多棱镜激光扫描非球面透镜聚焦系统研究

为了提高激光打孔生产质量和降低生产成本,提出了一种多棱镜旋转扫描非球面透镜聚焦在线打孔方案。系统将CO2激光器发出的连续光束经光调制器入射在多棱镜的其中一个表面上,光束经过反射依次扫入聚焦透镜组中。由于轴外像差和扫描速度失真会引起聚焦光斑的线性畸变,从而导致打孔形状的变化,通过选取非球面透镜对光束整形,在聚焦同时调整聚焦光斑的形状以控制打孔的形状。结果表明,在扫描系统中线性误差可控制在0.5%内,打孔大小形状满足生产要求,与传统激光打孔方式相比,提高了打孔的质量与效率。     

激光大尺度3维动态聚焦扫描加工系统研究

为了满足激光3维微加工不断提高的精度要求、不断增大的加工尺寸范围,以及加工效率的上升需求,采用理论分析和计算结合的方法,研制出由动态聚焦镜和2维扫描振镜组合的动态聚焦系统,与高精度X-Y-Z 3维高精度工作台集成为一台激光大尺度3维动态聚焦扫描加工设备。设计了焦距为100mm、视场角15、光阑口径7mm、后工作距137mm、相对畸变小于0.5%的远心f-镜和入光口径8mm、光学杠杆比1:8、后工作距800mm40mm的动态聚焦镜系统,并使用ZEMAX软件对系统关键光学部件动态聚焦镜和远心f-镜进行光学设计及系统性能评价。结果表明,通过工艺控制软件分层拼接,实现了460mm310mm50mm大尺度3维动态聚焦的高精度紫外激光微加工功能,在该3维扫描范围内,激光聚焦光斑直径始终保持小于10m,从而满足大尺度激光3维精密微加工需求。     

新型高功率激光加工用激光光束展宽方法的探索性研究

探索性地提出了一种基于新型扇形类抛物面聚焦镜的高功率激光加工用激光光束的展宽方法,并对该方法的实现原理和光路设计进行了研究与相关实验验证。根据几何光学原理,采用光线追迹的方法,对实际激光光束经新型光束展宽系统变换后的聚焦特性进行了分析。理论结果表明,通过光束展宽系统变换后,能够将原始圆形激光束连续扫描展宽为光强分布均匀的大尺寸(20~500 mm)弧形条状聚焦光斑。利用横流CO2激光器,对该光束展宽系统的实际光学变换特性进行了初步实验研究,实验结果与理论结果相符合。     

基于自适应镜的可变圆光斑激光熔覆光学系统

为实现不等壁厚复杂零件的激光增材制造,设计开发了一种基于自适应镜的可变圆光斑激光熔覆光学系统。系统由反射式抛物准直镜、反射式自适应镜和反射式抛物聚焦镜等组成。通过气压比例阀调节自适应镜腔内气压,改变自适应镜表面曲率半径,使光束以不同程度的会聚角或发散角入射到反射式抛物聚焦镜,从而改变作用在工件表面的激光光斑大小。建立了基于自适应镜变斑光学系统的物理模型,通过Matlab和Zemax软件仿真分析了自适应镜焦距的变化范围、反射式抛物准直镜与反射式抛物聚焦镜的焦距和位置,以及光纤激光光源参数等对系统变斑特性的影响。采用6 kW光纤激光器,按照变光斑、变功率、等速度、等功率密度的方案进行激光熔覆工艺实验,实现了壁厚由3 mm渐变到8 mm的椭圆形工件的激光熔覆增材制造。     

基于双缝干涉水导激光打孔的仿真研究

水导激光加工技术具有热效应小、精度高、无刀具损坏等优点,被应用到高精度元件的加工中。为减小激光聚焦光斑直径以利于激光与水射流的精确耦合、提高激光孔的质量,提出了基于双缝干涉原理以减小激光聚焦光斑直径的方法。构建了传统水导激光和双缝干涉水导激光打孔的几何模型和数学模型;基于COMSOL分别进行仿真,对比和分析了在激光束参数、加工条件均相同的条件下,传统水导激光和双缝干涉水导激光打孔时对激光孔轮廓的演化、热影响区域分布和重铸层大小的影响。结果表明:与传统水导激光相比,采用双缝干涉水导激光加工技术能有效地减小激光孔直径、锥角、热影响区域宽度和重铸层大小,在现有条件下进一步减小激光聚焦光斑直径。     

激光打标机聚焦性能的优化设计

一般动态聚焦打标机在聚焦镜前加一套准直扩束系统,随扫描振镜的转动,同步调整准直扩束系统的位置,使激光束始终聚焦在打标平面上。但对更大幅面,聚焦效果不够理想,边缘部分比较模糊。为了适应更大幅面的打标,在原准直扩束系统的基础上,设计了动态准直扩束系统,通过优化设计准直扩束系统的运动轨迹,进一步提高了聚焦性能。经优化后的聚焦指标性能提高了20%,实现了小光斑、大范围的激光打标。同时利用多项式对扩束镜的轨迹进行拟合,提高打标速度,并利用分段线性插值查找表的方法对边缘部分的枕形失真进行校正。经装机测试,该系统打标效果好,能满足使用要求。     

光束特性的精确测量

在很多应用场合,激光能够被聚焦的光斑尺寸是如同激光输出功率一样重要的指标.比如说,激光倍频过程主要取决于激光能量密度的面积;工业激光器打孔的深度也取决于激光的强度,孔的直径与光斑的尺寸成比例.     

