|
Распространено убеждение, что самый лучший способ доставить излучение
от лампы к лазерному стержню, это поместить лампу и стержень "в фокусах"
зеркального эллиптического отражателя. Подразумевается, что лампа и стержень
прямые, а "эллиптический отражатель" имеет вид отрезка прямого эллиптического
цилиндра. Естественно, что у такого отражателя не "фокуса", а фокальные линии,
и лампа со стержнем должны быть на эти фокальные линии как бы "надеты".
На самом деле утверждение о том, что применение эллиптического отражателя
это действительно путь к наивысшему кпд лазера с ламповой накачкой, как минимум,
небесспорно. Возможно в теории это и так (хотя сомневаюсь, чтобы кто-нибудь в
действительности проводил подробный вариационный анализ, чтобы из всех
возможных функций, описывающих форму отражающей поверхности, выбрать
наиоптимальнейший вариант, да еще и с учетом ненулевых диаметров лампы и
стержня), однако практика свидетельствует об обратном. Например, классический
плотноупакованный отражатель (лампа примотанная фольгой к стержню) в
большинстве случаев работает лучше. И требуется изрядно постараться, чтобы
эллиптический отражатель хотя бы приблизился по эффективности к
плотноупакованному.
Так зачем же платить больше? Если есть старый добрый осветитель с плотной
упаковкой, зачем пытаться применить сложный в изготовлении эллиптический
отражатель, да еще и с неопределенной перспективой по части улучшения лазерных
параметров?
А вот зачем. Эллиптический отражатель - это самый непосредственный (а может
и самый эффективный) способ разнести лампу и лазерный стержень друг от друга.
Чтоб не терлись они друг об друга боками, как в плотной упаковке, а "соблюдали
социальную дистанцию." А это, в свою очередь, нужно для того чтобы:
- Предохранить лазерный стержень на случай взрыва лампы. Если лампа взорвалась
в плотной упаковке - стержню однозначно каюк. В эллиптическом же отражателе
шансы стержня выжить гораздо выше.
- Разделить стержень и лампу по теплу. На самом деле даже ксеноновые лампы
имеют невысокий кпд преобразования электричества в свет, и больше половины
вложенной энергии переходит в них в тепло непосредственно (омический нагрев).
Если лампа и стержень находятся в тесном контакте, то лампа банально начинает
сбрасывать тепло в стержень, приводя к его перегреву, а возможно и к
растрескиванию.
- Разделить стержень и лампу по механике. Мгновенное выделение тепла в лампе в
момент вспышки это, по сути, небольшой взрыв. Со всеми присущими ему ударными
волнами и сотрясениями. Когда эти вибрации добираются до лазерного стержня,
они вполне в состоянии оказать негативное влияние на лазерную генерацию. В
практике жидкостных лазеров, например, известно, что генерация часто
прекращается вовсе не по снижению мощности накачки ниже порога и не по
накоплению каких-нибудь побочных продуктов в лазерной среде, а просто когда
акустическая волна от лампы доходит до кюветы с жидкостью и сотрясает ее так,
что волны показателя преломления приводят к разъюстировке резонатора.
Итак, как сделать эллиптический отражатель? Вот несколько вариантов.
Взять дисковую фрезу, поставить ее накосо и профрезеровать канавку в цельном
материале.
Поскольку проекция окружности, по которой движутся зубья фрезы, на плоскость
рисунка есть эллипс, то и получающаяся в результате форма есть эллиптический
цилиндр, математически правильный с точностью до биений инструмента и
погрешностей станка. Далее ее останется только отполировать (И, возможно,
покрыть отражающим слоем). Для размещения лампы и стержня потребуется еще
знать положение фокусов получившегося эллипса (в сечении). Однако эта
проблема решаема, путем измерения (штангенциркулем) большой и малой полуоси
эллипса и применения несложной математической формулы: c = sqrt(a^2-b^2),
где a - большая полуось,
b - малая полуось, c - половина расстояния между
фокусами.
-
Можно взять обычную (круглую) цилиндрическую трубку из хорошо отражающего
свет металла (медь, бронза, алюминий), пластически деформировать в тисках,
а затем отполировать:
Точно также, как и в предыдущем случае, определить положение фокусов эллипса
поможет формула: c = sqrt(a^2-b^2), где a и b - длины большой и малой
полуосей, измеренные Вами после того, как отражатель вынут из тисков и
упругие напряжения в нем релаксировали.
