Лазерные оптические системы

Содержание 1. Общая классификация лазерных оптических систем 2. Характеризация лазерного пучка, как инструмента для обработки (размер пучка и кривизна волнового фронта) 3. Системы формирования и транспортировки лазерного пучка, способы преобразования амплитуды, фазы, поляризации и профиля интенсивности лазерных пучков 4. Позиционирование зоны обработки в пространстве 5. Статические и динамические оптические системы 6. Принципиальные схемы и применение на практике 2 Лазерный источник Лазерный комплекс Инструмент для обработки материалов 3 Лазерные оптические системы Лазерный комплекс Источник излучения Параметры лазерного пучка Внутренние системы Резонатор Блок управления лазером Внешние системы Система формирования и Фокусирующая оптика транспортировки Коллиматор пучка излучения Поляризационная оптика Система позиционирования зоны обработки Амплитудные и фазовые преобразователи Координатный стол Автоматизированная система управления (АСУ) Зеркальная система Система визуализации и контроля (обратная связь)                Длина волны (активная среда) Размер пучка на выходном окне лазера Расходимость (кривизна волнового фронта) Качество пучка или М2 – фактор Профиль интенсивности (амплитуда и фаза э/м волны) Поляризация (вектор напряженности эл. поля) Мощность излучения / энергия в импульсе Длительность импульса / continuous wave (CW) Частота следования импульсов Размер перетяжки пучка (пиковая интенсивность) Размер и форма лазерного пятна (ном. интенсивность) Скорость перемещения зоны обработки Поле обработки, рабочее пространство Инерционность (ускорение/торможение) Энергетическая и пространственная стабильность 4 Система формирования и транспортировки пучка излучения 1. Рефракционные (преломляющие) элементы сферические, цилиндрические, асферические линзы, объективы, F-theta линзы, телецентрические объективы Лазерное пятно Рефракционные оптические элементы формируют новую:  кривизну волнового фронта, расходимость пучка  перетяжку пучка и размер лазерного пятна в зоне обработки Фаза лазерного пучка изменяется одинаково по всему профилю. Форма волнового фронта получается путем наложения на исходный пучок кривизны поверхности оптического элемента. Поляризация, профиль и качество пучка остаются без изменения. Аберрации приводят к уширению лазерного пучка. 5 Система формирования и транспортировки пучка излучения 2. Зеркальные (отражающие) системы сферические, эллиптические и параболические зеркала, зеркальные объективы Concave Spherical Mirrors Aluminum on BK7 Зеркальные оптические элементы:  формируют новую кривизну волнового фронта, расходимость пучка  создают новую перетяжку пучка и размер лазерного пятна в зоне обработки  ломают оптическую ось, направляя пучок излучения через фокус зеркала Перетяжка лазерного пучка формируется в отраженной волне. 6 Система формирования и транспортировки пучка излучения 3. Поляризационные элементы (размещаются перед фокусирующими системами) пленочные и голографические; призмы; окно Брюстера; клинья; λ, λ/2 и λ/4 пластины Призма Глана Плавленый кварц Окно Брюстера λ/4 призма Глана-Тейлора призма Глана-Томсона λ/2 призма Волластона Материал: Кальцит, α -BBO решеточные поляризаторы λ/4 and λ/2 Fresnel Rhomb Retarders 7 Полуволновая пластина (λ/2 фазовая пластина) Применяется для изменения направления линейной поляризации лазерного пучка. Когда ось кристалла выровнена параллельно с направлением поляризации падающего пучка, поляризация выходного излучения будет сохранять то же направление. Когда ось кристалла волновой пластины повернута на θ от направления поляризации падающего пучка, поляризация выходного излучения также повернется на 2θ от направления поляризации падающего пучка. Согласно данному свойству, направление линейной поляризации вращается в зависимости от вращения полуволновой пластины. Когда направление поляризации пластины поворачивается на 90°, коэффициент затухания линейной поляризации слегка ухудшается из-за ошибки запаздывания. По этой причине для точного измерения поляризации рекомендуется установить поляризатор рядом с полуволновой пластиной. Используется при выравнивании в одном и том же направлении поляризации P и S поляризованного света, который разделяется при помощи поляризационного светоделителя PBS. 8 Четвертьволновая пластина (λ/4 фазовая пластина) Оптический изолятор поляризатор λ/4 пластина Поляризационный зеркало интерферометр Используется для преобразования линейной поляризации в круговую или в различные виды эллиптической поляризации, а также для поляризационных измерений и предотвращения обратного отражения (оптический изолятор). Свет проходит через четвертьволновую пластинку дважды: при прохождении и отражении. Поскольку круговая поляризация не меняет своего направления вращения при зеркальном отражении, замедление на 180 градусов получается из величины разности фаз, из-за двойного прохождения через четвертьволновую пластину. При полученном запаздывании направление поляризации зеркального отражения, которое проходит четвертьволновую пластину, поворачивается на 90 градусов относительно направления падающей волны. 9 Система формирования и транспортировки пучка излучения 4. Дифракционные элементы, диафрагмы (ирисовые / обычные) амплитудные, фазовые и а-ф маски, массивы микрооптических элементов, аксиконы Phase Echelle Microlens Array Pattern Engineered Diffuser (Shaping) Ruled Holographic Diffraction Gratings Axicons (Bessel beams)  изменение фазы (когерентность) и амплитуды в сечении пучка, в т.