) 98–102.

[7] E. Govekar, A. Jeromen, A. Kuznetsov, Štúdia prstencového laserového lúča založeného na axiálne kŕmennom procese opláchnutia, CIRP Ann. 67 (1) (2018) 241–244.

[8] M. Kotar, M. Fujishima, GN Levy, Pokroky v porozumení procesu opláštenia prstencového laserového lúča, J. Mater. Proces. Technol. 294 (12) (2021), 117105.

[9] M. Lei, Z. Li, S. Yan, B. Yao, D. Dan, Y. Qi, T. Ye, axiálne zachytávanie s diaľkovým vzdialenosťou so zaostrenými prstencovými laserovými lúčmi, E 57984-, PLOS ONE 8 (3) (2013). e 57984-.

[10] Henzhen Song, Zhengjun Liu, Jingfei Ye, náhodné zdroje generujúce ďaleké polia s profilmi poľa v tvare prstencov, Optik 168 (2018) 590–597.

[11] Sadik C. Bing Shao, Jaclyn M. Esener, Elliot L. Nascimento, Botvinick, Michael W. Berns, dynamicky nastaviteľné zachytenie prstencových laserov založených na axicónoch, Appl. Opt. 45 (25) (2006) 6421–6428.

[12] Shen Zhengxiang, Jun, Yu Zhenzhen, prispôsobený dizajn a účinná výroba dvoch hliníkových zrkadiel s voľným tvarom pomocou techniky jednosmerného diamantu, Appl. Opt. 58 (9) (2019) 2269–2276.

[13] Markus L., Sonja K., laserové zváracie zariadenie pre zváracie komponenty medzi sebou, zahŕňa zdroj laserového lúča, optické zariadenie usporiadané v laserovej dráhe lúča a jednotka poskytnutá na relatívny pohyb medzi optickým zariadením a komponentmi, DE102010003323 (2011).

[14] Geyan Fu, Shihong Shi, Xuelei Han, Výskum laserového zvárania na základe koaxiálneho kŕmenia drôtov cez prsný laserový lúč, brada. J. Lasers 37 (8) (2010) 2080–2085.

[15] Zexin Feng, Yi Luo, Yanjun Han, návrh optického systému Freeform LED pre cestné osvetlenie s vysokým pomerom jasu\/osvetlenia, Opt. Express 18 (21) (2010) 22020–22031.

[16] Y. Song, Y. Chen, J. Xin, dvojrozmerné tvarovanie lúča a homogenizácia vysoko výkonného laserového diódy s obdĺžnikovým vlnovodom, predné. Optoelektrón. 12 (3) (2019) 311–316.