衍射光學(xué)元件用于卷煙在線激光打孔中問題的研究

王 川，劉曙光，李入作，楊世晗，孫博文

(江蘇中煙工業(yè)有限責(zé)任公司南京卷煙廠，江蘇 南京 210019)

在煙支水松紙上設(shè)計(jì)N排煙氣稀釋孔，是降低焦油量的有效手段。相較于離線打孔，在線打孔可有效提高設(shè)備運(yùn)行效率、穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量。在線激光打孔技術(shù)具有孔型齊、通風(fēng)度穩(wěn)、生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)[1]，能夠有效保證打孔質(zhì)量。該技術(shù)在煙草行業(yè)乃至輕工行業(yè)均處于領(lǐng)先地位，因此對(duì)于應(yīng)用該技術(shù)出現(xiàn)的問題,鮮有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)借鑒，更乏理論研究參考。

GD121A型卷煙機(jī)組使用的在線激光打孔機(jī)選擇衍射光學(xué)元件(diffractive optical element，DOE)作為聚焦鏡片，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)雙排打孔。衍射光學(xué)元件是一種發(fā)展迅速的新型光學(xué)元件，能夠形成多個(gè)衍射級(jí)次[2]，是現(xiàn)代光學(xué)中的研究熱點(diǎn)。其理論基礎(chǔ)是20世紀(jì)80年代中期提出的二元光學(xué)理論，該理論的提出為消除色差、球差等像差提供了新的發(fā)展思路[3-4]。受限于衍射效率不高、加工難度大等問題，衍射光學(xué)元件的應(yīng)用一直受限。近年來隨著衍射光柵技術(shù)[5]、全息術(shù)[6]、傅里葉光學(xué)[7]和計(jì)算全息[8]等技術(shù)的發(fā)展，衍射光學(xué)理論不斷發(fā)展，對(duì)衍射光學(xué)元件的研究也已達(dá)到實(shí)用化水平。與理論研究一派繁榮形成鮮明對(duì)比的是寥寥無幾的應(yīng)用研究，甚少有文獻(xiàn)從使用者的角度探討該類元件存在的問題及其解決方法。

在實(shí)際卷煙生產(chǎn)過程中，發(fā)現(xiàn)GD121A型機(jī)組煙支水松紙表面有肉眼可見的無用灼燒痕跡，導(dǎo)致卷煙通風(fēng)度穩(wěn)定性較差。為提升產(chǎn)品質(zhì)量，優(yōu)化衍射光學(xué)元件的工作模式，本文基于衍射光學(xué)元件的工作原理，分析了衍射光學(xué)元件應(yīng)用于在線激光打孔設(shè)備時(shí)存在的問題，設(shè)計(jì)了應(yīng)對(duì)方案，同時(shí)推導(dǎo)出了一組可用于消除打孔光束外的其他級(jí)次衍射光束能量不等式，以期提高煙支激光打孔效果以及通風(fēng)度的穩(wěn)定性。

1 衍射光學(xué)元件用于在線激光打孔存在問題的分析

1.1 衍射光學(xué)元件工作原理研究

早期的衍射光學(xué)元件使用平面光柵，0級(jí)衍射光為主極大。后發(fā)展為使用閃耀光柵，其能讓能量轉(zhuǎn)移，按需使任一級(jí)衍射光成為主極大，這一特性大大擴(kuò)展了衍射光學(xué)元件的應(yīng)用范圍及使用頻率。目前衍射光學(xué)元件表面多為二元結(jié)構(gòu)，使用編碼技術(shù)，能夠在傳統(tǒng)的折射透鏡表面刻蝕兩個(gè)或多個(gè)臺(tái)階甚至連續(xù)形狀的浮雕結(jié)構(gòu)，形成衍射相位面，可制備折衍混合透鏡。折衍混合透鏡擁有多級(jí)主極大以及具備多個(gè)衍射焦點(diǎn)的特性使其能夠應(yīng)用在諸多場合，并在特定場合已經(jīng)完全取代傳統(tǒng)鏡片。

