Baohua Chena, Quanying Wua,*, Yunhai Tanga, Junliu Fana, Xiaoyi Chenb, Yi sunc
aJiangsu Key Laboratory of Micro- und Nano -Wärmeflüssigkeitstechnologie und Energieanwendung, School of Physical Science and Technology,
Suzhou Universität für Wissenschaft und Technologie, Suzhou 215009, China
bSuzhou Mason Optical Co., Ltd., Suzhou, Jiangsu 215028, China
cSoochow Mason Optics Co., Ltd., Suzhou, Jiangsu 215028, China
Ringular Laser Beam
Optisches System
Spiegel integrieren
Intensität Einheitlichkeit
Spiegel und ein parabolischer zylindrischer Spiegel. Die Parameter der Spiegel werden gemäß den Entwurfsanforderungen des Ringstrahls erhalten. Die Rotationsgleichung des Parabols
Der zylindrische Spiegel wird mit dem gleichen ringförmigen Strahldurchmesser abgeleitet, während der Spitzewinkel der
Konischer Spiegel ändert sich. Die Gleichmäßigkeit der Ringstrahlintensität wird verbessert, indem das verändert wird
parabolischer zylindrischer Spiegel in einen konkav -konvexen parabolischen zylindrischen Integrationsspiegel,
die auf der Grundlage der Prinzipien der Oberflächenteilung und der Strahlüberlagerung ausgelegt ist. Der
Die Spiegel werden durch Einzelpunkt-Diamantenwende verarbeitet. Eine experimentelle Einrichtung ist für die Analyse gebaut
Die Größe und Gleichmäßigkeit der Strahlintensitätsverteilung. Der ringförmige Strahlbreitenfehler ist geringer
als 3%, und die Gleichmäßigkeit beträgt 89%. Die Oberfläche der konkav -konvexen parabolischen zylindrischen
Das Integrieren von Spiegel ist glatt und kontinuierlich. Die experimentellen Daten entsprechen der theoretischen
Design.
1. Einführung
Laserstrahlformung und -modulation spielen eine wichtige Rolle bei der Glasfaserkommunikation, bei Laserschnitten und Laserschweißen [1,2]. Industrielles, dünnwandiges Rohrschweißen wird normalerweise mit einem fokussierten Laserstrahlfleck in Kombination mit automatisierten Maschinen abgeschlossen [3,4]. Der Schweißeffekt dieser Methode ist aufgrund der geringen Genauigkeit der Schlaganfallbahn der automatisierten Maschinerie und der ungleichmäßigen Intensitätsverteilung des fokussierten Strahls schlecht und ineffizient. Daher werden neue optische Systeme vorgeschlagen, um diese Probleme zu lösen, indem der Strahl direkt zu einem ringförmigen Strahl gestaltet wird [5–8]. Die meisten optischen Systeme, die für die ringförmige Strahlformung verwendet werden, sind übertragbar [9–11], bestehend aus einer konischen Linse und einer Fokussierlinse. Trotzdem ist die Spitze des Linsenzentrums durch den konischen Objektivpolierprozess begrenzt und ist anfällig für Rundung, was zu einem ungleichmäßigen Mittelstrahl und der Reduzierung seiner Qualität führt. Transmissionssysteme mit einer Objektivfilmschicht können lange Zeit keine Hochleistungslaserstrahlen unterstützen und die Redundanz der optischen Systemlänge und andere Probleme induzieren, was die endgültige Schweißeffizienz und Genauigkeit beeinflusst. Die Spiegel des reflektierenden optischen Systems können durch ultra-präziser Single-Point-Diamant-Drehung (SPDT) mit hoher Effizienz und guter Präzision verarbeitet werden, und das Reflexionsvermögen beträgt 98% nach Goldbeschichtung auf der Metalloberfläche [12]. Solche optischen Systeme verwenden jedoch immer noch den gleichen vertikalen Winkel des konischen Spiegels, was zu einer Struktur führt, in der die Position des Fokussierungsspiegels nicht frei verändert und die Entwurfsfreiheit begrenzt ist [13, 14]. Wenn der einfallende Strahl Gaußsisch ist, ist die ringförmige Intensitätsverteilung nicht einheitlich. Das Problem der thermischen Verformung kann im Schweißprozess für eine große ringförmige Schweißlücke nicht gelöst werden.
