多棱鏡激光掃描非球面透鏡聚焦系統(tǒng)研究

姚紅兵，李亞茹，高 原，于文龍

(江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

當(dāng)今打孔行業(yè)對孔的尺寸大小、孔的形狀要求越來越高，而打出規(guī)則的小尺寸圓孔又比較困難，傳統(tǒng)的微孔加工工藝難以滿足加工的特殊要求。激光打孔是最早達(dá)到實(shí)用化的激光加工技術(shù)，也是激光加工的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一。激光打孔不與工件直接接觸且加工時間短，消除了常規(guī)機(jī)械穿孔帶來的殘渣，也不存在工具損耗，對被加工材料的氧化、變形、熱影響均較小，無需特別保護(hù)［1］。目前國內(nèi)外已有多種打孔機(jī)［2］，激光打孔機(jī)可與計算機(jī)控制連接，實(shí)現(xiàn)光機(jī)電一體化，自動化打孔?；诩庸み^程的各種優(yōu)勢，激光加工技術(shù)和激光加工設(shè)備已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、科研和醫(yī)學(xué)、加工作業(yè)等領(lǐng)域［3－4］。

光學(xué)系統(tǒng)部分是激光打孔設(shè)備的重要組成部分。光學(xué)系統(tǒng)在激光打孔系統(tǒng)中的主要作用是將從激光器輸出窗口的激光束引導(dǎo)至加工工件表面，并在加工部位獲得所需的光斑形狀、尺寸及功率密度。光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計影響激光打孔機(jī)的加工難度，光束的質(zhì)量和聚焦光斑的形狀進(jìn)而影響激光打孔機(jī)的性能。普通透鏡進(jìn)行激光掃描時，由于非線性效應(yīng)當(dāng)激光經(jīng)過透鏡時，會出現(xiàn)脈沖展寬、波前畸變的情況，而非球面鏡則可通過改變鏡面參數(shù)避免激光在透鏡介質(zhì)中產(chǎn)生以上情況。本文在現(xiàn)有激光打孔技術(shù)的基礎(chǔ)上通過設(shè)計非球面透鏡達(dá)到提高光束質(zhì)量調(diào)整光斑形狀，從而提高打孔質(zhì)量的目的。

1 激光打孔的系統(tǒng)方案

系統(tǒng)選用連續(xù)CO2 激光器，激光器發(fā)出的連續(xù)光調(diào)制器入射在多棱鏡其中一個表面上，多棱鏡在旋轉(zhuǎn)過程中反射的激光依次掃入聚焦透鏡中，激光束經(jīng)聚焦透鏡聚焦在卷煙紙上打出一系列透氣孔。激光打孔系統(tǒng)如圖1 所示，包括激光器，光調(diào)制器，激光聚焦系統(tǒng)和多棱鏡分光系統(tǒng)。

圖1 激光打孔系統(tǒng)示意圖

激光打孔系統(tǒng)中有兩個關(guān)鍵組成部分，一個是掃描器用來實(shí)現(xiàn)光束的空間掃描，另一個是聚焦物鏡用來對光束聚焦。旋轉(zhuǎn)多棱鏡掃描示意圖，如圖2 所示，由于其掃描速度快、掃描角度大、回掃快和速度穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，正成為目前較為常用的光束掃描器。旋轉(zhuǎn)多面體每一個面都為反射面，面數(shù)可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要而定。掃描器在電機(jī)帶動下旋轉(zhuǎn)，掃描后的光束以不同的角度入射到聚焦透鏡，在透鏡的焦平面上形成規(guī)則的掃描像。聚焦物鏡的設(shè)計直接決定最終聚焦光斑的形狀，要實(shí)現(xiàn)透鏡在聚焦并對光束整形，需要對傳統(tǒng)光束整形方法進(jìn)行改進(jìn)，還要考慮所設(shè)計透鏡應(yīng)用到生產(chǎn)中的可行性。實(shí)際生產(chǎn)中對掃描器和聚焦透鏡的要求嚴(yán)格，掃描器反射面的平面度要一致，聚焦透鏡需要大視場小孔徑具有像方遠(yuǎn)心光路的線性成像物鏡［5］。

圖2 旋轉(zhuǎn)多棱鏡掃描示意圖

2 聚焦系統(tǒng)特性

光束質(zhì)量影響激光器的應(yīng)用水平和打孔質(zhì)量，激光束的空間整形通常借助于外加的光束整形系統(tǒng)［6］。隨著MRF(Magneto Rheological Figuring)［7］技術(shù)的日益成熟，光學(xué)材料工件表面能在較短時間內(nèi)得到亞納米級的表面粗糙度，且加工價格更為合理，加工精度也基本能滿足實(shí)際使用要求，為利用非球面鏡實(shí)現(xiàn)激光束整形提供了基本條件［8］。由于雙膠合球面鏡加工困難而且會影響輸出光束的質(zhì)量，單片球面鏡更適合文中的聚焦系統(tǒng)。

