激光烧蚀成形光路与激光三角测量光路的集成刘劲松,李孟秋,金湘中(湖南大学激光研究所,长沙 410082)提要针对激光烧蚀不能严格控制沿光轴方向尺寸精度的问题,本文研究将激光三角 测量光路集成于激光烧蚀光路,测量数据反馈控制脉冲激光,讨论了光路集成中的若干问题。关键 词激光烧蚀,光学三角,光路IntegrationofanOpticalTriangul ationandaLaserAblationOpticalSystem¥LiuJins ong;LiMenqiu;JinXiangzhong(LaserInstitute,H unanUniversity,Changsha410082)Abstract:Toim provethedemensionalprecisionoflaserablation ,anopticaltriangulationsystemisintegratedin toalaserablationsystemandthedatameasuredare usedtocontroltheparametersofthepulselaser.S everalkeyproblemsoftheintegrationarestudied .Keywords:laserablation;opticaltriangulatio n;opticalsystem激光加工有一固有的缺陷,即难于严格控制沿光轴方向的加工尺 寸,采用小焦深的聚焦光路并配合合适的峰值功率,可在一定程度上改善激光切削的尺寸精度[‘ j,但材料的去除速度随之降低,要进一步改善激光切削的尺寸精度,同时又不致过份影响材料的 去除速度,必须采用测量反馈装置。激光三角测量具有非接触、速度快、精度高,易于与计算机联 接等优点,国外已将此应用于激光加工装置中用以监控激光切削的尺寸精度[’j。本文研究将激 光三角测量装置装备于激光加工系统的若干问题。图1激光三角测量光路照明光路与接收光路的光 轴夹角对分辨率的影响喷嘴是激光加工中的一个重要部分,喷嘴的采用使激光加工光路与测量光路 容易发生干涉,所以照明光路与接收光路的光轴夹角a不能太小。图1为激光三角测量的物象光路 图,AB为物面(照明光路光轴),当物面与光轴(接收光路光轴)倾斜时,可以得到一个与之共 扼的、和光轴也是倾斜的像面,即图中的A’B’。物点在物面的位移与像点在像面上的位移关系 为[’1。L。·S·SlllrpL。·slna、s·sin(+rp)式中h和S分别为物 面和像面位移,L。Li分别为轴上点物距和像距,a和由分别为物面和像面与光轴的夹角,且_ L。+f’tarp==!{--------·taa(2式中f‘为物镜焦距。高等学校博士 学科点基金资助对(1)求微分,得分辨率方程当。+0“及a、90”时分辨率方程(3)分别 为如果采用感光面积为3mmXlmm的PSD来接收物象,NIJs一士1.smm,取L。— 一25mm上。一37.smm,f’一15mm,据式(3)及(4)、(5)可求得a对分辨 率的影响如图2所示。由图2可以看出,随a增大,分辨率随之降低,a—80”时的分辨率约为 a—10”时分辨率的60%。对于激光烧蚀尺寸精度一般要求为1~10pm,可见,只要PS D能接收足够的光能,采用大夹角仍能满足分辨率要求。图2a与分辨率dh/ds的关系透镜的 设置设计了两种方案,如图3所示。图3(a)中YAG激光与测量用He—Ne激光采用不同的 透镜聚焦,这种光路使测量光路与加工激光光路分离,测量装置有较好的可移植性,但同时使YA G激光的聚焦透镜焦距加长,不利于YAG激光聚焦成更细的焦点。图3(b)中YAG激光与H e—Ne激光采用同一透镜聚焦,但由于波长不同,将导致位置色差和垂轴色差的产生。下面对这 两个问题进行估算。1.加工激光透镜焦距对焦斑功率密度的影响假设采用焦距为60mm的聚焦 透镜,对于多模输出的YAG激光,可以用下式估计激光束经无像差透镜聚焦后的焦斑直径:do —F·0,0为激光的远场发散角。对YAG激光,0一7mrad,所以d。一0.42mm。 与采用20mm焦距的透镜相比,焦斑直径为其3倍,因而焦斑功率密度相当于采用20mm焦距 的焦斑功率密度的1/9。焦斑功率密度的降低对加工有重大影响,它使激光烧蚀时汽化不再占主 导地位,更多的能量传入材料基体,使材料的热影响区加大,不利于保持材料的表面完整性。实验 表明,当焦斑直径小于0.12mm时,峰值功率40kw,脉宽150us的IkH。声光调Q 激光烧蚀氨化硅陶瓷时可获得高度完整的加工表面,而峰值功率skw,脉宽500us的10k Hz激光加工陶瓷时有微裂纹产生。由于焦斑扩大,即使仍采用IkHZ的激光,其焦斑功率密度 将低于10kHZ的激光。