-
Можно взять станок с числовым программным управлением и просто заказать ему
сделать эллиптический отражатель с нужными параметрами. Заодно станок
справится и с созданием торцевых заглушек, в которых отверстия под лампу и
стержень будут точно спозиционированы на фокальных осях отражателя.
Недостаток первого метода очевиден. Нужен фрезерный станок. А это, как
говорится, не каждому дано.
Недостаток второго метода - форма отражающей поверхности, заметно
отличающаяся от математически правильного эллипса. Впрочем большинство неудач,
связанных с применением этого типа отражателя связаны обычно вовсе не с плохой
фокусировкой, а с неправильным проектированием и применением отражателя
(подробнее об этом - ниже).
Что до третьего варианта, то он был бы и вовсе недостоин внимания (ну, да: где
уж нам уж CNC-станок, если и обычного фрезерника-то нету?) если б не 3D печать.
Действительно, широко используемый мной во всех проектах ручной гравер Proxxon,
например, стоит не дешевле, а ДОРОЖЕ большинства бюджетных моделей 3D-принтеров.
Многие не рискуют покупать себе 3D-принтер, считая его несерьезной игрушкой, по
сравнению с тем же Proxxon'ом. И действительно, такое впечатление легко может
сложиться, глядя на аляповато-нелепые фигурки, которые повсюду в Сети
приводятся в качестве примеров результатов 3D-печати. Однако, подобное
впечатление ложно. 3D-принтер является весьма серьезным подспорьем в DIY
проектах, и, если Вы еще не обзавелись таковым - весьма рекомендую.
Прежде, чем начинать переводить металл или пластик, стоит эллиптический
отражатель рассчитать или спроектировать. Что это означает на практике?
Одна из часто возникающих задач - необходимость разнести лампу и стержень
на столько-то миллиметров, не превышая заданный габарит. Эта задача решается
просто: если h - требуемая величина зазора между поверхностью стержня и
поверхностью лампы, то необходимое расстояние между осями стержня и лампы будет
равно h+r1+r2, где r1 и r2 - радиусы лампы и стержня. Далее заметим, что
расстояние между осями, это и есть расстояние между фокусами, т.е. 2c=h+r1+r2.
Габарит эллипса определяется его длиной его большой оси (2a). Применяя формулу
b=sqrt(a^2-c^2), определяем недостающий размер 2*b (длину малой оси) и можем
идти чертить отражатель. (Функция sqrt обозначает квадратный корень.)
Существенно сложнее решается задача, как смять трубку известного диаметра так,
чтобы расстояние между фокусами стало равно необходимой величине? Для решения
этой задачи вспомните, что при сжатии периметр (длина окружности) трубки не
изменится. То есть из всех эллипсов с периметром, равным длине окружности
сечения исходной трубки, надо выбрать такой, у которого расстояние между
фокусами равно заданному. Задачка отнюдь не в два действия и, если Вы
затрудняетесь ее решить самостоятельно, Вам поможет небольшая утилита:
В правом верхнем углу рабочего окна которой расположен вспомогательный
инструмент - окошко программки, рассчитывающей два недостающих параметра
эллипса по двум известным (Всего параметров четыре: a - большая полуось,
b - малая полуось, c - полурасстояние между фокусами, p - периметр.) В полях
ввода задайте параметры, которые необходимо искать, равными нулю. Введите
два других параметра и нажмите кнопку "calculate". На рисунке выше инструмент
обведен красным пунктиром и на него указано красной стрелкой.
Введите длину окружности трубки в поле p и требуемое полурасстояние между
фокусами в поле c, нажмите "calculate" и получите информацию о недостающих
параметрах a и b. Далее можно идти мять трубку в тисках, добиваясь нужных
размеров полуосей эллипса.