In dieser Studie wurde ein reflektierendes optisches System entwickelt, um die Probleme von begrenzten Grad der Freiheit reflektierender optischer Systeme und ungleichmäßiger ringförmiger Strahl auf der Grundlage konischer und parabolischer Spiegel anzugehen. Eine parabolische Rotationsmatrix wird für jeden vertikalen Winkel des konischen Spiegels abgeleitet, um die Designfreiheit des optischen Systems zu erhöhen. Anschließend ist ein konkav -konvexer parabolischer zylindrischer Integrationsspiegel so ausgelegt, dass die ringförmige Ringbreite des fokussierten ringförmigen Strahls die Intensitätsverteilung optimiert, um einen Ringstrahl mit gleichmäßiger Intensitätsverteilung zu bilden.
2. Entwurfsmethode
2.1. Anfangsstruktur des optischen Systems
Das optische System besteht aus einem konischen Spiegel M1 und einem parabolischen zylindrischen Spiegel M2, wie in Abb. 1 gezeigt. Es wird auf der Grundlage des Durchmessers des Ringstrahls Ø, dem Arbeitsabstand Z1, und dem Strahlgröße H. Der Meridion -Ebene -Koordinat -System wird durch das Achsen -Axis -Abfall und der optische Axis -Axis -Vorfall und der optische Achsen -Zirkular -Las -Las -Las -Las -Las -Las -Las -Las -Las -Las -Las -Las -Las -Las -Las -Las -Las -Las -Las -Las -Las -Las -Las -Las -Las -Las -Lasen -Dicht und der optische Achsen -Achs -Axis -Abfall und der optische Achsen -Axis -Z. Die Richtung wird um 90 ° gedreht und dann auf M2 reflektiert. Schließlich konvergiert der gesamte Strahl auf dem Brennpunkt F. Da der Brennpunkt F von der optischen Achse z ausgefallen ist, wird in der Brennweite ein fokussierter Ringstrahl mit einem Radius entspricht, der dem versetzten Abstand entspricht. Zusammenfassend werden die Koordinaten des Fokus F durch den Arbeitsabstand Z1 und den Durchmesser des Ringstrahls Ø bestimmt, und die Größe von M1 wird auch durch die Größe des einfallenden Strahls H. Aus den Anfangsbedingungen können optische Systemparameter erhalten werden.
Die reflektierende Oberfläche von M1 wird durch eine konische Linie gebildet, die sich um die optische Achse z dreht, und die konische Liniengleichung L (x, z) in der meridionalen Ebene wird wie folgt definiert:
Der Apex -Winkel A von M1 beträgt 90 ° und sein Bodendurchmesser kann gemäß der einfallenden Lasergröße H festgelegt werden.
Die reflektierende Oberfläche von M2 wird durch die Parabel gebildet, die sich um die optische Achse z dreht, und ihre Symmetrieachse ist die Achse X. Die Parabola p (x, z) in der meridionalen Ebene ist wie folgt definiert:
Dabei ist f die Brennweite der Parabel, L der Abstand zwischen dem Parabola -Scheitelpunkt S und der Z -Achse, und die Brennpunkte F -Koordinaten sind F (xf, ZF). Wenn XF gleich –D und ZF gleich Null ist, ist der Radius des fokussierten Ringstrahls d d. Die Brennweite F ist der unbekannte Parameter in Gl. (2). Der Randpunkt T befindet sich auf P (x, z), seine Z -Koordinate ist –Z1 und seine X -Koordinate entspricht dem Radius R, dessen Wert durch die Größe des optischen Systems vernünftigerweise festgelegt wird. Schließlich kann die Brennweite F berechnet werden, indem T (r, –z1) in Gl. (2).
