Návrh optického systému pro generování prstencových paprsků pomocí kónického zrcadla a parabolického válcového zrcadla

Baohua Chen^a, Quanying wu^a,*, Yunhai Tang^a, Junliu Fan^a, Xiaoyi Chen^b, Yi Sun^c

^aKlíčová laboratoř Jiangsu pro technologii mikro a nano tepelné tekutiny a aplikaci energie, škola fyzikální vědy a technologie,
Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215009, Čína

^bSuzhou Mason Optical Co., Ltd., Suzhou, Jiangsu 215028, Čína

^cSoochow Mason Optics Co., Ltd., Suzhou, Jiangsu 215028, Čína

1. Úvod

Tvar a modulace laserového paprsku mají důležitou roli v komunikaci z optických vláken, řezání laseru a laserovou svařování [1,2]. Průmyslové svařování potrubí z tenkých stěn je obvykle dokončeno soustředěným laserovým paprskem kombinovaným s automatizovaným strojem [3,4]. Svařovací účinek této metody je špatný a neefektivní v důsledku nízké přesnosti trajektorie mrtvice automatizovaného stroje a distribuci nestejnoměrné intenzity zaostřeného paprsku. Proto jsou navrženy nové optické systémy k vyřešení těchto problémů přímým tvarováním paprsku do prstencového paprsku [5–8]. Většina optických systémů používaných pro formování prstenců je přenosná [9–11], sestávající z kónické čočky a zaostřovací čočky. Nicméně, omezený procesem leštění kónického objektivu, je špička středu čočky náchylná k zaokrouhlení, což vede k nestejnoměrnému středovému paprsku a snížení jeho kvality. Přenosné systémy s filmovou vrstvou čočky nemohou dlouhodobě podporovat vysoce výkonné laserové paprsky a vyvolávat redundanci délky optického systému a další problémy, což ovlivňuje konečnou účinnost a přesnost svařování. Zrcadla reflexního optického systému mohou být zpracována ultracesivním jednobodovým diamantovým otáčením (SPDT) s vysokou účinností a dobrou přesností a odrazivost je 98% po nanesení zlatého povrchu kovového povrchu [12]. Takové optické systémy však stále používají stejný vertikální úhel kuželového zrcadla, což má za následek strukturu, ve které nelze volně změnit polohu zaostřovacího zrcadla a svoboda návrhu je omezená [13,14]. Když je dopadající paprsek Gaussovský, rozdělení intenzity ve tvaru prstence není jednotné. Problém tepelné deformace nelze vyřešit ve svařovacím procesu pro velkou prstencovou mezeru svaru.

V této studii je reflexní optický systém navržen tak, aby řešil problémy s omezeným stupněm svobody reflexních optických systémů a nestejnoměrného prstencového paprsku založeného na kónických a parabolických zrcadlech. Parabolická rotační matice je odvozena pro jakýkoli svislý úhel kuželového zrcadla, aby se zvýšila svoboda návrhu optického systému. Poté je navrženo konkávní -konvexní parabolické válcové integrační zrcadlo tak, aby se zvýšila prstencová šířka zaostřeného prstencového paprsku a optimalizovala jeho distribuci intenzity tak, aby vytvořilo prstencový paprsek s jednotnou intenzitou.

2. metoda návrhu

2.1. Počáteční struktura optického systému

The optical system consists of a conical mirror M1 and a parabolic cylindrical mirror M2, as shown in Fig. 1. It is designed on the basis of the annular beam's diameter Ø, the working distance Z1, and the beam's size H. The meridional plane coordinate system is defined by the axis X and the optical axis Z. A circular parallel laser beam is incident onto M1, and its propagation direction is turned around 90◦ a poté se odráží na M2. Nakonec se celý paprsek sbližuje na ohniskovém bodě F. Vzhledem k tomu, že ohnisková bod F je posunut z optické osy z, je v ohniskové rovině vytvořen zaostřený prstencový paprsek s poloměrem rovnajícím se vzdálenosti ofsetu. Abych to shrnul, souřadnice Focus F jsou určeny pracovní vzdáleností Z1 a průměrem prstencového paprsku Ø a velikost M1 je také ovlivněna velikostí dopadajícího paprsku H. Optický systém lze získat z počátečních podmínek.

