发表时间：2024-02-03 01:49:05 │ 点击数：
激光清洗机 是集激光,光学,机 械,电 子和计算 机等技 术于一体 的光机电 算一体 化设备. 它利用 高 能量密度的激 光束照射工件表 面, 使表面 的污物,锈斑或涂层发生瞬 间蒸发或 剥离, 从而达 到洁净化 的 工艺过程
. 激光清洗技术实用,高效,无损伤,无污染, 在污垢,锈斑,油漆,橡胶,塑料,残留的溶剂
和粘结剂等方面是传统清洗方法所 不及的, 具 有广阔的市场前 景[ 2 -4 ] . 目前, 美,德 等国外先进国家 一般 采用先进的激光清洗模具 . 利用光纤作为 传输大功率激光 的介质表现出优 越的性能, 光纤具有 可绕性 好,孔 径小,损耗低等 优 点, 一方面可 以改善光 场分布, 另一 方面可以 远距离 传输, 给实际的 应用带 来了很大 方便 输出的光聚焦后使用.
输出的激光为 发散光, 光 斑特性通常和它 的数值孔径及纤 芯直径有关, 在许多 清洗的 场合, 需要将光 纤
其后焦点与目 镜焦点重合, 达到 准直的 作用, 在物镜的 设计中, 利用 螺纹实现 物镜的 精密可调, 保证 两
(长春理工大学 光电工程学院, 吉林 长春 130022) 摘 要: 通过对激光清洗机中的出光部分 进行分析, 利 用光纤输出的固体激光器, 设计了一种手持式光学
聚焦系统, 该设备可以通过光学系统来进行调焦, 聚焦光束可以在人手或微机的控制下移动, 实现在较长时 间,较细线宽条件下对工件进行清洗等功能, 尤其可以对某些工件的特殊位置进行清洗, 这是常规方法所不 易实现的. 并提出了一些优化的方案, 为下一步实验奠定了基础. 关键词: 激光清洗机; 光学聚焦系统; N d:Y A G 激光器 T H 744.5 文献标识码: A
激光 清洗技 术的 出现, 开辟 了激 光应 用的 新 领域. 但 是现 阶段 我 国在 激光 清洗 方面 的 应用 还不 完 善, 许 多工作还在实验阶 段. 本文 利用光纤输出的 固体激光器, 研究了手持 式激光 清洗机的 光学会聚 系 统, 并提出了一些优化的方案, 为下一步实验奠定了基础. 参考文献:
设计光学系统的时候, 还需要注意以下几点: 1) 不同的清洗工件 对 1 064 nm 波长的 激光有不同的吸 光系数, 但 都需要有一定的 清洗深度, 这要 求经过光学系统会聚出射的 光能量密度尽可 能地大, 因 此, 光学 系统中使用的光学 元件要能承受高 峰值 功率, 并且加工的工件对激光束的反射率要小, 才不会在工作时损坏光学元件. 2) 光学系统中光学元件通光口径要足够大, 以免有太多的光能量打在光学系统的侧壁上, 造成手持 部分过热, 但是光学系统也不能过大, 以免造成手持部分太大,太重, 不易操作. 3) 清洗时的刻划线宽要细, 以能体现清洗图案的细微部分, 这要对 Y A G 激光 扩束且选用短焦 距透 镜; 但在清洗过程中, 大功率 Y A G 激光对工件的烧蚀,汽化溅射, 会污损聚焦光学元件, 这又要求工作 距离尽量大, 即选取长焦距透镜聚焦. 所以在实际设计过程中要采用最优化的方案. 4) 在 清洗过程 时需要 对不同面 形的工件 以不同 线宽进行 清洗, 这要求 系统中某 些光 学元件 容易 更 换或调节.