2.1 透鏡前掃描

根據(jù)掃描器和聚焦透鏡擺放位置的不同，文中分為透鏡前掃描和透鏡后掃描，雖透鏡前掃描設(shè)計困難但其他問題的處理簡單，而且能滿足高要求的打孔需要這里采用透鏡前掃描如圖3 所示。

圖3 透鏡前掃描示意圖

像面上的理想像高y'與掃描角θ 的線性關(guān)系為

一般光學(xué)系統(tǒng)的理想像高為

此時理想像高y'與掃描角θ 不是線性關(guān)系。為保證對以等角速度偏轉(zhuǎn)的入射光束在焦面上實(shí)現(xiàn)線性掃描，應(yīng)使聚焦透鏡產(chǎn)生一定的負(fù)畸變，對應(yīng)畸變量

其中，L 為掃描像點(diǎn)排列的長度;θ 是掃描角?？煽闯鰭呙栝L度L 一定時，f'與θ 呈反比關(guān)系，f'很小時光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計比較復(fù)雜，加工制造成本也會增大［9］。

2.2 光斑大小的計算

聚焦系統(tǒng)的焦距決定光斑的位置和大小。為使光斑更小，選擇短焦系統(tǒng)。且透鏡孔徑要超過與透鏡截面重合處的光束直徑以便充分利用能量。綜上所述聚焦透鏡要求焦距較小、相對孔徑較大。由于激光束腰處的光能量密度最大，所以聚焦后的光斑就是變換后的激光束腰。因此，聚焦系統(tǒng)的物象變換關(guān)系就是初始激光束腰和最終激光束腰之間的變換。

激光束腰的放大率公式

其中，z0為共焦參數(shù);W0和W'0分別是初始和最終的光束束腰直徑。l 為束腰到主面的距離。由以上公式可根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際要求確定聚焦系統(tǒng)的外形尺寸和光斑大小。

當(dāng)被聚焦的光斑尺寸很小，光束受到物鏡孔徑的限制，衍射和像差會導(dǎo)致光斑尺寸變大。光斑實(shí)際尺寸公式［10］

其中，D 為物鏡的孔徑;Km為模系數(shù);K 為孔徑形狀及光束中強(qiáng)度分布形式的系數(shù);ΔW'為束腰面內(nèi)物鏡的橫向球差。

2.3 透鏡的設(shè)計

聚焦系統(tǒng)的焦距決定光斑的位置和大小，短焦系統(tǒng)可使光斑更小，且透鏡孔徑要超過與透鏡截面重合處的光束直徑以便充分利用能量。綜上兩點(diǎn)，聚焦透鏡要求焦距較小、相對孔徑較大。在透鏡設(shè)計過程中，利用透鏡的前后兩個面代替透鏡組的前后兩個透鏡，光線在透鏡內(nèi)只折射兩次，相比透鏡組激光能量損失較小。非球面透鏡的初始結(jié)構(gòu)參數(shù)由正弦差和球差最小選取，用等光程原理求解非球面參數(shù)。由于光線經(jīng)過第一個表面時發(fā)生折射且偏折角度較大，為保證聚焦效果，文中設(shè)計的非球面透鏡比普通透鏡厚。

聚焦物鏡的焦距應(yīng)滿足

其中，x 為物距，由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選定。

當(dāng)焦距不符合要求時可用下式修正

其中，f'、L 是修正前的焦距和工作距離;f'*、L*是符合要求的焦距和修正后的工作距離。

光線在焦平面前后的傳播特點(diǎn)決定了材料破壞的不同性質(zhì)，離焦量的控制對孔深和形狀有重要影響。過分的入焦或離焦均將使被加工點(diǎn)的能量密度大幅下降，使孔壁產(chǎn)生強(qiáng)烈的熔化，影響打孔質(zhì)量。當(dāng)其它激光輸出參數(shù)保持不變時焦點(diǎn)處在材料的上表面，孔的入口直徑最小［11］。

3 結(jié)果分析與優(yōu)化

為能達(dá)到較為理想的效果，聚焦透鏡的焦距不宜過大。文中選取的普通聚焦透鏡焦距為20 ～30 mm，聚焦透鏡的直徑為7 ～10 mm，兩種透鏡均選取熱吸收系數(shù)相對較小的ZnSe 材料。非球面透鏡的部分面參數(shù)如圖4 所示。

圖4 聚焦非球面透鏡面參數(shù)

將透鏡導(dǎo)入到軟件中進(jìn)行仿真，通過合理選擇輸出光束、控制旋轉(zhuǎn)棱鏡轉(zhuǎn)速和選擇合適透鏡位置對比前后光斑的形狀和尺寸。設(shè)置表面光源的參數(shù):輻照度108 W/m2，光線波長10.6 m，總光通量18 584 W，總光線數(shù)500。優(yōu)化后聚焦透鏡鏡和非球面透鏡對于打孔面的被吸收光通量對比圖如圖5 所示。

圖5 普通聚焦透鏡對于打孔面的被吸收光通量(Y、Z 軸代表光斑在加工工件表面的位置和大小，單位mm)