2.2. Optisches System mit konischem Spiegelspiegelwinkel verändert sich
Der reflektierte Strahl auf M1 ändert sich von 1 zu 2, wenn der Apex -Winkel von M1 'ist, wie in Abb. 2 gezeigt. Tatsächlich wird die Parabola p (x, z) um einen bestimmten Winkel θ um den Fokus f gedreht, um eine neue Parabola p '(x', z ') zu erhalten, und der Winkel θ ist gleich 90º–'. wobei t ein Punkt auf der Parabola p (x, z) vor der Rotation ist und der Vektor zum Fokus f ft̅ →=(x - xf, z - zf) ist. T 'ist der gedrehte Punkt von T, und der Vektor zum Fokus f ist ft̅ →'=(x ' - xf, z' - zf). Die Position des Punktes T '(x', z ') kann unter Verwendung der folgenden Formel berechnet werden:
Abb. 1. Das optische System des ringförmigen Strahls besteht aus einem konischen Spiegel M1 und einem parabolischen zylindrischen Spiegel M2.
Abb. 2. Optisches System mit dem Winkel des konischen Spiegelspiegels geändert. Die durchgezogene blaue Linie repräsentiert den Strahlausbreitungsprozess, wenn der Apex -Winkel ist, und die gepunktete Linie repräsentiert den Ausbreitungsprozess, wenn der Apex -Winkel 'ist.
Wo liegt der Winkel zwischen dem Vektor ft̅ → und der Achse x und ▕ ft̅ → ▕ ist der Modul des Vektors ft̅ →. Die obige Formel wird wie folgt vereinfacht:
wobei die Koordinaten von T 'und T durch die Rotationsmatrix t & tgr; ineinander transformiert werden, so ist die parabolische P' (x ', z') Gleichung wie folgt:
Die optischen Systeme werden unter Verwendung von konischen Spiegeln mit drei Arten von Apex -Winkeln von=90 ◦, '> 90 ° und' '<90 ° ausgelegt, wie in Abb. 3 gezeigt, da sich die Position von m2 geändert hat, wenn sich der Apex -Winkel von M1 ändert, und die optimale Struktur der optimalen Mechanik.
Der ringförmige Laserstrahlradius kann durch die Koordinaten des Fokus F in den oben genannten Entwurfsmethoden bestimmt werden. Die F -Koordinaten sind f (–d, {{0}}), und die oberen und unteren Strahlen, die durch Strahlenverfolgungssimulation erhalten wurden, treffen sich zuerst und verbreiten sich dann in die Fokusebene, wie in Abb. 1. gezeigt. Wenn die F -Koordinaten F (0}, 0), der gesamte Laser -Strahl auf M2 konvertiert. Wenn die F koordiniert
Abb. 3.. Optische Systeme mit unterschiedlichen Spiegelspiegelspitzenwinkeln. (a) Der Apex -Winkel=90 ◦. (B) Der Apex -Winkel ′> 90 °. (c) Der Apex -Winkel '<90◦.
sind f (d, {{0}}), die Laserstrahlen verbreiten sich direkt auf die Brennebene aus, ohne sich zu überlappen. Obwohl der ringförmige Strahl die gleiche Größe wie F (–D, 0) hat, sind seine Intensitätsverteilung und die praktische Verwendung unterschiedlich.
Fig. 4 (a) zeigt den ringförmigen Strahl, der vom Detektorbetracher empfangen wird, wenn die F -Koordinaten f (–d, 0) sind, und Fig. 4 (b) zeigt die Intensitätsverteilungskurve des ringförmigen Strahls. Der Peak der Intensität liegt an der Außenkante und seine Verteilung verringert sich monoton von außen in das Innere. Es ist für das interne Schweißen zwischen Komponenten im Anwendungsfeld des Laserschweißens in Fig. 4 (c) geeignet.
Fig. 5 (a) zeigt den ringförmigen Strahl, der vom Detektorbetracher empfangen wird, wenn die F -Koordinaten f (d, 0) sind. Fig. 5 (b) zeigt an, dass der Peak der Intensität am inneren Rand und seine Verteilung der in Fig. 4 (b) entgegengesetzt ist. Wie in Fig. 5 (c) gezeigt, ist es für das externe Schweißen von Komponenten im Laserschweißen geeignet.
2.3. Design eines gleichmäßigen ringförmigen Laserstrahls
Strahl Gleichmäßigkeit σ kann durch das Verhältnis der Differenz zwischen maximaler und minimaler Intensität und durchschnittlicher Intensität gemessen werden, wie in der Formel gezeigt (7). Abb. 4 und Fig. 5 zeigt, dass die Ringlaserstrahlintensitätsverteilung der Fokusebene nicht gleichmäßig nach der obigen Methode entworfen wird.