Еще сложнее задача: если известно расстояние между фокусами 2*c, радиусы
лампы и стержня r1 и r2, а также отражающая способность покрытия осветителя
refl, как выбрать размеры эллипса а и b, чтобы эффективность передачи света
была не ниже определенного уровня? Для этой цели также пригодна утилита "калькулятор эллиптических отражателей", но на этот раз придется воспользоваться
ее основным окном. Несмотря на простецкий внешний вид, это полноценный
трассировщик лучей, причем трехмерный. Размеры лампы, стержня и эллиптического
отражателя могут задаваться в любых единицах (дюймах, миллиметрах, аршинах),
главное, чтобы эти единицы были для всех величин одинаковыми.
После того, как Вы (успешно) задали все параметры и пихнули кнопку "OK" а
затем "Raytrace", Вы получите следующую картинку:
Наиболее важным числом для Вас будет количество света, дошедшее от лампы
до стержня (обведено красным пунктиром и на него указано красной стрелкой).
Оно указано, как в абсолютных единицах (в количестве лучей, испущенных
источником), так и в процентах. По сути эти проценты и есть эффективность
Вашего выбранного эллиптического отражателя по отношению к передаче света
от лампы выбранного диаметра к стержню выбранного диаметра.
Как добиться максимальной эффективности передачи света в эллиптическом
отражателе? Обычно считается [1,2],
что для этого нужно, чтобы лампа и стержень
были как можно ближе друг к другу, и при этом, чем больше отношение длины любой
из полуосей эллипса к радиусу стержня и лампы, тем лучше. (При таком выборе
геометрии, большая и малая полуоси эллипса становятся почти равны друг другу,
а сам эллипс больше похож на круг, что позволяет говорить о "среднем диаметре"
эллипса.) Только вот, кого устраивают подобные рекомендации?
Прижимать стержень к лампе вплотную? - Для этого есть плотная упаковка. А на
применение эллиптического отражателя мы и идем, чтобы отнести стержень и лампу
друг от друга подальше.
Увеличивать средний диаметр отражателя? - Но тогда резко растет утечка света
через торцы, и кпд отражателя падает. Да и лампа со стержнем никогда не бывают
достаточной длины для того, чтобы утечкой можно было пренебречь.
Что еще можно порекомендовать? На мой взгляд, приемлемых с практической точки
зрения общих рекомендаций тут нет. Подбирайте соотношения размеров полуосей
эллипса к размерам лампы и стержня и расстоянию между ними до тех пор, пока
результат Вас не устроит. Помните, что идеал недостижим, - ищите компромисс.
Бодрее всего кпд лазера реагирует на отношение диаметра лазерного стержня к
диаметру лампы. Чем толще стержень и тоньше лампа тем лучше. Впрочем, слишком
тонкую лампу выбрать Вы не сможете - сильно сократится ее допустимая энергия
вспышки. На практике, если стержень процентов на двадцать толще ламы - уже
хорошо. Если в полтора раза - просто отлично.
Следующее, от чего кпд лазера зависит довольно сильно, - это коэффициент
отражения покрытия отражателя. Это довольно странно, поскольку обычно считается,
что это в плотной упаковке свет гуляет от стенки к стенке, пока не поглотится
(световой котел), а в эллиптическом отражателе свет испытывает одно, ну
максимум, два отражения, после чего поглощается в стержне либо утекает. И тем
не менее, замена алюминия (refl=0.7) на медь или бронзу (refl=0.85) существенно
поднимает выход энергии из лазера. А посеребренный отражатель (refl=0.95) может
давать полуторакартный (!) выигрыш в энергии по сравнению с алюминиевым. Причем
это подтверждается и опытом и расчетом.
Изменить коэффициент отражения покрытия в программе Вы можете в этом поле
ввода:
Как и ранее оно обведено красным пунктиром и на него указано стрелкой.
Строкой ниже идет параметр endRefl - коэффициент отражения (зеркальных)
торцевых заглушек отражателя. Никто не заставляет Вас делать их из того же
материала, что и основной отражатель. Более того, установив этот параметр
в ноль, Вы можете посмотреть, насколько снизится кпд Вашего осветителя при
полном отсутствии заглушек, - понять, а так ли необходимо их ставить вообще.