圖6 非球面鏡對于打孔面的被吸收光通量(Y、Z 軸代表光斑在加工工件表面的位置和大小，單位mm)

圖5 為聚焦透鏡為普通球面鏡時對打孔面被吸收光通量圖，可看出掃描光斑呈不規(guī)則橢圓形，且圓斑光強(qiáng)分布不均，這是軸外像差和掃描速度失真影響引起的綜合效應(yīng)。掃描過程焦點(diǎn)軌跡為一條直線，橢圓的形狀和掃描角有一定的關(guān)系。在掃描角較大的地方要使光束直徑有理想的衍射聚焦，需要在設(shè)計和優(yōu)化方面作出改進(jìn)。

從改進(jìn)后的圖5 和圖6 對比可看到:優(yōu)化前光斑在接收板(Y，Z)坐標(biāo)軸內(nèi)和Z、Y 軸平行并和光斑邊緣相切的4 條切線的交點(diǎn)的坐標(biāo)為(108.353，－0.947)(108.353，1.228)(110.864，－0.947)(110.864，1.228)，可計算出光斑在Y 軸方向光斑寬度為2.511 mm，在Z 軸方向光斑寬度為2.175 mm。由優(yōu)化前的數(shù)據(jù)可看出Y、Z 軸方向的畸變率為14.341%。優(yōu)化后光斑在接收板(Y，Z)坐標(biāo)軸內(nèi)和Z、Y 軸平行并和光斑邊緣相切的4 條切線的交點(diǎn)的坐標(biāo)為(110.224，－0.790)(110.224，0.243)(111.262，－0.790)(111.262，0.243)，可計算出光斑在Y 軸方向光斑寬度為1.038 mm，在Z 軸方向光斑寬度為1.033 mm。由優(yōu)化后的數(shù)據(jù)可看出Y、Z 軸方向的畸變率為0.483%。對比之前的不規(guī)則橢圓狀光斑優(yōu)化后的光斑接近圓形，光斑尺寸變小且光強(qiáng)分布較為均勻，達(dá)到整形目的。

在實(shí)際生產(chǎn)中，光束在打孔的同時旋轉(zhuǎn)多棱鏡在橫向掃描而且工件也在走動，所以作用范圍隨著熱擴(kuò)散在增大，導(dǎo)致激光作用范圍比打孔的直徑大。由于自身限制非球面鏡很難達(dá)到衍射極限的聚焦，但相比之前的焦斑最終焦斑質(zhì)量已大幅提高。

4 結(jié)束語

通過理論分析，所選取單片非球面聚焦透鏡對光束有較好的的聚焦整形作用，有效降低了掃描系統(tǒng)內(nèi)的線性畸變，提高了聚焦光斑的質(zhì)量。激光打孔工藝中，多棱鏡及聚焦透鏡的選擇都對孔質(zhì)量有直接的影響。相比傳統(tǒng)的雙膠合球面鏡，單透鏡筒長短、制作成本降低、使用安裝更加方便。該研究能提高生產(chǎn)質(zhì)量降低生產(chǎn)成本，作為一種先進(jìn)的技術(shù)，多棱鏡掃描非球面聚焦激光打孔系統(tǒng)為工業(yè)生產(chǎn)提供了技術(shù)保障。

［1］ Wang Y L.The laser processing applied field［J］.Applied Laser，2005，25(5):329－330.

［2］ Salontis K，Stournaras A.A theoretical and experimental investigation on limitations of pulsed laser drilling［J］.Journal of Materials Processing Technology，2007，183(1):96－103.

［3］ Bolforte D A.The turnaround begins(Economic review and forecast)grobal report of industrial lasers［J］.Industrial Laser Solution，2003，18(1):7－13.

［4］ Haihe J.Development and forecast of the laser processing technology application［J］.Optoelectronic Technology＆Information，2001，14(4):1－12.

［5］ Chen H Q.Modern practical optical system［M］.Wuhan:Huazhong University of Science and Technology Press，2003.

［6］ Pan Y，Cui R，Chen G，et al.Beam－shaping technique for laser diode bars with prism group［J］.Laser Technology，2006，30(4):370－372.

［7］ Golini D，Kordonski W I，Dumas P，et al.Magnetorheological finishing(MRF)in commercial precision optics manufacturing［C］.SPIE's International Symposium on Optical Science，Engineering and Instrumentation，International Society for Optics and Photonics，1999:80－91.

［8］ Li M，Yu X，Pan Y S，et al.Laser beam shaping using single aspheric lens system［J］.Laser＆Infrared，2013，43(9):1002－1006.

［9］ Guan Z Z.Laser processing handbook［M］.Beijing:China Metrology Publishing House，1988.

［10］Ю.М.克利姆科夫.激光光電儀器設(shè)計基礎(chǔ)［M］.王誠華，譯.北京:測繪出版社，1984.

［11］Xin F L.Research on the laser drilling of high quality［D］.Beijing:Beijing University of Technology，2006.