Reflexní povrch M1 je tvořen kuželovou linií rotující kolem optické osy z a rovnice kónické linie L (x, z) v meridiální rovině je definována takto:

Úhel vrcholu A M1 je 90◦ a jeho spodní průměr lze nastavit v souladu s velikostí dopadajícího laseru H.

Reflexní povrch M2 je tvořen parabolovou rotujícím kolem optické osy z a jeho osa symetrie je osa X. Parabola p (x, z) v meridiální rovině je definována následovně:

Tam, kde f je ohnisková vzdálenost paraboly, L je vzdálenost mezi parabolovou vertexem a osou Z a souřadnice ohniska F jsou f (xf, zf). Pokud je XF roven –D a ZF je roven nule, poloměr zaostřeného prstencového paprsku je d. Ohnisková vzdálenost f je neznámý parametr v ekv. (2). Hranový bod T je umístěn na P (x, z), jeho souřadnice z je –Z1 a jeho x souřadnice se rovná poloměru r, jehož hodnota je přiměřeně nastavena velikostí optického systému. Nakonec lze ohniskovou délku F vypočítat nahrazením t (r, –z1) do ekv. (2).

2.2. Změněno optický systém s úhlem kuželového zrcadla

Odražený paprsek na M1 se mění z 1 na 2, když je vrcholový úhel M1 ′, jak je znázorněno na obr. 2. Osa symetrie x 'paraboly by měla být rovnoběžná s odraženým světlem 2, aby se zaostřovala a zaostřovací poloha se nezměnila. Ve skutečnosti je parabola p (x, z) otáčena kolem zaostření F o určitý úhel 9, aby se získal nový parabola p '(x', z ') a úhel 9 je roven 90 ° - ′. kde t je bod na parabole p (x, z) před rotací a vektor k zaostření f je ft̅ →=(x - xf, z - zf). T 'je otočný bod t a vektor k zaostření f je ft̅ → ′=(x' - xf, z ′ - zf). Pozice bodu T '(x', z ') lze vypočítat pomocí následujícího vzorce:

Obr. 1. Optický systém prstencového paprsku se skládá z kuželového zrcadla M1 a parabolického válcového zrcadla M2.

Obr. 2. Změnil se optický systém s úhlem kuželového zrcadla. Pevná modrá čára představuje proces šíření paprsku, když je úhel vrcholu, a tečkovaná čára představuje proces šíření, když je úhel vrcholu ′.

Kde je úhel mezi vektorem ft̅ → a osa x a▕ ft̅ → ▕ je modul vektoru ft̅ →. Výše uvedený vzorec je zjednodušen následovně:

Tam, kde se souřadnice T 'a T transformují do sebe navzájem rotační matricí Tθ, takže parabolická p' (x ', z') je následující:

Optické systémy jsou navrženy za použití kuželových zrcadel se třemi typy vrcholových úhlů=90 ◦, ′> 90◦ a ′ <90◦, jak je znázorněno na obr. 3. Vzhledem k tomu, že se změní úhel M1, může být optický systém navržen optimálním apexním úhlem na základě skutečného prostoru, který se mění a měnící se ve skutečném prostoru je změněn úhel středního prostoru, a to, jak se změní úhel a kuchař, je možné, že se ve skutečném prostoru změní, jako je např. Skutečný prostor, jako je např. Skutečný prostor tak, jak se měnící v úhlu M1, a to mění, jakož i vzad, který je ve skutečnosti, jako je např.