可见从保证加工表面的质量完整性来看,图3(a)中采用长焦距透镜 聚焦刍“加光的加工方案是不可取的。2.加工激光与测量激光采用同一透镜时的色差为消除传统 球面透镜聚焦时存在的球差,我们采用双曲面透镜聚焦YAG激光,如图4所示。聚焦透镜为Kg 玻璃。对1.064mm的YAG激光,n—1.50624;对0.6328mm的He一NI 激光,11—1.51466。被加工工件置于YAG激光的焦点处,最大位置色差为(ds’) max一扣上n—0.06736mm,这里d为双曲面透镜的中心厚度,凸n为Kg玻璃对两种 激光的折射率之差。图4为求取垂轴色差,分别计算边际光和带光两条光线的光路,其垂轴球差分 别为(dL’)边一0.013mm;(dL’)带一0.olsmm。取二者中的较大值,即垂 轴色差为0.018mm。对于激光三角测量,一般要求聚焦光斑在被测表面的直径小于0.Zm m即可,可见,因加工激光与测量激光采用同一透镜而产生的垂轴色差对测量激光聚焦焦斑的影响 可以忽略不计,采用图3(b)的方案可行。结论1.照明光路与接收光路的光轴夹角越大,激光 三角测量的位置分辨率越低;2二在PSD能接收足够光能的情况下,照明光路与接收光路的光轴 夹角取较大值仍能满足激光烧蚀的位置分辨率要求;3.对l。06卜m的加工用YAG激光,加 工激光与测量激光可采用同一透镜,由此引起的色差对测量激光聚焦焦斑大小的影响可忽略不计参 考文献||[1]刘劲松等,光学精密工程,1995,3(3),33[2]M.Wiedma ier,etal,SPIE,1993,1990,689[3]Z.Jietal,Opti cs&LaserTechnology,1989,21(5),335激光烧蚀成形光路与激 光三角测量光路的集成@刘劲松,李孟秋,金湘中$湖南大学激光研究所激光烧蚀,光学三角,光 路针对激光烧蚀不能严格控制沿光轴方向尺寸精度的问题,本文研究将激光三角测量光路集成于激 光烧蚀光路,测量数据反馈控制脉冲激光,讨论了光路集成中的若干问题。[1]刘劲松等,光学 精密工程,1995,3(3),33[2]M.Wiedmaier,etal,SPIE,1 993,1990,689[3]Z.Jietal,Optics&LaserTechnol ogy,1989,21(5),335高等学校博士学科点基金激光与测量激光采用同一透镜时 的色差为消除传统球面透镜聚焦时存在的球差,我们采用双曲面透镜聚焦YAG激光,如图4所示 。聚焦透镜为Kg玻璃。对1.064mm的YAG激光,n—1.50624;对0.6328 mm的He一NI激光,11—1.51466。被加工工件置于YAG激光的焦点处,最大位置 色差为(ds’)max一扣上n—0.06736mm,这里d为双曲面透镜的中心厚度,凸n 为Kg玻璃对两种激光的折射率之差。图4为求取垂轴色差,分别计算边际光和带光两条光线的光 路,其垂轴球差分别为(dL’)边一0.013mm;(dL’)带一0.olsmm。取二者 中的较大值,即垂轴色差为0.018mm。对于激光三角测量,一般要求聚焦光斑在被测表面的 直径小于0.Zmm即可,可见,因加工激光与测量激光采用同一透镜而产生的垂轴色差对测量激 光聚焦焦斑的影响可以忽略不计,采用图3(b)的方案可行。结论1.照明光路与接收光路的光 轴夹角越大,激光三角测量的位置分辨率越低;2二在PSD能接收足够光能的情况下,照明光路 与接收光路的光轴夹角取较大值仍能满足激光烧蚀的位置分辨率要求;3.对l。06卜m的加工 用YAG激光,加工激光与测量激光可采用同一透镜,由此引起的色差对测量激光聚焦焦斑大小的 影响可忽略不计参考文献||[1]刘劲松等,光学精密工程,1995,3(3),33[2] M.Wiedmaier,etal,SPIE,1993,1990,689[3]Z.Jie tal,Optics&LaserTechnology,1989,21(5),335激光 烧蚀成形光路与激光三角测量光路的集成@刘劲松,李孟秋,金湘中$湖南大学激光研究所激光烧 蚀,光学三角,光路针对激光烧蚀不能严格控制沿光轴方向尺寸精度的问题,本文研究将激光三角 测量光路集成于激光烧蚀光路,测量数据反馈控制脉冲激光,讨论了光路集成中的若干问题。[1]刘劲松等,光学精密工程,1995,3(3),33[2]M.Wiedmaier,etal,SPIE,1993,1990,689[3]Z.Jietal,Optics&LaserTechnology,1989,21(5),335高等学校博士学科点基金
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