А вот от сплюснутости эллипса, от отклонений его формы от математически
правильной, а также от небольших смещений лампы и стержня относительно фокусов
эффективность передачи света зависит довольно вяло. Также слабо она зависит и
от отношения среднего диаметра эллипса к диаметрам стержня и лампы и к
расстоянию между ними. А это, в свою очередь, значит, что Вы можете без
существенных потерь использовать довольно сплюснутые эллипсы. Это дает выигрыш
в компактности, уменьшает утечку через торцы, а самое главное - позволяет
использовать биэллиптическую конфигурацию. "По классике" считается, что
применив сдвоенный эллиптический отражатель и две лампы Вы не можете добиться
увеличения энерговклада в стержень и лишь только повышаете однородность накачки.
Это верно лишь для округлых эллипсов и когда стержень сильно тоньше лампы. В
прочих случаях применение биэллиптических отражателей с двумя лампами дает
существенный выигрыш в энерговкладе (и в выходной энергии лазера тоже). Мне,
например, удавалось найти (и применить) конфигурацию биэллиптического
отражателя, которая дает в 1.6 раза больший энерговклад, чем одиночный эллипс
той же сплюснутости и на 40% больше, чем одиночный округлый эллипс.
Впрочем тут все сильно зависит от условий и, в частности, от того же
отношения диаметра стержня к диаметру лампы, поэтому для Вашей задачи Вам лучше
будет подобрать оптимальное отношение самостоятельно. Для этого в калькуляторе
служит галочка "cutoff":
Обведено красным пунктиром и указано стрелкой. Если эту галочку поставить,
программа "обрежет" эллипс плоскостью, через которую проходит ось стержня. Так
Вы получите кпд половины биэллиптического отражателя. В силу симметрии, кпд
целого биэллиптического отражателя будет точно таким же. Вкладываемая энергия
будет равна энергии источника, умноженной на кпд (с точностью до тех фактов,
что кпд самой лампы не равен 100%, да и не весь спектр ее излучения поглощается
в стержне). А поскольку лампы в биэллиптическом отражателе у нас две, то и
исходная энергия источника должна быть удвоена. Т.е. если, скажем, Вы получили,
что половина биэллиптического отражателя имеет кпд на 30% меньший, чем исходный
полный эллипс, то это означает, что полный энерговклад в стержень ВЫШЕ чем в
полном эллипсе (поскольку 2 * 0.7 = 1.4 > 1).
Закончив с расчетами и проектированием, можно перейти к изготовлению
эллиптического отражателя. Как Вы теперь знаете, неточность формы слабо влияет
на эффективность, поэтому хороший отражатель можно получить и путем сжатия
круглой трубки до пластической деформации. К сожалению, полировать такие трубки
изнутри неудобно, да и контроль качества полировки, как минимум, затруднен.
Для полировки смятую трубку можно было бы распилить пополам, однако остаточные
механические напряжения при этом релаксируют так, что отклонения формы от
эллиптической уже нельзя будет назвать не то что малыми, но даже и "умеренными".
То, что вы получите в сечении будет на вид напоминать скорее чечевицу, чем
эллипс или даже овал.
Чтобы сохранить форму, сжатую трубку перед распиловкой следует как-нибудь
укрепить. Например, путем установки в подходящую опалубку и заливки оловянно-свинцовым припоем, как это было рекомендовано господином Rapp на его прошлом
сайте http://www.pulslaser.de/ в заметке про лазер на красителе. Вместо припоя
залить можно и эпоксидной смолой. Последовательность операций показана на
следующем рисунке.
Пробные отражатели на основе деформированных алюминиевых трубок, залитых в
опалубку эпоксидной смолой успешно эксплуатировались в моих лазерах на
красителях с ламповой накачкой. Причем разницы
между эффективностью отражателей на основе пластически деформированных трубок
и эффективностью отражателей на основе упруго деформированных трубок (форма
которых должна быть ближе к правильному эллипсу) замечено не было.
Отдельно надо сказать о торцевых заглушках. Если Ваш лазер имеет малое
удлинение (а так обычно и бывает), использование зеркальных крышек на торцах
эллипса заметно поднимает эффективность доставки света от лампы к стержню.
Причем заглушки
- должны быть именно зеркальными (не должны быть матовыми);
- должны быть плоскими;
- должны быть довольно точно сьюстированы так, чтобы плоскость зеркала
заглушки была перпендикулярна оси эллипса (и осям лампы и стержня).