Poloměr prstencového laserového paprsku může být stanoven souřadnicemi zaostření f ve výše uvedených metodách návrhu. Souřadnice F jsou f (–D, {{{0}}) a horní a dolní paprsky získané simulací sledování paprsků se nejprve setkávají a poté se šíří do fokální roviny, jak je znázorněno na obr. 1. Pokud jsou souřadnice F (0, 0), 0), 0), 0), 0), 0), 0), 0), 0), 0), 0), 0), 0), 0), 0), 0), 0), 0), 0), 0), 0), 0), 0), 0). Když f souřadnice f

Obr. 3. Optické systémy s různými úhly vrcholu zrcadla. (a) Úhel vrcholu=90 ◦. (b) Apex Angle '> 90◦.

jsou f (d, {{0}}), laserové paprsky se šíří přímo do ohniskové roviny bez překrývání. Ačkoli prstencový paprsek má stejnou velikost jako F (–D, 0), jeho distribuce intenzity a praktické použití se liší.

Obr. 4 (a) ukazuje prstencový paprsek přijatý divákem detektoru, když jsou souřadnice F (–D, 0) a obr. 4 (b) ukazuje křivku rozložení intenzity prstencového paprsku. Vrchol intenzity je na vnějším okraji a jeho distribuce se zvenčí zvnějšku zvnějšku snižuje. Je vhodné pro vnitřní svařování mezi komponenty v poli aplikací laserového svařování na obr. 4 (c).

Obr. 5 (a) ukazuje prstencový paprsek přijatý divákem detektoru, když jsou souřadnice F (d, 0). Obr. 5 (b) ukazuje, že pík intenzity je na vnitřním okraji a jeho distribuce je opačná jako na obr. 4 (b). Jak je znázorněno na obr. 5 (c), je vhodný pro externí svařování komponent v laserovém svařování.

2.3. Design jednotného prstencového laserového paprsku

Uniformita paprsku σ může být měřena poměrem rozdílu mezi maximální a minimální intenzitou a průměrnou intenzitou, jak je uvedeno ve vzorci (7). Obr. 4 a obr. 5 ukazují, že rozložení intenzity prstencového laserového paprsku fokální roviny není rovnoměrně navrženo výše uvedenou metodou.

Jak je znázorněno na obr. 6, M2 se mění na konkávní -konvexní parabolickou válcovou integrační zrcadlo, aby se zlepšila uniformita intenzity paprsku [15,16]. Povrch M1 je rozdělen do oblastí 1, 2, 3. Na základě prstencového šířky kruhu CD a nastavuje šířku každé sekce podél osy Z jako Z11, Z12, Z13.

Tam, kde se laserový paprsek odráží na konkávním zrcadle v oblastech 1 a 3, pak konverguje v ohniskových bodech F1 a F3 a nakonec dosáhne CD. Paprsek v oblasti 2 se odráží na konvexním zrcadle a cestuje v opačném směru podél virtuálního zaostření F2, nakonec také dosahuje CD a šířka oblasti 2 je menší než šířka CD.

Intenzita gaussovského laserového paprsku dopadající na oblasti 1, 2 a 3 se monotónně snižuje. Jeho intenzita neustále klesá z bodu D na bod C odrážející se na CD konkávním parabolickým zrcadlem nad oblastí 1 a zvyšuje se konvexním parabolickým zrcadlem nad oblastí 2. V důsledku toho se intenzita paprsku na CD stává rovnoměrnou konkávním povrchem.

Když je vrcholový úhel kuželového zrcadla '' ', konkávní parabolická rovnice PN1 (xn1, Zn1) s F1 (XF1, ZF1) jako zaostření lze definovat takto:

kde body A a B jsou umístěny na PN1 (xn1, Zn1) a F1 je průnikák linií AD a BC. Souřadnice A (XA, ZA), C (XC, ZC) a D (XD, ZD) se vypočítají z počátečního stavu. Souřadnice ZB v B (XB, ZB) se rovná ZA+Z11. Hodnota XB, souřadnice F1 a ohnisková délka FN1 v ekv. (8) lze vyřešit pomocí následujících rovnic:

Obr. 4. Rozdělení intenzity prstencového paprsku při F (-d, 0) ohniskové roviny. a) prstencový paprsek přijatý divákem detektoru 10 × 10 mm. Místo označené kruhem ukazuje, že intenzita paprsku vlevo je nízká, zatímco na pravé straně je vysoká. (b) Křivka distribuce intenzity. (c) Vnitřní svařování tubulárních částí. Ukazuje, že cesta paprsku je použitelná pro vnitřní svařování tubulárních částí.