以GD121A所用鏡片為例。該鏡片為一維光束分離鏡，是衍射光學(xué)元件的一種，屬于折衍混合透鏡。其表面為二元結(jié)構(gòu)，能將單個(gè)激光束分裂成若干衍射光束，形成一維光束陣列(1×N)。當(dāng)特定波長的光束通過鏡片后，偶數(shù)級(jí)衍射光因光干涉完全消弭，僅有奇數(shù)級(jí)衍射光(圖1(a))射出，其中±1級(jí)衍射光線為主極大(圖1(b))，形成雙焦點(diǎn)。其他衍射級(jí)次被消除，可實(shí)現(xiàn)在線雙排打孔。

圖1 光束通過雙焦點(diǎn)鏡片后的衍射情況與各級(jí)能量分布示意圖

1.2 衍射光學(xué)元件對(duì)打孔質(zhì)量影響分析

煙支通風(fēng)度標(biāo)準(zhǔn)差設(shè)計(jì)值為2.0%，在卷煙生產(chǎn)中，統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象設(shè)備產(chǎn)品通風(fēng)度標(biāo)準(zhǔn)差發(fā)現(xiàn)(表1)，各設(shè)備檢測平均值均超過工藝指標(biāo)，且水松紙上非打孔位置有明顯灼燒痕跡，導(dǎo)致產(chǎn)品外觀無法達(dá)到要求。

表1 產(chǎn)品通風(fēng)度標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計(jì)表 %

分析衍射光學(xué)元件可知，當(dāng)激光束通過一維光束分離鏡后，消雜光光闌遮蔽其他衍射級(jí)次光束，±1級(jí)主極大光束作用于卷煙水松紙表面，形成小孔。消雜光光闌位置以及孔徑設(shè)計(jì)不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致兩種情形發(fā)生:1)光闌漏光，其他級(jí)次衍射光透過光闌在水松紙上留下灼燒痕跡，影響外觀質(zhì)量；2)光闌干擾主光，導(dǎo)致主光能量降低，只留有灼燒痕跡，沒有形成通風(fēng)孔，降低煙支通風(fēng)度的穩(wěn)定性[9]。如圖2所示。

圖2 消雜光光闌設(shè)計(jì)情況對(duì)打孔質(zhì)量的影響示意圖

繪制各級(jí)次衍射光光束剖面圖[10]，如圖3所示：圖中G、F、C、D分別為-3、-1、+1、+3級(jí)衍射光焦點(diǎn)，這4點(diǎn)處于同一水平線且與x軸的距離等于鏡片焦距；線段AB代表入射光直徑；θ1,θ2分別為±1級(jí)、±3級(jí)衍射光衍射角；E為±1級(jí)、±3級(jí)衍射光線的交點(diǎn)。由圖可知，光闌的位置應(yīng)該處于E點(diǎn)之上、焦點(diǎn)之下，漏光孔開度應(yīng)處于線段BC、AF外側(cè)及線段AD、BG內(nèi)側(cè)。

圖3 射出光束剖面圖

根據(jù)推算，消雜光光闌的設(shè)計(jì)需滿足如下不等式組：

(1)

式中：k為光闌與鏡片距離；f為鏡片焦距；t為消雜光光闌通光孔徑；c為入射光直徑。

根據(jù)式(1)，計(jì)算得出光闌與鏡片理論距離應(yīng)該在31～120 mm，目前光闌位于鏡片29 mm處，不滿足式(1)確定的范圍，導(dǎo)致±1級(jí)衍射光被干擾的同時(shí)存在雜光漏過的現(xiàn)象，打孔質(zhì)量較差。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施

在無法改變現(xiàn)有設(shè)備主體結(jié)構(gòu)的情況下，本文制定了兩套實(shí)驗(yàn)方案。方案一：使用高性能折衍混合鏡片，保證激光束通過鏡片后僅有±1級(jí)衍射光而無其他級(jí)次衍射光。方案二：根據(jù)現(xiàn)有鏡片參數(shù)和元件結(jié)構(gòu)重新計(jì)算、設(shè)計(jì)、安裝消雜光光闌。

2.1 方案一的實(shí)施

Holo/or公司提供了一種高性能鏡片，射出光束中，±1級(jí)主極大，其他各級(jí)能量接近零，其衍射能量理論分布圖如圖4所示。從能量分布情況分析，該鏡片僅有±1級(jí)衍射光射出，無雜光，可準(zhǔn)確在卷煙水松紙上打出兩排通風(fēng)孔，但±1級(jí)能量值斜率較目前GD121A使用的鏡片稍小，打孔圓度可能會(huì)有微小下降。