Wie in Fig. 6 gezeigt, wird M2 in einen konkav -konvexen parabolischen zylindrischen integrierenden Spiegel umgewandelt, um die Gleichmäßigkeit der Strahlintensität zu verbessern [15, 16]. Die Oberfläche von M1 wird in den Bereichen 1, 2, 3. auf der Grundlage der ringförmigen Ringbreite CD getrennt und die Breite jedes Abschnitts entlang der Z-Achse als Z11, Z12, Z13 einstellen.
wobei der Laserstrahl in den Bereichen 1 und 3 auf dem konkaven Spiegel reflektiert wird, dann an Brennpunkten F1 und F3 konvergiert und schließlich CD erreicht. Der Strahl in Bereich 2 spiegelt sich auf dem konvexen Spiegel reflektiert und fährt entlang des virtuellen Fokus F2 in die entgegengesetzte Richtung und erreicht schließlich auch CD, und die Breite der Fläche 2 ist geringer als die CD -Breite.
Die Intensität des Gaußschen Laserstrahls, der in den Bereichen 1, 2 und 3 vorfällt, nimmt monotonisch ab. Seine Intensität fällt stetig von Punkt D zu Punkt C, der CD durch den konkaven parabolischen Spiegel über der Fläche 1 reflektiert wird, und erhöht sich durch den konvexen Parabolspiegel über der Fläche 2. Infolgedessen wird die ringfokussierte Strahlintensität bei CD durch die konkav-konvexe Oberfläche gleichmäßig.
Wenn der Apex -Winkel des konischen Spiegels '' ist, ist die konkave parabolische Gleichung PN1 (xn1, zn1) mit F1 (xf1, Zf1), da der Fokus wie folgt definiert werden kann:
wobei die Punkte A und B auf PN1 (xn1, Zn1) und F1 der Schnittpunkt der Linien AD und BC sind. Die Koordinaten von A (Xa, Za), C (XC, ZC) und D (XD, ZD) werden aus der Anfangsbedingung berechnet. Die ZB -Koordinate in B (xb, Zb) entspricht ZA+Z11. Der Wert von XB, die Koordinate von F1 und die Brennweite FN1 in Gl. (8) kann unter Verwendung der folgenden Gleichungen gelöst werden:
Abb. 4. Ringstrahlintensitätsverteilung bei f (-d, 0) der Fokusebene. (a) Der Ringstrahl, der vom 10 × 10 -mm -Detektorzuschauer empfangen wird. Der durch den Kreis gekennzeichnete Ort zeigt, dass die Strahlintensität links niedrig ist, während die rechts hoch ist. (b) Intensitätsverteilungskurve. (c) Inneres Schweißen von röhrenförmigen Teilen. Es zeigt, dass der Strahlweg für das interne Schweißen von röhrenförmigen Teilen anwendbar ist.
Abb. 5. Ringstrahlintensitätsverteilung bei f (d, 0) der Fokusebene. (a) Der Ringstrahl, der vom 10 × 10 -mm -Detektorzuschauer empfangen wird. Der durch den Kreis gekennzeichnete Ort zeigt, dass die Strahlintensität links hoch ist, während die rechts niedrig ist. (b) Intensitätsverteilungskurve. (c) Externes Schweißen von röhrenförmigen Teilen. Es zeigt, dass der Strahlweg für das externe Schweißen von Rohrteilen geeignet ist.
Abb. 6. Design des konkav -konvexen parabolischen zylindrischen Integrationsspiegels. (a) Das Pfaddiagramm des Laserstrahls am integrierenden Spiegel zeigt, dass der einfallende Laserstrahl durch den integrierenden Spiegel in die Bereiche 1,2,3 unterteilt und dann auf CD überlagert wird. (b) Integration des Spiegelkonstruktionsschemas.
Abb. 7. (a) gleichmäßiger optisches System des ringförmigen Lasers. Oberfläche 1 repräsentiert einen konischen Spiegel und Oberfläche 2 repräsentiert einen konkav -konvexen parabolischen zylindrischen Integrationsspiegel. (b) der gleichmäßige Ringstrahl, der vom 10 × 10 -mm -Detektorzuschauer empfangen wird. (c) Intensitätsverteilungskurve. Die gestrichelte Kreismarke zeigt, dass die ringförmige Ringbreite in der Nähe eines Rechtecks liegt.