Obr. 5. Rozdělení intenzity prstencového paprsku na F (d, 0) ohniskové roviny. a) prstencový paprsek přijatý divákem detektoru 10 × 10 mm. Místo označené kruhem ukazuje, že intenzita paprsku vlevo je vysoká, zatímco na pravé straně je nízká. (b) Křivka distribuce intenzity. (c) Externí svařování tubulárních dílů. Ukazuje, že cesta paprsku je vhodná pro vnější svařování trubkových částí.

Obr. 6. Návrh konkávního - konvexního parabolického válcového integračního zrcadla. (a) Schéma cesty laserového paprsku na integračním zrcadle. Ukazuje, že dopadající laserový paprsek je rozdělen do oblastí 1,2,3 integrujícím zrcadlem a poté se překrývá na CD. (b) Integrace schématu návrhu zrcadla.

Obr. 7. (a) Jednotný prstencový laserový optický systém. Povrch 1 představuje kónické zrcadlo a povrch 2 představuje konkávní -konvexní parabolické válcové integrační zrcadlo. (b) Jednotný prstencový paprsek přijatý prohlížečem detektoru 10 × 10 mm. (c) Křivka distribuce intenzity. Zobrazuje se přerušovaná značka kruhu, že prstencová šířka prstence je poblíž obdélníku.

Podobně, konvexní parabolická rovnice Pn2 (xn2, zn2) s F2 (XF2, ZF2) jako zaměření lze definovat takto:

kde body A (XA, ZA), C (XC, ZC) a D (XD, ZD) jsou známé souřadnice a hodnota ZE v E (XE, ZE) se rovná ZB+Z12. V kombinaci s ekv. (9), souřadnice ohniskového bodu F2 a ohniskové délky FN2 lze vypočítat v ekv. (10). To může zajistit nepřetržitou hladkost na křižovatkách konkávních a konvexních povrchů, jako jsou B a E, a splnit následující omezení:

Na základě výše uvedené metody je dosaženo konkávního konvexního parabolického válcového integračního zrcadla, jak je znázorněno na obr. 7 (a). Obr. 7 (a) zobrazuje jednotný prstencový optický systém laserového paprsku, kde povrch 1 představuje kónické zrcadlo a povrch 2 představuje konkávní -konvexní parabolické válcové integrující zrcadlo. Intenzita záření, která získala divák detektoru, je znázorněna na obr. 7 (b). Distribuční křivka šířky prstencového kruhu je na obr. 7 (c) poblíž obdélníku. Uniformita je více než 80%a její hodnota bude vyšší, jak se zvyšují rozdělené regiony.

3. experiment

Konstrukční parametry optického systému jsou uvedeny v tabulce 1, přičemž vnější průměr D 'jednotného prstencového laserového paprsku fokální roviny je 12 mm a vnitřní průměr d' 'je 6 mm. Průměr dopadajícího paprsku H je 2 0 mm a velikost poloměru r levé strany konkávního - konvexního parabolického válcového integračního zrcadla je 35 mm. Pracovní vzdálenost Z1 je 15 0 mm a uniformita intenzity prstencového paprsku je větší než 85%. Parametry optického systému se vypočítají pomocí MatalB pomocí ekv. (1) - (10), jak je uvedeno v tabulce 2 a tabulce 3. Velikost h 'kuželového zrcadla je 28 mm a jeho vrcholový úhel ′ ′ je 86 ◦. Souřadnice bodů C a D jsou (3, 0) a (6, 0), a úhel rotace 9 parabolického zrcadla je 4◦.