凸轮激光热处理控制轨迹研究

为了解决凸轮激光热处理过程中热效应相等的问题,在保证激光光斑在工件曲线表面的相对扫描速率恒定、热处理过程中激光聚焦镜中心到工件轮廓表面的距离不变以及激光束始终沿工件轮廓面的法线方向入射的技术基础之上,提出了控制激光光斑匀速运动的瞬时同心异径算法。同一时刻,工件轮廓表面与等距线上对应点具有相同的圆心,通过设定的工件轮廓表面恒定扫描速度,可以反求出位于等距线上相应点激光头的速度,进而对激光头进行控制。利用MATLAB进行了仿真计算,得出了等距线上激光头的速度值。结果表明,该算法可以解决激光热处理过程中激光头的速度问题。     

高功率半导体激光堆栈双波长合束及聚焦系统

针对两种波长的直接高功率半导体激光堆栈,为适应半导体激光在材料加工方面的需求,设计一种双波长合束及长焦距光学系统。首先,利用快慢轴准直镜对两种波长的激光堆栈进行初步准直,然后,用双波长合束镜将其合束。进而,利用倒置开普勒望远系统原理对慢轴光束进一步扩束准直,最终,用快慢轴聚焦镜实现同步聚焦。利用光参数积原理对聚焦系统进行理论分析,并根据瑞利长度公式计算出焦深。用ZEMAX软件对整个光路进行光线追迹,得出模拟结果。根据理论分析和软件模拟,开展相应实验。经合束和聚焦,实现焦距300 mm,焦点尺寸2.0 mm4.0 mm的聚焦光斑,输出功率5 000 W,功率密度达104瓦级。最后讨论该系统影响因素。聚焦光斑可用于激光熔覆,表面处理等工艺。     

抛物面反射镜同轴控制技术的研究

为了实现对导弹导引头红外跟踪系统中抛物面反射主镜的装配角度进行监控和调试,提出了一种通过电荷耦合器件接收抛物面反射镜的聚焦光斑,同时旋转抛物面镜,采集光斑重心位置信息,并利用最小二乘法对光斑重心轨迹进行拟合,从而计算出光轴与结构中心轴之间的偏心角的实现方案。对实现方案进行了理论分析和实验验证,不同于通常的透射聚焦镜关系,得到该环状抛物面反射主镜的装配偏心角α与焦斑重心轨迹圆半径R间的线性关系式中的系数为1.13。结果表明,该系统能够应用于对抛物面反射主镜装配角度的测试和监控。     

扫描器运动控制特性测试系统

介绍了扫描器运动特性参数动态非接触光学测试系统的工作原理。利用大量程线阵光电位置传感器(PSD)实现扫描范围、工作频率、扫描速度均匀性和时间利用率的测试;利用小量程PSD结合长光路,实现静态零位重复性、动态零位重复性的测试;利用柱面透镜汇聚水平方向的光线,用PSD测试竖直方向的运动信号,根据物理模型实现了反射镜面与旋转主轴的平行度的测量;系统利用磁栅尺和圆弧机械结构实现了系统角度测量的自校准功能。     

线扫描SLS RP系统的原理和工艺优势

一种新的线扫描选择性激光烧结快速成型(SLS RP)方法可以提高成型效率和对大工件的加工质量。它与一般振镜点扫描完全不同。它使用柱面透镜组将CO_2激光器输出的圆光束改变为细长线束,从点(直径为0.13mm)到最大设计线长(40mm)实现无级变长以适应烧结层面的几何形状。通过对激光功率、扫描速度与线束长度的优化匹配,实现对各种有机粉末材料的有效烧结。应用实践证明这种线扫描工艺的成型效率和加工质量尤其是对大工件的加工质量优于振镜点扫描的工艺方法,可以很大地扩展SLS RP工艺的应用范围。     

利用半导体激光选择性烧结的快速成型技术

提出了一种新的基于半导体激光的选择性激光烧结快速成型方法。由若干个单独驱动的高功率半导体激光器形成线阵,经过光学准直器,在工作面上形成若干激光短线,并连成与线阵长度相等的激光线束。扫描方式采用导轨Ｘ－Ｙ联动,不存在振镜扫描的“圆弧效应”,因而提高了质量。     