In ähnlicher Weise ist die konvexe parabolische Gleichung PN2 (xn2, Zn2) mit F2 (XF2, ZF2), da der Fokus wie folgt definiert werden kann:
wobei die Punkte A (Xa, Za), C (XC, ZC) und D (XD, ZD) die bekannten Koordinaten sind, und der Wert von ZE in E (XE, ZE) ist gleich Zb+Z12. Kombiniert mit Gl. (9) kann in Gl. (10). Dies kann eine kontinuierliche Glätte an den Übergangspunkten konkaver und konvexer Oberflächen wie B und E sicherstellen und die folgenden Einschränkungen erfüllen:
Ein konkav -konvexer parabolischer zylindrischer Integrationsspiegel wird anhand des obigen Verfahrens erreicht, wie in Abb. 7 (a) gezeigt. Fig. 7 (a) zeigt das optische System der gleichmäßigen ringförmigen Laserstrahl, wobei die Oberfläche 1 einen konischen Spiegel darstellt und die Oberfläche 2 einen konkav -konvexen parabolischen zylindrischen integrierenden Spiegel darstellt. Die vom Detektor beträchtliche Strahlungsintensität ist in Fig. 7 (b) dargestellt. Die Verteilungskurve der ringförmigen Ringbreite liegt in der Nähe eines Rechtecks in Fig. 7 (c). Die Gleichmäßigkeit beträgt mehr als 80%und ihr Wert wird höher sein, wenn die geteilten Regionen zunehmen.
3. Experiment
Die Konstruktionsparameter des optischen Systems sind in Tabelle 1 angegeben, wobei der äußere Durchmesser d 'der fokalen Ebene gleichmäßige ringförmige Laserstrahl 12 mm und der Innendurchmesser d' '6 mm beträgt. Der Durchmesser des einfallenden Strahls ist 2 0 mm und der Radiusgröße r der linken Seite des konkav -konvexen parabolischen Zylinders beträgt 35 mm. Der Arbeitsabstand z1 beträgt 15 0 mm und die Einheitlichkeit der Ringstrahlintensität größer als 85%. Die optischen Systemparameter werden durch MatalB unter Verwendung von Gl. . Die Koordinaten der Punkte C und D sind (3, 0) bzw. (6, 0), und der Drehwinkel θ jedes Parabolspiegels beträgt 4 °.
Abb. 8 (a) zeigt die Kurve des integrierenden Spiegels. Die Breite jedes Bereichs beträgt 2 mm, was viel kleiner als ihre Brennweite ist. Daher wird die Gesamtkurve nicht direkt ein Muster wie Wellen, sondern eine gerade Linie sehen. Punkt G und Punkt J sind benachbarte Punkte an der konkav-konvexen Verbindung. Die Differenz zwischen ihren X -Werten beträgt 2 µm und die Differenz zwischen ihren Z -Werten beträgt 5 µm. Es gibt keinen Sprungpunkt, daher ist die gesamte Kurve glatt. Fig. 8 (b) zeigt die inkrementelle Änderungsrate des Zwerts mit X -Wert in der Kurve. Im konkaven Bereich von Punkt A bis Punkt B steigt die Änderungsrate allmählich. In der konvexen Fläche von Punkt B nach Punkt E nimmt die Änderungsrate allmählich ab, sodass die gesamte Änderungsrate ein offensichtliches zerbrochenes Liniendiagramm ist.
Das Material der Spiegel ist sauerstofffreies Kupfer, und ihre Oberflächen sind rotationssymmetrisch und unter Verwendung der SPDT-Technologie leicht hergestellt, wie in Abb. 9 (a) gezeigt. Der Spitzenfehler des verarbeiteten konischen Spiegels kann unter 1 µm reguliert werden, der Apex -Winkelfehler ist kleiner als 0. 001◦. Im Vergleich zum Glaspolieren dauert es weniger Zeit, um 5 nm Rauheit durch SPDT zu erreichen. Abb. 9 (b) zeigt das optische System mit dem auf den linken weißen Bildschirm fokussierten gleichmäßigen ringförmigen Strahl. Die optischen Halterungen und Komponenten sind alle koaxial, und der Abstand zwischen dem weißen Lichtbildschirm und dem parabolischen Spiegel beträgt 150 mm.
