Конспект лекций по курсу «Физико-технические основы лазерных технологий»


НазваниеКонспект лекций по курсу «Физико-технические основы лазерных технологий»
страница4/10
Дата20.04.2013
Размер0.73 Mb.
ТипКонспект лекций
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10

Высокая однородность и стабильность параметров излучения




  • Эффективность (кпд)




  • Высокие эксплуатационные характеристики


Достаточный ресурс и надежность

Минимальный вес и размер

Простая конструкция


  • Экономическая эффективность

4. ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ

ЛАЗЕРНОЙ МИКРООБРАБОТКИ


Любая оптическая система для ЛМ должна обеспечить три основные группы требований:


Энергетические :

  • плотность мощности излучения, достаточную для выполнения заданного типа поверхностной обработки,

  • максимальное использование энергии лазера, с учетом потерь на диафрагмах (виньетирование) и на оптических компонентах (Френелевское отражение и остаточное поглощение)



К точностным параметрам относятся:

  • необходимость формирования зоны обработки заданной и строго очерченной формы,

  • необходимость формирования изображения зоны воздействия с минимальной неровностью края



При рассмотрении требований к ОС в части рабочего поля наиболее важные вопросы:

  • как перекрыть полную рабочую зону посредством сканирующих оптико–механических систем или проекционных оптических систем с приемлемой точностью, производительностью и самым простым путем

ФОКУСИРУЮЩАЯ ТЕХНИКА ДЛЯ ЛМ


Основные пространственно–геометрические модели лазерных источников

Гауссова модель лазерного источника (одномодовый режим)



в перетяжке

Телецентрическая модель лазерного источника (многомодовый режим)

(оси всех пучков || оптической оси, все направления внутри равноценны)



фокальное пятно , глубина резкости

теоретические пределы: ;

Пример: при рад, см, мкм, мкм

ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛАЗЕРНЫХ ПУЧКОВ

В ФОКАЛЬНОЙ ПЛОСКОСТИ

Таблица 6

Тип лазерного пучка (поперечного распределения интенсивности)

Теоретические параметры лазерного луча

Примечания

Полный угол расходимости луча



Фокальный диаметр пятна



Фокальное распределение пятна

Гауссовый — одномодовый







вся энергия в фокальном пятне

Супергауссовый — многомодовый







вся энергия в фокальном пятне

Однородный — дифракционно ограниченный







в центральном максимуме

84% энергии

Теоретические (дальнепольные) пределы












Но что такое — минимальный размер воздействия?

Что будет если интенсивность воздействия на материал внутри будет на уровне ?

Ответ смотри далее

ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ ФОКУСИРУЮЩЕЙ ТЕХНИКИ


Фокусирующая техника характеризуется простотой, полным использованием лазерной энергии и оптическим разрешением (размером светового пятна), определяемым расходимостью пучка и фокусным расстоянием линзы.

Дальнейшее уменьшение размера пятна может быть достигнуто размерщением перед объективом телескопического расширителя пучка с увеличением (сокращение расхождениия в раз). При этом можно либо уменьшать , либо увеличивать фокусное расстояние объектива без изменения ().

Использование расширителя пучка в рабочей станции «КВАНТ–3» приводит к получению пятна диаметром 5 мкм с рабочим отрезком объектива объектива 70 мм. Такая большая величина рабочего отрезка обеспечивает размещение (если необходимо) образца с различными зондами, контактных измерительных и других устройств.

