Основные теоретические положения

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра электронных приборов и устройств

 

 

отчет

По лабораторной работе № 1

по дисциплине: «Электронные приборы и устройства в науке и технике»

Тема: «ИССЛЕДОВАНИЕ ФОКУСИРОВКИ ИЗЛУЧЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЛАЗЕРОВ»

 

 

Студентка гр. 4202		Алексеенко Е. В.
Преподаватель		Черниговский В. В.

 

 

Санкт-Петербург

2018

Цель работы: определение условий получения максимальной плотности мощности в сфокусированном лазерном пучке с учетом свойств оптических параметров лазеров и фокусирующей оптики установки.

Основные теоретические положения

В зависимости от назначения лазерной установки требования к характеристикам лазера формулируются разным образом. В системах для обработки отверстий должно быть обеспечено заданное распределение плотности мощности в некотором объеме пространства. Должны быть заданы диаметр, длина и угол конуса световой трубки, а также характер распределения интенсивности излучения в ней. Для случаев сварки без значительной деформации поверхности расплавленного материала ограничиваются требованиями к одному сечению пучка излучения лазера после оптической системы.

Значение плотности мощности в сфокусированном лазерном пучке (I_S) определяет вид технологической операции: сварка металла производится при  I_S = 5*10⁵…2*10⁶ Вт/см², резка металла – при I_S = 10⁶…10⁷ Вт/см², резка диэлектрика – при I_S = 10⁵…10⁶ Вт/см². Для оценки значений плотности мощности, достижимых при работе с лазерным излучением, необходимо определить размеры пятна, в котором может быть сфокусирован пучок. Образуемое расплывчатое пятно объясняется физикой процессов при распространении лазерного изучения (в основном дифракционной расходимостью), а также несовершенством реальных фокусирующих устройств. Из всех аберраций, характерных для линз, наибольшую роль играют сферические. Для идеальной фокусировки излучения требуется уникальная преломляющая поверхность четвертого порядка. Чаще всего фокусирующие линзы имеют сферическую поверхность, т. е. поверхность второго порядка. В результате в параллельном потоке лучей, проходящих через сферическую линзу, возникают сдвиги фаз, и они пересекают ось линзы в разных точках (рис. 1).

Рисунок 1 – Сферическая аберрация простой линзы

В итоге можно говорить о радиусе пятна в «перетяжке» (r_n) и глубине резкости (∆). В рамках предложенной физической модели фокусировки можно провести ее оптимизацию с целью нахождения минимального значения (r_n)_min и максимального значения (I_S)_max.

Интенсивность лазерного излучения определяется по формуле:

,                                             (1)

где θ – угол расходимости фокусируемого лазерного пучка, мрад;

             θ₀ – дифракционный предел θ, мрад;

f – фокусной расстояние, см;

D – диаметр линзы, см;

α – константа, зависящая от радиусов кривизны поверхностей линзы и показателя преломления ее материала.