文中利用脉冲 风冷固体 N d : Y A G 激光器, 通过光 纤传输 激光, 设计了精 密可调 的聚焦光 学系统, 完成了使用灵 活,性能稳 定的手持式清洗 机的光学系统, 并提出了一 些优化方 案. 这种设备 可以通过 光 学系统来进行 调焦, 聚焦 光束可以在人手 或微机的控制下 移动, 实现 在较长时 间,较细线宽 对工件进 行 清洗等功能, 尤其可以对某些工件的特殊位置进行清洗, 这是常规方法所不易实现的.
手持式激光清 洗机的光学会聚 系统是根据光纤 输出激光的特性 来设计的, 它 由三部分 组成, 如图 1
所示. 预 准直 系 统 1 的 作 用 是 压缩 出 纤 光 束的发 散角, 变换出纤 光束的 特性, 提高 对后续光学系统的 聚焦效率. 其中的光学 元件焦距,口径或相对孔径大 小及它们与 光纤端面的位置参数都要折衷考虑优化. 准 直系 统 2 的 作 用 是 在 预准 直 系 统 的 基 础 上, 对 大 功 率 激 光 进 一 步 扩 束 准 直. 采用焦 点重合的倒伽利略 望远镜系统 (如 图 2)[ 7 ] , 其 中的 目镜 是平 凹透 镜, 对 预准 直光 束 进行 扩束, 物镜 是 平凸 透 镜, 焦点更好重合, 达到准直的最佳效果. 该 系统 的准直 倍率 可 很好 地近 似用 f 2 /f 1 来 估 算其 中元 件 的各个参数. 聚焦 系统 3 的作用是最后将 扩束后的激光聚成 高能量密 度 的 小光 斑. 它采用 一定 相对孔 径的 球透 镜, 就可 以 较好 地满 足 大 多数 任务的 要求, 设 计中为 了更 好地 达到 聚焦 效 果, 使用 螺 纹 将聚 焦透镜 微调, 实 现更好 的调 焦效 果; 如果 采 用玻 璃材 料 的非球面单正透镜则可很好地校正球差, 得到更 小直径的焦斑, 但 它需经精 心计算 设计加工. 由 于使 用的清 洗机 系统出 射的 是
长短等因素, 再经过仔细的调焦, 可使刻划线 m m 之间, 满足清洗的需要. 图 3 是清 洗陶瓷表面油 污的照片. 从照片 中可以 看出, 油污在清 洗前后 有较明显 的改善, 但是 随着功率,作用 时 间及调焦的变化, 激光束会损伤陶瓷 基体, 具 体清洗工艺将在 以后的工作中进一 步探索. 图 4 是激 光清 洗设备照片.
1 064 nm 的单色激光, 所以在设 计聚焦透镜时也不 需要考虑 校 正色差.
实验以准连续波多模输出的固体 N d : Y A G 激光器作清洗光源, 激光波长为 1 064 nm , 连续状态时
平均功率为 10 W ; 其腔内使用声光 Q 开关进行脉冲调制, 调制脉宽小于 20 ns, 重复频率为 1 kH z, 激 光器的峰值功率至少为 25 k W . 在 N d:Y A G 激光器的出光口处, 使用 f = 10 m m 的单透镜进行聚焦, 激光聚焦到大功率阶跃石英 光纤中, 光纤的数值孔径为 0.22, 纤芯直径为 400 μ , 经过精密调整后, 激光经光纤输出后的耦合效率 m 为 91% . 在激光器内部使用 功率为 5 m W , 波长为 650 n m 的红光激光 二极管作为指 示光, 同时耦合 进 入到光纤. 在预准直系统中选择一片球透镜, 焦距为 25 m m , 直径为 25 m m , 距离光纤输出端面为 25 m m ; 准 直系统中的准直倍率为 3.33, 其中元件分 别有适当的相对孔 径; 聚焦 系统中使用一片 球透镜, 焦 距 f = 25 m m . 各光学元件双面均镀有高损伤阈值的 1 064 nm 增透介质膜. 在工件清洗的实验中, 通过调节激 光输出的功率, 清洗工件 的材料特性及光束 在工件上停留的 时间J9九游会登录入口首页J9九游会登录入口首页