Главные недостатки фокусирующей техники:

  • неоднородное распределение интенсивности в фокальном пятне и отсутствие постоянного размера зоны воздействия, который зависит от порога чувствительности материала,

  • сложность обеспечения достаточной точности краев зоны воздействия при сканировании



СКАНИРУЮЩИЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ ЛМ (1)


А–тип: поверхность обработки расположена в фокальной плоскости линзы

(сканирование с прямоугольной разверткой)

a)



2–х мерное сканирование

(координатный стол)

б)



3–х мерное сканирование

(«летающая» оптика для послойного лазерного синтеза)

в)



5– координатная (, , , , ) роботизированная микрообработка (волоконно–оптический кабель в «руке» робота)

г)



2–х мерная развертка (офсетная печать)

ТОЧНОСТЬ СКАНИРУЮЩИХ СИСТЕМ А–ТИПА


Важное замечание: очевидно, что для стабильных условий микрообработки (стабильного качества) необходимо обеспечить постоянство плотности потока мощности . Из условий (2.2) и (3.8) видно, что требуемая величина для сканирующих систем равна:


(4.1)


или относительно мощности лазера из (3.2) то же условие выражается как:


(4.2)


Это означает, что стабильные условия подразумевают постоянство мощности лазера и скорости сканирования пучка . Это особенно важно для обработки образцов сложной формы с высокой скоростью. В этом случае невозможно поддерживать одинаковую скорость на прямых линиях и на крутых поворотах. Если не константа, а изменяется в соответствии с некоторым законом , невозможно удовлетворить условию (4.2) при никаком контроле мощности непрерывного лазера.

Таким Образом, ТОЛЬКО ИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ МОГУТ ОБЕСПЕЧИТЬ условие (4.2), т.е. ПОСТОЯННУЮ ПЛОТНОСТЬ ПОТОКА МОЩНОСТИ в ОБРАБАТЫВАМОЙ ЗОНЕ И СТАБИЛЬНОЕ КАЧЕСТВО ЛАЗЕРНОЙ МИКРООБРАБОТКИ.

СКАНИРУЮЩИЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ ЛМ (2)


Б–тип: только центральная точка обрабатываемой поверхности находится

в фокальной плоскости линзы

(сканирующие системы с угловым отклонением пучка)





одномерное угловое отклонение




2–х мерная сканирующая система с внешней линзой




2–х мерная система типа линзы с “плоским полем”

ТОЧНОСТЬ СКАНИРУЮЩИХ СИСТЕМ Б–ТИПА, КАК ФУНКЦИЯ ОПТИЧЕСКИХ (L, f) И ЛАЗЕРНЫХ (D, ) ПАРАМЕТРОВ




Инвариант Лагранжа–Гельмгольца


(4.3)


(4.4)

(4.5)

(4.6)

(4.7)


Из (4.5–4.7) ясно, что требования увеличения поля обработки и разрешающей способности (уменьшения диаметра фокального пятна ) противоречат требованию снижения

погрешности.

ПРОЕКЦИОННАЯ ТЕХНИКА ДЛЯ ЛМ

(микропроекция)




Размерный расчет


(4.8) (4.9)


Из и возможно определить , , и — все главные параметры схемы.


Энергетический расчет (Q — плотность энергии)





Пример: если дано мм, мкм, см, мкм, тогда из (4.5) , см, из (4.4) , если см, м.

КОНТАКТНАЯ (ТЕНЕВАЯ) ТЕХНИКА








,



АКТИВНАЯ ПРОЕКЦИОННАЯ ТЕХНИКА




Рис. 4.9 Принципиальная схема активного проекционного метода




а) б)

Рис.4.10.Энергетическая эффективность , a) и плотность мощности , б) активной и пассивной проекционной системы как функция относительного размера прозрачного окна в маске: 1 — , 2 — , 3 — , 4 — пассивная микропроекционная система

ПРОЕКЦИОННО–СКАНИРУЮЩАЯ ТЕХНИКА


ЛАЗЕР ОСВЕТИТЕЛЬНАЯ ПРОЕКЦИОННАЯ

СИСТЕМА МАСКА СИСТЕМА ОБРАЗЕЦ



Рис. 4.11. Принципиальная схема контурно–проекционного метода.



Достоинства:


  • энергетические потери составляют всего:




  • нет противоречий между разрешающей способностью и полем изображения
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10

Похожие:

Разместите кнопку на своём сайте:
cat.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©cat.convdocs.org 2012
обратиться к администрации
cat.convdocs.org
Главная страница