圆锥近似Wolter-I型X射线望远镜用柱面反射镜面形误差检测方法

基于热弯玻璃的圆锥近似Wolter-I型X射线聚焦望远镜采用在凸柱面镜模具上热弯超薄玻璃的反射镜片制作方式,柱面镜低频面形误差和中频波纹度是影响望远镜聚焦性能的主要因素,因此高精度快速检测凹凸柱面镜中低频表面误差是研制中的关键技术。传统的柱面样板法无法检测超薄镜片,且只能检测对应样板半径的面形,检测效率低,无法满足要求。采用基于计算全息的零位补偿干涉检测法和激光扫描两种方法,对超光滑凸柱面模具和超薄凹柱面镜片进行快速定量检测,计算了两种检测方法的功率谱密度,通过表面的斜率误差拟合得到点扩散函数曲线和半功率直径。结果表明:两种方法都能够快速定量表征中低频表面误差对X射线望远镜角分辨率的影响,为提高反射镜制作精度和改善X射线望远镜聚焦性能提供了技术支撑。     

提高制作光纤光栅时飞秒激光光斑质量的方法

由于光纤自身固有的圆柱形结构,在飞秒激光逐点刻写光纤布拉格光栅过程中会产生柱透镜效应,使得聚焦光斑呈长条状,对刻写光栅结构产生不利影响。基于几何光学原理分析了产生长条状光斑的原因,并提出了一种有效地改善聚焦光斑质量的方法。实验中,将待写光纤夹在玻璃板之间并填充折射率匹配液,运用800 nm钛蓝宝石飞秒激光通过50×显微物镜聚焦在双包层光纤内,单脉冲曝光后得到了直径为1.5μm圆形光斑,方法简单,易于操作。光斑质量的提高扩展了飞秒激光在光纤微细结构制作中的应用。     

离轴抛物面镜对超短激光脉冲紧聚焦特性的研究

为了研究超短激光脉冲光束质量对焦斑的影响,采用经典的几何模型进行了理论模拟分析,并实验研究了离轴90°抛物面镜的飞秒激光光束的紧聚焦特性。由理论分析和实验结果可知,当入射失准角为3mrad时,将从空间上使焦斑峰值功率密度减半,失准角的存在将引起到达靶面的激光脉冲的时间展宽从而降低焦斑峰值功率密度;利用3TW钛宝石飞秒激光系统,通过ƒ/1离轴90°抛物面镜对激光束进行紧聚焦,得到最佳焦斑尺寸为5.6μm×5.4μm,对应于3mJ和96mJ的飞秒脉冲激光光束的焦斑峰值功率密度分别为3.83×1017W/cm2和1.23×1019W/cm2。结果表明,该研究为开展激光与固体、气体、团簇等物质相互作用的相关实验提供了重要的参考。     

一种大功率激光加工用新型宽带光斑成形抛物面镜

介绍了一种大功率激光加工用新型宽带光斑成形抛物面镜的设计原理和实验结果.根据几何光学原理,采用光线追迹的方法对该抛物面镜的光斑进行分析,证明通过抛物面镜反射聚焦后,能够将原始圆形激光束整形为光强分布均匀的窄条形光斑.并利用该新型抛物面镜及横流CO2激光器,对45#钢进行了激光相变硬化研究,测量了淬火带尺寸和淬硬层深度,并对硬化层形貌及其金相组织进行了观察和分析.结果表明,当激光器输出功率为3 kW,窄条光斑长度12 mm,扫描速度15 mm/s时,该45#钢淬硬层硬度值可达540～580 HV0.3,是非淬硬层的3.5～4倍.淬硬层深度约为1 mm,单道淬火宽度10 mm以上,硬化层分布均匀.     

动态聚焦条件对脉冲CO2激光骨硬组织消融的影响

激光辐照生物组织消融过程中由于工作距离的变化引起的离焦现象对消融效果具有重要影响。以新鲜离体牛胫骨组织为实验样品,置于一维电动平移台上,移动速度为5.5mm/s;脉冲CO2激光(10.64μm)平行光束经一可移动聚焦透镜后垂直辐照样品表面,光斑直径为200μm。实验时通过移动聚焦透镜位置改变焦点位置,实现消融过程动态聚焦。激光辐照功率为6W,脉冲频率为420Hz,水喷雾协同工作,喷水速度为5.5mL/min。辐照后,利用扫描电镜观察消融凹槽微结构,用光学相干层析成像(OCT)技术测量消融凹槽深度。结果表明,动态聚焦条件可显著提高消融速率,消融深度随等效脉冲数增加而增加,消融速率呈减小趋势;在动态聚焦条件下获得的消融凹槽的表面形貌和微结构较离焦条件下更不规则。     

近距离激光武器光学系统特性分析

对强激光近距离毁伤光学系统进行了优化设计,通过理论分析和外场实验研究了基于椭球镜光学系统的聚焦特性,并与传统的基于抛物面镜的光学系统进行了比较。优化了强激光近距离毁伤系统的发射光学系统,对光学系统的聚焦光斑进行了理论计算和仿真,分析了不同系统的激光光斑大小和功率密度。最后,通过外场毁伤实验,对设计结果进行了验证。实验结果表明,基于椭球镜的强激光近距离毁伤光学系统具有更小的衍射光斑分辨率和更高的能量集中度。