Der weiße Bildschirm wird durch eine CCD -Kamera mit einer Zieloberfläche von 2/3 Zoll und einer Pixelgröße von 4,5 µm ersetzt. Der von der Detektoroberfläche empfangene ringförmige Laserstrahl ist in Fig. 10 (a) dargestellt. Aufgrund der externen Lichtquelle und des Belichtungsrauschens gibt es Flecken und streunende Licht, die den ringförmigen Strahl umgeben. Die Kurve der Intensitätsverteilung ist in Fig. 10 (b) dargestellt. Die ringförmige Laserstrahlbreite nimmt 686 Pixel ein, die 3,09 mm entsprechen, und der Fehler beträgt 3% im Vergleich zum theoretischen Wert. Die mittlere Intensität der Kurve beträgt 222,4 mit m2. Die Intensität des hochenergetischen Punktes beträgt 230,6 W/ m2, während die Intensität des niedrigen Energiespunkts 205,3 W/ m2 beträgt. Die Gleichmäßigkeit σ ist wie folgt:
4. Schlussfolgerungen
In dieser Studie ist ein optisches System zur Erzeugung von Ringstrahlen unter Verwendung eines konischen Spiegels und eines parabolischen zylindrischen Spiegels entwickelt. Die Rotationsgleichung des parabolischen zylindrischen Spiegels wird abgeleitet, um die Designfreiheit zu verbessern. Der konkav -konvexe parabolische zylindrische Integrationsspiegel ist auf der Grundlage der Prinzipien der Oberflächenabteilung und der Strahl -Superposition konzipiert. Infolgedessen kann diese Methode einen Ringstrahl unter Verwendung einer minimalen Anzahl von Spiegeln konstruieren. Die Gleichmäßigkeit der Strahlintensität wurde ebenfalls verbessert und erfüllt die Anwendungsfelder mit höherer Präzision. Das experimentelle Ergebnis zeigt, dass der Durchmesserfehler des ringförmigen Strahls weniger als 3%beträgt und die Gleichmäßigkeit von 89%beträgt.
Abb. 8. (A) Die Kurve des integrierenden Spiegels. Konkave Bereiche werden durch blaue Linien und konvexe Bereiche nach roten Linien angezeigt. Die Flächenbreite ist viel kleiner als die Brennweite, sodass die gesamte Kurve wie eine gerade Linie aussieht. (b) Inkrementelle Änderungsrate des Zwerts mit X -Wert in der Kurve.
Abb. 9. Experimentelles optisches System. (a) Konischer Spiegel und konkav -konvexer parabolischer zylindrischer Integrationsspiegel. (b) Experimentelle Geräte für Ringlaserstrahl.
Abb. 10. (a) Ringular -Laserstrahl auf der Detektoroberfläche von CCD. (b) Intensitätsverteilungskurve. Die Intensität des Hochenergiepunkts beträgt 230,6 W/m2, während die Intensität des niedrigen Energiespunkts 205,3 W/m2 beträgt, beträgt der Unterschied nur 25 W/m2.
Finanzierung
National Natural Science Foundation in China (NSFC) (61875145, 11804243); Naturwissenschaft. Die Jiangsu-Schlüsseldisziplinen des vierzehnten Fünfjahresplans (Zuschuss Nr. 2021135). Natural Science Foundation der Jiangsu Higher Education Institutions in China (17KJA140001); Das Jiangsu Provinz Key Laboratory (KJS1710). Suzhou Branchenprospekt und wichtiges Kerntechnologieprojekt (SYC2022145).
Erklärung des konkurrierenden Interesses
Die Autoren erklären, dass sie keine konkurrierenden finanziellen Interessen oder persönlichen Beziehungen bekannten, die die in diesem Artikel gemeldeten Arbeiten hätten zu beeinflussen könnten.
Datenverfügbarkeit
Für die im Artikel beschriebenen Forschung wurden keine Daten verwendet.
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