激光打孔系统中扫描弧形柱面聚焦系统的研究
发布时间：2021-04-08 03:15
激光打孔与传统的打孔方式相比存在极大的优势,它在工业中的应用非常广泛。随着激光打孔技术应用范围的逐渐增加,被加工的材料已经可以从薄板扩充到烟支、缓释药片等,此类材料厚度不大但表面呈曲面,且一般加工数量较多,对速度要求较高,这对激光打孔设备和工艺提出较高的要求,传统的激光打孔设备由于只能在平面上打孔极大限制了其应用范围。鉴于烟支表面打孔这种应用需求,本文研究了一种在柱面这类曲面上的扫描聚焦方式来实现激光打孔。为了实现在曲面上激光打孔的目的,提升激光打孔的质量,本文提出了一种扫描弧形柱面聚焦激光打孔系统。首先分析了激光的特点和激光与物质作用的规律,对传统的激光打孔聚焦方式的特点和光束整形原理以及光束传输特性进行了研究,并基于上述几点设计扫描柱面聚焦激光打孔的总体方案。总体方案中首先选择了最大输出功率为250W,波长为10.6μm的CO2激光器,针对此类大功率激光器采用了水冷的方案,控制系统应用的是成熟的基于ARM和CPLD的联合控制,而机械系统则是设计了一套基于负压吸风鼓轮带烟装置,这类装置将会结合光学聚焦系统实现在柱面上打孔的目的。接下来在光学系统中使用光学软件建模...
【文章来源】：江苏大学江苏省
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
烟支嘴棒激光打孔效果图
江苏大学硕士学位论文9第二章激光打孔原理分析及系统构成方案2.1激光打孔原理激光打孔技术相比于传统打孔技术存在着巨大的优势，它在工业加工中有着非常广泛的应用。尤其随着被加工材料的形状越来越复杂，例如对烟支嘴棒这类柱面物体的激光打孔，这对激光打孔技术的改进提出了较高要求。对激光打孔技术进行研究的首先需要了解其原理。2.1.1激光产生原理原子核以及核外电子组成了原子，而其内能是由核外电子绕原子核转动的动能加上原子核吸引核外电子的位能组成，如果电子和原子核之间的距离由于外部作用而增加或减少，那么原子的内能也会增加或减少。只有当电子在离原子核最近的轨道上运动时，它才是稳定的，这种状态称之为基态。若外界传输一定能量给原子时，原子的内能则会增加，外电子的轨道半径扩大，就会被激发至高能级，称为激发态或高能态[41]。如图2.1所示，E2、E3是高能态，E1是基态。图2.1氢原子能级图Fig.2.1Energyleveldiagramofhydrogenatom在高能级的原子处于受激发态通常是不稳定的，当它回到低能级并伴随着释放能量的过程称之为跃迁。原子在基态这类状态中是可以长时间存在的，而在激发态中，原子在各种高能级的驻留时间（称为寿命）通常都很短，一般情况下约为0.01μs左右。然而，
江苏大学硕士学位论文11激励等。例如，红宝石激光器采用的是光激励，氦氖激光器采用的是电激励，染料激光器采用的是化学激励[44]。图2.2粒子数反转的建立和激光的形成Fig.2.2Establishmentofinversionofparticlenumberandlaserformation激光器虽然有很多种类和不同的组成物质，但一台激光器通常主要有以下三部分组成，即工作物质、激励源、光学谐振腔。1）工作物质事实上合适的工作物质是激光产生的必要条件，如气体、液体、固体、半导体等，因为激光产生的必要条件之一是粒子数反转，因此我们需要在此类介质中产生粒子数反转，此外亚稳态能级的存在可以帮助我们实现粒子数反转，此类的工作物质已经达到上千种，基于此的激光波长已经覆盖了相当宽的波段。2）激励源粒子数反转并非凭空产生，它需要一定的能量支持，使其处于高能级的粒子数增加，我们将这种能量支持叫作激励，激励可以采取几种形式，例如借助于具有动能的电子通过气体放电来激发工作物质；脉冲光源也可以用于照射工作物质，称之为光激励；此外也有化学激励、热激励等。以上各种激励方式通常称之为泵浦。此类激励必须持续进行以不断获得激光输出[45]。3）光学谐振腔上面两点满足后已经可以获得激光了，但是这样的激光即受激辐射强度较低，无使用价值，后来研究人员研发出了光学谐振腔对较弱的受激辐射进行放大。一般情况下光学谐振腔是由具有特定的几何形状和光学特性的两块反射镜依据
本文编号：3124741
【文章来源】：江苏大学江苏省
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
烟支嘴棒激光打孔效果图
江苏大学硕士学位论文9第二章激光打孔原理分析及系统构成方案2.1激光打孔原理激光打孔技术相比于传统打孔技术存在着巨大的优势，它在工业加工中有着非常广泛的应用。尤其随着被加工材料的形状越来越复杂，例如对烟支嘴棒这类柱面物体的激光打孔，这对激光打孔技术的改进提出了较高要求。对激光打孔技术进行研究的首先需要了解其原理。2.1.1激光产生原理原子核以及核外电子组成了原子，而其内能是由核外电子绕原子核转动的动能加上原子核吸引核外电子的位能组成，如果电子和原子核之间的距离由于外部作用而增加或减少，那么原子的内能也会增加或减少。只有当电子在离原子核最近的轨道上运动时，它才是稳定的，这种状态称之为基态。若外界传输一定能量给原子时，原子的内能则会增加，外电子的轨道半径扩大，就会被激发至高能级，称为激发态或高能态[41]。如图2.1所示，E2、E3是高能态，E1是基态。图2.1氢原子能级图Fig.2.1Energyleveldiagramofhydrogenatom在高能级的原子处于受激发态通常是不稳定的，当它回到低能级并伴随着释放能量的过程称之为跃迁。原子在基态这类状态中是可以长时间存在的，而在激发态中，原子在各种高能级的驻留时间（称为寿命）通常都很短，一般情况下约为0.01μs左右。然而，
江苏大学硕士学位论文11激励等。例如，红宝石激光器采用的是光激励，氦氖激光器采用的是电激励，染料激光器采用的是化学激励[44]。图2.2粒子数反转的建立和激光的形成Fig.2.2Establishmentofinversionofparticlenumberandlaserformation激光器虽然有很多种类和不同的组成物质，但一台激光器通常主要有以下三部分组成，即工作物质、激励源、光学谐振腔。1）工作物质事实上合适的工作物质是激光产生的必要条件，如气体、液体、固体、半导体等，因为激光产生的必要条件之一是粒子数反转，因此我们需要在此类介质中产生粒子数反转，此外亚稳态能级的存在可以帮助我们实现粒子数反转，此类的工作物质已经达到上千种，基于此的激光波长已经覆盖了相当宽的波段。2）激励源粒子数反转并非凭空产生，它需要一定的能量支持，使其处于高能级的粒子数增加，我们将这种能量支持叫作激励，激励可以采取几种形式，例如借助于具有动能的电子通过气体放电来激发工作物质；脉冲光源也可以用于照射工作物质，称之为光激励；此外也有化学激励、热激励等。以上各种激励方式通常称之为泵浦。此类激励必须持续进行以不断获得激光输出[45]。3）光学谐振腔上面两点满足后已经可以获得激光了，但是这样的激光即受激辐射强度较低，无使用价值，后来研究人员研发出了光学谐振腔对较弱的受激辐射进行放大。一般情况下光学谐振腔是由具有特定的几何形状和光学特性的两块反射镜依据
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