【《多焦点菲涅尔透镜的原理及参数选择分析案例》5400字】

-PAGE1-多焦点菲涅尔透镜的原理及参数选择分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u6266多焦点菲涅尔透镜的原理及参数选择分析 1243281.1引言 178881.2夹层玻璃参数 1139051.3菲涅尔透镜光学原理 3306451.4菲涅尔透镜设计参数的选取 6139571.4.1菲涅尔透镜外形的选取 6248501.4.2菲涅尔透镜焦距的选取 773261.4.3菲涅尔透镜环距的选取 8101871.4.4菲涅尔透镜非工作面倾角的选取 8160031.4.5菲涅尔透镜材料的选取 91.1引言从待分离材料参数出发，在不同材料层中使用不同的激光切割原理，选择合适的多焦点透镜宏观参数，在传统菲涅尔透镜的原理的基础上，进行透镜外形，材料，焦距，非工作面倾角，环距等参数的选取。最终确定了合适的多焦点菲涅尔透镜基础结构。1.2夹层玻璃参数本文中所使用的用于切割分离的5+0.38+5mm夹层玻璃的主要参数如下REF_Ref19498\h表2-1所示。为一次性完成材料整体，因此在实际切割中至少需要3个激光焦点同时作用于夹层玻璃不同材料的每一层。本文使用的夹层玻璃中玻璃层是两块5mm厚的钠钙玻璃。中心PVB材料的厚度为0.38mm。表2-SEQ表2-\*ARABIC15+0.38+5mm夹层玻璃的主要参数表参数值PVB层参数玻璃层参数密度(kg/m3)11102470杨氏模量(Pa）1.49×1077.4×1010热传导系数(W/(m·K))0.20.8泊松比0.480.23热膨胀系数(×106·K-1)2609.1抗拉强度阈值(MPa)2030抗压强度阈值(MPa)NA630REF_Ref19498\h表2-1（续表）参数值PVB层参数玻璃层参数比热容(J/(kg·K))1963879软化温度(°C)60456熔化温度(°C)175511燃烧温度(°C)240554折射率1.4891.510在实际工程中，夹层玻璃中三个焦点的位置分别为各层材料中心，以上表面为基准，各焦点位置即为f1=1.5mm，f2=5.19mm，f3=7.88mm，如REF_Ref18838\h图2-1所示。图2-SEQ图2-\*ARABIC1夹层玻璃（5mm+5mm）中焦点分布位置示意图激光焦点位置与能量分布是透镜设计的重要参数，在上述夹层玻璃参数的基础上应该确定之后再进行透镜的具体参数设计。应用于分离上述玻璃的激光应该是三焦点式，三焦点分别作用于不同材料的每一层。第一，第三焦点分别作用于钠钙玻璃的上层及下层中心。第二焦点作用于中间PVB层中心，由于在激光切割领域中，PVB材料及钠钙玻璃材料不同的特性，其中钠钙玻璃材料具有典型的脆性玻璃材料特征，而PVB则是典型的非脆性材料，因此这两种材料应选用不同的激光切割原理进行分离。由于上下层分离材料相同，只是焦点位置不同，所以第一，第三激光焦点功率最好保持一致，这样才能保证整体切割效率。在切割方法的选用上，钠钙玻璃层选用最适宜脆性材料的激光热裂法，虽然激光热裂法有厚度的限制，但该方法可以更好的控制裂纹走向稳定扩展，并且由于本文使用的是多焦点加工因此可以突破该方法厚度方向的限制。而PVB层则选用最常用于非脆性材料切割的激光熔融法，达到材料熔化温度即可，由于PVB材料的熔化温度相较于玻璃材料的软化温度低很多，因此，三焦点中应保持第一第三焦点功率略大于第二焦点。