圖4 高性能鏡片衍射能量理論分布圖

2.2 方案一效果驗(yàn)證

使用該鏡片后，可打出兩排通風(fēng)孔，沒有其他灼燒痕跡，顯微鏡下顯示通風(fēng)孔形狀為水滴狀，水滴尖角彼此相對(duì)(圖5(a)),且尖角長度隨入射激光能量增加而增加，形成直線狀灼燒痕跡。經(jīng)測量，其±1級(jí)衍射光間的斜率有變化，±1級(jí)衍射光能量在0級(jí)位置疊加(圖5(b))，導(dǎo)致通風(fēng)孔形狀變化，產(chǎn)生多余的灼燒痕跡，不符合煙支通風(fēng)孔的外觀要求，形成外觀缺陷。

圖5 使用高性能鏡片設(shè)備所產(chǎn)煙支打孔情況及衍射能量分布圖

2.3 方案二的實(shí)施

根據(jù)式(1)，計(jì)算得光闌與鏡片距離k應(yīng)該在31～120 mm，將現(xiàn)有光闌向著遠(yuǎn)離鏡片方向移動(dòng)2 mm，使光闌與鏡片距離達(dá)到31 mm，重新設(shè)計(jì)消雜光光闌的安裝位置。

光闌組件由光闌固定件與消雜光光闌組成，如圖6左所示。消雜光光闌共有4處鏤空,如圖6右所示，其中鏤空A是固定孔，將光闌固定于組件內(nèi)部；鏤空B、C是定位孔，通過定位銷確保光闌位置居中；鏤空D是通光孔。

圖6 光闌組件安裝圖與消雜光光闌俯視圖

重新設(shè)計(jì)光闌，新舊固定件正視圖對(duì)比圖如圖7所示。由圖6左可知，整體外移光闌組件，激光打孔裝置的外徑增加，會(huì)與其他部件發(fā)生碰撞、摩擦；由圖6左、圖7左可知，在固定件內(nèi)部,如通過削薄上部結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)光闌上移，會(huì)導(dǎo)致固定件支撐力不足，發(fā)生斷裂。

根據(jù)以上分析，重新設(shè)計(jì)光闌固定件：在固定件頂部，加工上部凹槽，將消雜光光闌固定在上部凹槽中，使光闌位置向焦點(diǎn)端移動(dòng)2 mm(圖7右)，向下增加凹槽厚度，確保光闌固定件牢固，固定孔與定位孔位置無變化。取新的光闌位置根據(jù)式(1)計(jì)算通光孔徑t可行域?yàn)?8.3～18.8 mm，考慮加工誤差，通光孔徑尺寸為t=18.5 mm。

圖7 新舊固定件正視圖對(duì)比圖

2.4 方案二效果驗(yàn)證

使用新光闌組件后，煙支通風(fēng)孔外觀符合打孔圓度質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，無其他可見灼燒痕跡，如圖8所示。

持續(xù)記錄煙支通風(fēng)度標(biāo)準(zhǔn)差，見表2，實(shí)驗(yàn)設(shè)備與對(duì)照設(shè)備通風(fēng)度標(biāo)準(zhǔn)差平均值均低于2.0%，即優(yōu)于工藝設(shè)計(jì)值，通風(fēng)度標(biāo)準(zhǔn)差合格且能夠保持穩(wěn)定[11]。

表2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與對(duì)照設(shè)備通風(fēng)度標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計(jì)表 %

3 結(jié)論

本文以GD121A在線打孔激光器為例，對(duì)激光器衍射光學(xué)元件的工作原理進(jìn)行研究，推導(dǎo)出消雜光光闌與鏡片距離、鏡片焦距、光闌通光孔孔徑、±1級(jí)衍射光衍射角等主要參數(shù)的數(shù)學(xué)關(guān)系，依據(jù)數(shù)學(xué)關(guān)系，計(jì)算得出消雜光光闌與鏡片距離k應(yīng)為31～120 mm，通光孔孔徑t可行域應(yīng)為18.3～18.8 mm。據(jù)此重新設(shè)計(jì)了消雜光光闌固定件結(jié)構(gòu)、通光孔孔徑，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：卷煙水松紙通風(fēng)孔整潔均勻，無其他灼燒痕跡，打孔質(zhì)量符合外觀要求，煙支通風(fēng)度偏差均低于2.0%，滿足工藝值要求，有效提高了煙支產(chǎn)品質(zhì)量。