Obr. 8 (a) ukazuje křivku integrace zrcadla. Šířka každé oblasti je 2 mm, což je mnohem menší než jejich ohnisková vzdálenost. Proto celková křivka není přímo vidět vzorec podobný vlnám, ale spíše přímku. Bod G a Point J jsou sousední body na konkávní-konvexní křižovatce. Rozdíl mezi jejich hodnotami X je 2 um a rozdíl mezi jejich hodnotami Z je 5 um. Neexistuje žádný skákání, takže celá křivka je hladká. Obr. 8 (b) ukazuje rychlost přírůstkové změny hodnoty z s hodnotou x na křivce. V konkávní oblasti od bodu A do bodu B se míra změny postupně zvyšuje. V konvexní oblasti od bodu B do bodu E se míra změny postupně snižuje, takže celá míra změny je zřejmá rozbitá liniová tabulka.

Materiál zrcadel je měď bez kyslíku a jejich povrchy jsou rotačně symetrické a snadno vyrobené pomocí technologie SPDT, jak je znázorněno na obr. 9 (a). Chyba špičky zpracovaného kónického zrcadla může být regulována pod 1 um, chyba úhlu vrcholu je menší než 0. 001◦. Ve srovnání se skleněným leštěním trvá méně času, než dosáhnete drsnosti 5 nm od SPDT. Obr. 9 (b) ukazuje optický systém s rovnoměrným prstencovým paprskem zaměřeným na levou bílou obrazovku. Optické úchyty a komponenty jsou koaxiální a vzdálenost mezi obrazovkou bílého světla a parabolickým zrcadlem je 150 mm.

Bílá obrazovka je nahrazena kamerou CCD s cílovou velikostí povrchu 2\/3 palce a velikostí pixelu 4,5 um. Anulární laserový paprsek přijatý povrchem detektoru je znázorněn na obr. 10 (a). Existují skvrny a zbloudilé světlo obklopující prstencový paprsek kvůli vnějšímu zdroji světla a hluku expozice. Křivka distribuce intenzity je znázorněna na obr. 10 (b). Šířka prstencového laserového paprsku zabírá 686 pixelů odpovídající 3,09 mm a chyba je 3% ve srovnání s teoretickou hodnotou. Průměrná intenzita křivky je 222,4 W\/m2. Intenzita vysokoenergetického bodu je 230,6 W\/ m2, zatímco intenzita nízkoenergetického bodu je 205,3 W\/ m2. Uniformita σ je následující:

4. závěry

V této studii je navržen optický systém pro generování prstencových paprsků pomocí kónického zrcadla a parabolického válcového zrcadla. Rotační rovnice parabolického válcového zrcadla je odvozena ke zlepšení svobody konstrukce. Konkávní - konvexní parabolické válcové integrační zrcadlo je navrženo na základě principů povrchového dělení a superpozice paprsku. Výsledkem je, že tato metoda může vytvořit prstencový paprsek pomocí minimálního počtu zrcadel. Rovněž byla vylepšena uniformita intenzity paprsku a splňuje aplikační pole vyšší přesnosti. Experimentální výsledek ukazuje, že chyba průměru prstencového paprsku je menší než 3%a uniformita dosahuje 89%.

Obr. 8. (a) Křivka integrujícího zrcadla. Konkávní oblasti jsou označeny modrými liniemi a konvexními oblastmi červenými čarami. Šířka oblasti je mnohem menší než ohnisková vzdálenost, takže celá křivka vypadá jako přímka. (b) Rychlost přírůstkové změny hodnoty z s hodnotou x na křivce.

Obr. 9. Experimentální optický systém. (A) Kužerní zrcadlo a konkávní -konvexní parabolická válcová integrační zrcadlo. (b) Experimentální zařízení prstencového laserového paprsku.

Obr. 10. (a) prstencový laserový paprsek na povrchu detektoru CCD. (b) Křivka distribuce intenzity. Intenzita vysokoenergetického bodu je 230,6 W\/m2, zatímco intenzita nízkoenergetického bodu je 205,3 W\/m2, rozdíl je pouze 25 W\/m2.

Financování

Národní nadace přírodní vědy Číny (NSFC) (61875145, 11804243); Přírodní věda. Klíčové disciplíny Jiangsu ze čtrnáctého pětiletého plánu (grant č. 2021135). Nadace přírodní vědy nadace jiangsu vysokoškolské instituce čínských institucí (17KJA140001); Klíčová laboratoř provincie Jiangsu (KJS1710). Suzhou Prospect a Key Core Technology Project (SYC2022145).