对于夹层玻璃的2个玻璃层，激光能量的集中加热会导致玻璃层材料发生热膨胀，产生热应力。产生的诱导热应力应小于钠钙玻璃材料的临界抗压强度（630MPa），方能消除材料的磨损。如果热应力达到玻璃材料的临界抗拉强度，会使玻璃材料沿厚度方向产生断裂。该裂纹将会向激光移动方向稳定扩展，直至整个材料被切割分离。同时，夹层玻璃材料中的玻璃层的切割分离应选用激光热裂法完成而对于夹层玻璃的PVB层材料，由于PVB具有非脆性透射材料的特性，不能采用激光热裂法进行切割分离，应选用激光熔融法进行切割分离，第二激光焦点的功率选取应适当，使PVB层的受热温度高于材料的熔化温度，从而熔化分离PVB层。作用于中间PVB层的激光焦点对于材料的加热温度应大于材料软化，熔化温度（175°C），并小于材料燃烧温度（240°C），此情况下可避免PVB材料因过热产生的的损失。因此，多焦点激光切割是结合了激光热裂法和激光熔融法来实现夹层玻璃材料的一次性整体切割分离。不仅简化了夹层玻璃的分离流程，提高分离夹层玻璃的效率，如REF_Ref4087\h图2-2所示，而且可以实现无伤分离，有利于实现夹层玻璃分离在工业上的自动化，降低材料的成本。图2-SEQ图2-\*ARABIC2传统切割方法与多焦点激光复合分离夹层玻璃方法工艺流程对比图1.3菲涅尔透镜光学原理1821年法国物理学家菲涅尔（AugustinFresnel）发现，对于曲面透镜，其使光线偏折的部分在于透镜边缘的弯曲，而其余部分对光线偏折没有贡献。因此菲涅尔认为可以将对光线路径改变不发挥作用的透镜其余部分去除，并将剩余部分转移到同一个基面上，即可发挥与原本透镜相似的作用。这样就形成了菲涅尔透镜。依据菲涅尔理论，实现了球面透镜平面化的发展。如REF_Ref19759\h图2-3所示，这样光学元件仍可以保持其聚焦特性。组成了新型的光学元件，Fresnel透镜因菲涅尔原理而得名。该透镜别名为螺纹透镜。显然，螺纹透镜是以凸透镜为基础，也与凸透镜的光学特性相似，可以汇聚光线和成像。传统菲涅尔透镜由一系列同心圆形环带组成，利用环带代替传统球面透镜，其中每一个圆形环带等效于一个工作面，可调制不同位置的光线聚焦到不同焦点位置。由菲涅尔透镜原理可知其每个环带的工作面应为与原透镜曲率相同的曲面，可以是球面或非球面，但由于曲面透镜加工难度高、面型精度难以控制、制作成本高，在实际工程应用中可以使用倾斜平面代替曲面，大大降低加工设计成本。在本文的设计中，首先在每圆形环带中使用倾斜平面的形式聚光，如果无法达到所需设计标准，则对倾斜工作平面的面型精度继续优化至达到需求。图2-SEQ图2-\*ARABIC3菲涅尔透镜的结构形式图目前，菲涅尔透镜依据不同分类标准，有若干种类。依据其基面的不同，可分为弓形式菲涅尔透镜和平板式菲涅尔透镜，如REF_Ref19759\hREF_Ref11140\h图2-4所示。弓形式菲涅尔透镜的基面并非平面，而是曲面。其环带依据设计需求的不同分布于凸面或者凹面上。弓形面菲涅尔透镜的光学效率相较于平基面菲涅尔透镜较高，但是加工难度高，并且其基面为曲面，增加了安装调试难度。平面菲涅尔聚光器虽然聚光效率不如弓形菲涅尔透镜，但是其便于设计加工，便于存放安装。因此，平面菲涅尔透镜在聚光方面的应用更加广泛。