Требование к точности установки здесь, конечно же, не такие жесткие, как к
зеркалам резонатора, однако позвольте торцевым заглушкам иметь скос всего в
каких-нибудь 10 градусов и можете вовсе не заморачиваться с их применением,
считайте, что их попросту нет.
Торцевые зеркала эллиптического резонатора могут быть сделаны не только из
полированного металла, но и из стекла. Прекрасные результаты дает применение
обычных ("бытовых") стеклянных алюминированных зеркал, обрезанных в размер
алмазным инструментом и в которых пропилены канавки для укладки в них лампы и
стержня.
Неплохо себя зарекомендовали отражатели на основе 3D-печатных форм. Процесс
в целом таков:
- Разрабатываете или скачиваете 3D-модель
- Экспортируете g-код из своего слайсера
- Печатаете
- Наклеиваете алюминиевую или медную (лучше, конечно, посеребренную) фольгу
на эллиптическую поверхность деталей.
- Полируете до зеркального блеска.
- Печатаете торцевые заглушки и делаете к ним зеркала из полированного металла
или металлизированного стекла. Опционально - приклеиваете зеркала к
заглушкам.
- Собираете все воедино.
Некоторых пояснений требует пункт 4. Не так просто, оказывается, подобрать
клей, который хорошо бы держал металлическую фольгу на поверхности деталей из
PLA, ABS или PETG. Из доступного, неплохие результаты дают эластичные клеи,
навроде клея №88 и резинового клея. Тем не менее, на этапе полировки следует
соблюдать аккуратность, чтобы не отодрать наклеенную фольгу от поверхности
деталей.
Вот несколько полезных готовых моделей на укачку:
Квантрон под стержень диаметром 5 мм, длиной 30-50мм и небольшую
фотографическую лампу (продается как лампа для SB-600).
СКАЧАТЬ
 Биэллиптический квантрон под стержень диаметром 5 мм, длиной 30-50мм и две
фотографических лампы (от SB-600)
СКАЧАТЬ
 -
Квантрон под рубиновый стержень диаметром 8.5 длиной 80 мм и отечественную
ксеноновую лампу ИФП-800, также известную как ИНП3-7/80. Помните, что в отличие
от четырехуровневых неодимовых лазеров, трехуровневый рубин терпеть не может
непросвеченных областей.
СКАЧАТЬ
Квантрон под YAG:Nd стержень диаметром 7 длиной 110 мм и отечественную
криптоновую лампу ДНП-6/90.
СКАЧАТЬ
ДИАГНОСТИКА
До тех пор, пока Вы не испытали эллиптический отражатель в лазере, Вас всегда
будут мучить сомнения: правильно ли работает эллипс, правильно ли выбраны
позиции для лампы и стержня и т.д. Если Ваш отражатель разделим в плоскости,
проходящей через фокальные линии, - есть сравнительно простой метод эти
сомнения развеять.
Возьмите половину отражателя, уложите лазерный стержень
в гнезда отражателя, предусмотренные для лазерного стержня. (Вместо настоящего
стержня можно использовать любой другой стержень подходящих размеров, хоть бы
и карандаш.) Затем смотрите в отражатель сквозь то место, где должна быть лампа.
Гнезда в торцевых заглушках, предназначенные для установки лампы, подскажут Вам,
куда смотреть. Так вот, если отражатель сделан правильно, на том месте, где
должна быть лампа, должно быть видно отражение стержня в зеркальной поверхности
отражателя. Причем этот эффект сохраняется при просмотре практически под любым
углом. В зависимости от угла обзора слегка меняется лишь размер изображения
стержня.
То же самое можно наблюдать и установив на свое место лампу (или ее имитатор)
и глядя в отражатель через то место, где должен быть стержень.
- Bela A. Lengyel. Lasers, Second Edition. (C) 1971, by John Wiley & Sons,
Inc. ISBN 0 471 52620 7.
- Справочник по лазерной технике: Пер с нем. Под ред А.П. Напартовича.
М.: Энергоатомиздат, 1991. ISBN 5-283-02480-6
- W. Brunner, K.Junge. Wissenspeicher Lasertechnik. VEB Fachbuchverlag
Leipzig, 1987.
ISBN 3-343-00204-6
<< ГЛАВНАЯ СТРАНИЦА |