Prohlášení o konkurenčním zájmu

Autoři prohlašují, že nemají žádné známé konkurenční finanční zájmy ani osobní vztahy, které by se mohly zdát, že ovlivňují práci uvedenou v tomto článku.

Dostupnost dat

Pro výzkum popsaný v článku nebyla použita žádná data.

Reference

[1] FM Dickey, tvarování laserového paprsku: Teorie a techniky, CRC Press, 2018.

[2] K. Sugioka, Y. Cheng, výukový program o optice pro ultrarychlé laserové zpracování materiálů: základní mikroprocesový systém pro tvarování a pokročilé metody zaostření, Adv. OPT. Technol. 1 (5) (2012) 353–364.

[3] Em Shamov, NN EVTiheev, v Shiganov, I. Začínáme, technologie a vybavení pro laserové svařování křižovatky prstencových potrubí v pevné poloze potrubí plynu, J. Phys. Conf. 1109 (2018).

[4] Josef BA, Thomas K., svařovací zařízení laserového paprsku a metoda pro provoz stejných, EP2361717 (2017).

[5] Kraemer, Wilfried a Andreas Buechel, zařízení pro laserové přenosové svařování prstencového svarového švu, US20190054565A1 (2019).

[6] R. Kuwano, T. Koga, T. Tokunaga, Optika tvarování paprsků vyrobená s ultra-přesným řezem pro zpracování laseru YAG, Opt. 19 (2) (2012) 98–102.

[7] E. Govekar, A. Jeromen, A. Kuznetsov, Studie procesu axiálně krmeného prášku na bázi prstencového laserového paprsku, Cirp Ann. 67 (1) (2018) 241–244.

[8] M. Kotar, M. Fujishima, GN Levy, Pokroky v pochopení prstencového procesu vodiče laserového paprsku, J. Mater. Proces. Technol. 294 (12) (2021), 117105.

[9] M. Lei, Z. Li, S. Yan, B. Yao, D. Dan, Y. Qi, T. Ye, axiální zachycení na dlouhé vzdálenosti zaostřenými prstencovými laserovými paprsky, e 57984-, PLOS ONE 8 (3) (2013). e 57984-.

[10] Henzhen Song, Zhengjun Liu, Jingfei Ye, náhodné zdroje generující vzdálená pole s profily pole prstenců, Optik 168 (2018) 590–597.

[11] Sadik C. Bing Shao, Jaclyn M. Esener, Elliot L. Nascimento, Botvinick, Michael W. Berns, dynamicky nastavitelné prstencové laserové zachycení založené na Axikonech, Appl. OPT. 45 (25) (2006) 6421–6428.

[12] Shen Zhengxiang, Jun, Yu Zhenzhen, přizpůsobený design a efektivní výroba dvou volných hliníkových zrcadel pomocí jednobodové techniky otáčení diamantu, Appl. OPT. 58 (9) (2019) 2269–2276.

[13] Markus L., Sonja K., svařovací zařízení laserového paprsku pro svařovací komponenty mezi sebou, zahrnuje zdroj laserového paprsku, optické zařízení uspořádané v laserovém paprsku a jednotka poskytovaná pro relativní pohyb mezi optickým zařízením a komponenty, DE102010003323 (2011).

[14] Geyan Fu, Shihong Shi, Xuelei Han, testovací výzkum laserového svařování založený na koaxiálním vodiči podáváním prstencovým laserovým paprskem, bradou. J. Lasers 37 (8) (2010) 2080–2085.

[15] Zexin Feng, Yi Luo, Yanjun Han, Návrh optického systému volného formuláře LED pro osvětlení silnic s vysokým poměrem svítidla\/osvětlení, opt. Express 18 (21) (2010) 22020–22031.

[16] Y. Song, Y. Chen, J. Xin, dvourozměrné tvarování paprsku a homogenizace vysoce výkonu laserové diodové zásobníky s pravoúhlým vlnovodem, vpředu. Optoelectron. 12 (3) (2019) 311–316.