（b）(a)（b）(a)图2-SEQ图2-\*ARABIC4不同类型菲涅尔透镜示意图（a）弓式线聚焦菲涅尔透镜（b）平板形点聚焦菲涅尔透镜依据聚焦方式不同，分为点聚焦式透镜和线聚焦式透镜，点聚焦式透镜将能量集中在焦平面上某一点，而线聚焦式透镜则是将光线聚焦在某条直线上。依据在实际应用中的需求选择合适的聚光形式，本文综合考虑到实际加工设计装调等问题，最终选用了平板式点聚焦模式。该形式透镜以平面为基面，由若干同心圆环棱镜组成，光线入射到透镜表面，经各个环带经折射或全反射后二次折射之后在预设焦点位置会聚，各环带的倾角以及面型参数决定了其焦点位置。本文采用分区设计的方法，不同区域焦点位置不同，设计了能量分布合理的多焦点菲涅尔透镜。可利用Snell定律为基础进行数值计算，本文以入射至环带中心位置的光线为基准进行设计，在设计过程中把透镜分为多个模块，其中不同模块在焦平面聚焦位置不同，把整个菲涅尔透镜分成不同模块分别设计，本文中主要分为三个区域：中心区、折射区及全反射区。每个区域聚焦位置不同，三个区域聚焦在三个位置，形成三个不同焦点。中心区为平凸透镜，聚焦处在距离透镜最近的玻璃层中心处。折射区为应用光折射原理的非球面面型圆环环带，聚焦处在夹层玻璃中间PVB层。全反射区为应用全反射原理的使用倾斜平面的圆环环带，聚焦位置在距离透镜较远的玻璃层的中心处。如REF_Ref29555\h图2-5所示。与传统的菲涅尔透镜相比具有高光学效率、厚度薄、加工容易等优点，并降低了系统加工成本。图2-SEQ图2-\*ARABIC5单个菲涅尔透镜环带设计原理图(a)折射棱镜结构（b）一次全反射棱镜结构1.4菲涅尔透镜设计参数的选取1.4.1菲涅尔透镜外形的选取本文设计的菲涅尔透镜采用平面基点聚焦结构。平面基菲涅尔透镜主要包含两种不同结构的透镜：平面朝外和平面朝内的菲涅尔透镜。两种平基面菲涅尔透镜的结构损失如下REF_Ref20906\h图2-6所示。图2-SEQ图2-\*ARABIC6透镜结构损失示意图(a)平面朝内型（b）平面朝外型对于平面朝内型菲涅尔透镜，结合实际中的光线折射位置，当光线正入射至环带表面时，在第一面不发生偏折，在倾斜工作面发生折射之后，到达焦点位置。然而，在各个环带靠近顶端倾角的位置处光线被遮挡，无法到达工作面发生二次折射(即为图中所示光线左侧部分)，不能折射到焦点，发生损失。相对的，对于平面朝外型菲涅尔透镜的结构性损失，当透镜F数过小时，设计得到的透镜环带倾角可能大于材料临界角，导致在透镜工作面上发生全反射而非折射，导致整体透镜光路走向不可控。上述两种结构损失中，平面朝外型的结构损失是由于各顶端环带倾角过大，大于透镜材料临界角引起，可以通过控制环带工作倾角范围来消除影响，相比之下，平面朝内型的结构损失则是无法在设计中通过控制参数范围来避免的，必然会对透镜整体光学效率产生影响，并且由于切割所用激光器功率较大，可能会导致实验器件损坏等无法预知的危险情况。平面朝外型透镜的结构损失可以通过设计避免，只要选择合适的焦距和F数即可避免，而平面朝内的菲涅尔透镜的损失则应归咎于结构缺陷，无法避免。因此，为提高整体切割效率，本文选择平基面平面朝外类型的菲涅尔透镜作为基础结构进行后续设计。1.4.2菲涅尔透镜焦距的选取由于环带倾角的过渡部分在加工过程中存在无法避免的误差（在倾斜工作面与平面基的过渡部分），为减小损耗需要减少环带数量，即增加各环带宽度。为实现透镜轻量化设计，及保证加工的方便，因此需要将透镜的整体厚度降到最小。