ч. получение кольцевых (annular beam) и вихревых (vortex beam) пучков (фазовые задерживатели, спиральные фазовые пластины)  коррекция профиля интенсивности в пучке, в т.ч. его сглаживание (shaping) и ограничение (diaphragm)  изменение расходимости и качества пучка  расщепление пучка на несколько независимых пучков (дифракционные решетки) 10 Система формирования и транспортировки пучка излучения 5. Волоконные и волноводные системы (волоконно-оптические лазерные системы) вывод-ввод излучения в коллиматор, торцевые микрооптические элементы для стыковки волокон и повышения эффективности передачи энергии Моделирование вывода излучения из торцевых линз (а) и фотографии торцевых компонентов (б) дуговая форма сферическая форма эллиптическая форма а) б) Одиночные волноводы, периодические волноводы (решетки Брега), волноводные расщепители и соединители пучков, интерферометры (Маха-Цендера) и т.д. 11 Система формирования и транспортировки пучка излучения 6. Электро-, магнито-, акустооптические элементы (дефлекторы, затворы – ячейки Покельса и Фарадея) Дефлекторы – устройства, отклоняющие лазерный пучок за счет изменения показателя преломления при приложении к кристаллу акустического (кристаллический кварц) или электрического сигнала. Дефлекторы позволяют осуществлять точное управление положением пучка в плоскости, однако, такие отклонения весьма ограничены. ячейка Поккельса Optical Isolator Tutorial 12 Система формирования и транспортировки пучка излучения 7. Фазово-поляризационные модуляторы на жидких кристаллах Liquid Crystal Retarder A liquid crystal variable retarder (LCR) consists of a transparent cell filled with a solution of Liquid Crystal (LC) molecules. Two parallel faces of the cell wall are coated with a transparent conductive film so that a voltage can be applied across the cell. The orientation of the LC molecules is determined by the alignment layer in the absence of an applied voltage. By applying an AC voltage across the cell, the LC molecules can be rotated. Hence, the phase offset in a linearly polarized beam of light can be actively controlled by varying the applied voltage. 13 Система формирования и транспортировки пучка излучения 8. Зеркальные и рефракционные элементы для разделения и транспортировки излучения плоские зеркала, диэлектрические пленки (дихроичные), пластины и клинья, призмы, уголковые отражатели Flat & Concave Metal Coated Mirrors Metal Mirrors: Aluminum, Silver, Gold Coatings on Fused Silica / BK7 Dichroic Mirror/Beamsplitters Broadband Mirrors R>99% / Dielectric Mirrors Hot and Cold Mirrors Оптические элементы призваны: Right Angle Prism Mirrors  ломать оптическую ось пучка, сохраняя все его пространственные характеристики  разделять / совмещать / отрезать лазерные пучки различных длин волн  транспортировать (динамическая оптика) и транслировать (статическая оптика) пучки от лазера до фокусирующей системы14 Лазерное излучение – инструмент обработки Оптическая система обеспечивает:  достаточную для обработки материала плотность мощности / энергии в зоне обработки (фокусировка или концентрация энергии в лазерное пятно на обрабатываемой поверхности);  необходимые для качественной обработки форму и профиль (диафрагмирование пучка, амплитудно-фазовое преобразование); интенсивности  направленность распространения и локализацию энергии в зоне обработки (коллимация или коррекция расходимости пучка / формы волнового фронта, обработка в расходящемся / сходящемся пучке, в центре перетяжки);  заданную поляризацию (ориентация вектора напряженности электрического поля);  доставку энергии лазерного излучения в зону обработки с минимальными потерями энергии и качества;  перемещение лазерного пятна в плоскости обработки со скоростью и ускорением, достаточными для реализации технологического процесса. 15 Система позиционирования зоны обработки Важные параметры:  Отклонения размера и качества пучка в пространстве  Производительность обработки (в т.ч. скорость)  Инерционность системы  Люфт при реверсе  Поле обработки  Рабочее пространство  Локализация зоны обработки (в плоскости, по глубине) Системы Зеркальные / Отражающие Механизированные Прямолинейные Плоттеры Портальные системы Координатные столы Поворотные Отклоняющие Гальвано-сканеры Дефлекторы Платформы с углом качения Ротационные Полигоны Дисковые Угловые отражатели, призмы Цилиндрические Криволинейные Волоконные оптические системы (манипулятор) Манипуляторы Роботы Лазерный пучок Обрабатываемый материал Перемещение Оптика Динамическая Статическая Механизированные системы оснащаются шаговыми, на постоянном токе или серво двигателями (передача механическая). Более высокая точность достигается на индукционных системах (с магнитной подушкой). Оптическая система статична, следовательно, отклонения размера и качества пучка в пространстве минимальны. Локализация зоны обработки может достигать дифракционного предела с использованием высоко апертурных объективов. Зеркальные системы обладают меньшей инерционностью и, следовательно, способны развивать большую скорость сканирования при высоких ускорениях/торможениях, люфт при реверсе также минимален. Локализация зоны обработки зависит от конструкции оптической системы, которая часто уступает статическим системам. 16