以及为了便于加工安装调试携带，设定透镜的前一个表面为平面，另外一个表面的环带高度尽量小，需要合理选择以实现优化设计。另外，在靠近边缘位置利用非成像光学原理采用全反射原理的圆环环带，不仅可以提高光学效率，而且可以减小F数，减少光能损失。为防止在预期的三个焦平面上光线发生环形交叠，因此设定透镜内侧的焦距较小，并且随着环带半径的增大而依次增加，方便后续仿真及设计优化。在本文设计中，菲涅尔透镜需要在精确计算前确定的参数有：环带间距h，环带数p，透镜材料。宏观性能参数包括：透镜口径D以及焦距f。衡量透镜的重要参量之一是光学效率，菲涅尔透镜的光学效率可定义为透镜中透射光总能量与入射光总能量之比REF_Ref18332\r\h[19]。对于一般的平面菲涅尔透镜，在透镜的焦径比大于等于1.1时才有较高的光学效率(85%左右)REF_Ref1784\r\hREF_Ref18793\r\h[20]，越接近材料极限透过率的菲涅尔透镜能量损失越少。如下REF_Ref3476\h表2-2，本文中为实现较高的光学效率的同时减少损失，选用平面朝外的菲涅尔透镜，并且透镜F数大于1.1REF_Ref1425\r\h[16]。表2-SEQ表2-\*ARABIC2不同基面类型菲涅尔透镜比较REF_Ref1425\r\h[16]参数弧形基面平面朝外平面朝内理论光学效率高F>1.1后高光程最短，损失少加工难易程度难易易结构光学损失无第二楞开始有楞面遮挡损失F<0.453出现全反射适应范围适用F数范围宽适用于大F数适用于大F数安装安装空间大安装方便安装方便1.4.3菲涅尔透镜环距的选取传统菲涅尔透镜的环距选取主要有两种：各环带环距相等和各环带环距不等，随高度倾角等参数变化。在设计过程中发现，工作面顶角随着距离中心的长度增大而逐渐增大。如果选取等环距方案，环带高度随着工作面倾角的增大而单调递增。采用变环距方案的话，环带高度的大小随着距离中心位置的增加逐渐减小，环带高度与环带半径的关系一般是非线性递增。选择正确的分环方式可以提高光学效率。但是经过设计发现，等齿高形式可以更好的控制光线对，所形成的聚光焦点半径更小，更适用于激光热加工。并且在实际工程应用中，等齿高设计的菲涅尔透镜加工也较为容易方便。因此本文选择等齿高形菲涅尔透镜为基础进行后续设计，便于设计加工。环数越多，环带工作平面的加工误差对菲涅尔透镜的聚光效率影响就越大。而环距大、环数过少又会影响焦点光斑的直径，无法达到设计要求。因此，环带数应适当，能最好的平衡光学效率与光斑聚焦效果之间的矛盾。对于口径40mm的整体透镜，环带数10过小，无法很好的实现聚光功能，环带数40过大，光学效率低，损失大且设计繁琐无用。综上所述考量，本文选择环带数p(2ph=D)设置为20（即环带间距h为1mm）。在精准设计每一环带的同时很好的保证了光学效率以及完成设计要求。1.4.4菲涅尔透镜非工作面倾角的选取如下REF_Ref21343\h图2-7所示，α为工作面顶角，β为非工作面倾角。在传统菲涅尔透镜设计中，环带高度和工作面倾角成线性关系REF_Ref2339\r\h[20]。如果非工作倾角大于90°时，非工作侧面减少对光的衰减，但效果不显著，反而增加了透镜的加工难度，不能模压加工，降低了整体透镜的加工精度，不适用于大量生产。如果非工作倾角等于90°时，对于平行光入射，非工作侧面不影响整体光路的偏转。对于入射光的聚焦可以达到最大效率。如果非工作倾角小于90°时，平行光入射