VILNIAUS UNIVERSITETAS

KVANTINĖS ELEKTRONIKOS KATEDRA

LAZERINIŲ TYRIMŲ CENTRAS

LAZERINIŲ TECHNOLOGIJŲ IR OPTINIŲ MEDŽIAGŲ MOKOMOJI

LABORATORIJA

Laboratorinis darbas Nr. 2

METALINIŲ PAVIRŠIŲ ŽENKLINIMAS

Eksperimentinė dalis

Dėmesio! Darbo metu naudojami lazerinės spinduliuotės šaltiniai ‒ būtina

susipažinti ir griežtai laikytis atitinkamų saugos reikalavimų

Parengė J. Vengelis

2015 02 20

2

Čia yra tik smulkus matavimo tvarkos aprašas, skirtas lazerinės technologijos kurso studentų

atliekamoms užduotims. Ruošiantis darbui, reikia naudotis vadovėliu, kuriame išdėstyta ne tik

darbo metodika, bet ir teorija.

Užduotys

1. Ženklinant pavieniais impulsais (esant didžiausiai lazerio galiai), išmatuoti padarytų

griovelių diametrą.

2. Padaryti 5 mm ilgio ir skirtingo pločio (0,2 mm bei 0,5 mm) brūkšnelius (juos daryti

atskirai). Tam sukurti reikiamus šablonus.

3. Padaryti 5 mm ilgio statmenai tarpusavyje orientuotus brūkšnelius ir ištirti abiejų

brūkšnelių gylio ir pločio priklausomybę nuo pluošto perėjimų skaičiaus (imti 1, 2, 4, 8, 16

perėjimų), esant didžiausiai galiai.

4. Ištirti griovelius optiniu profilometru.

Darbo priemonės

1. Diodinio kaupinimo nanosekundinis Nd:YVO4 lazeris ,,Baltic 1064“ (UAB „Ekspla“).

2. Justuoti skirtas diodinis lazeris.

3. Nukreipiančių veidrodžių ir pluošto daliklių sistema.

4. Galvanometriniai skeneriai su valdymo bloku ir f-Theta objektyvas (AR = 1064 nm,

EFL = 63 mm).

5. Bandinio pozicionavimo sistema ir bandinys.

6. Kompiuteris.

1 pav. Laboratorinio darbo stendas.

3

2 pav. Lazerio maitinimo blokas (viršuje) bei saugiklis (apačioje).

DARBO ATLIKIMO TVARKA

1. Įrangos paruošimas darbui

1.1. Įjungiame saugiklį (2 pav. apačioje): nustatome jungiklį į padėtį I. Saugikliui įsijungus

turi įsižiebti kairėje jungiklio esanti lemputė.

1.2. Įjungiame kompiuterį (esantį tarp lazerio maitinimo bloko ir saugiklio).

1.3. Įjungiame lazerio maitinimo bloką (2 pav. viršuje): pasukame lazerio raktą į padėtį On

ir spustelime įjungimo / išjungimo mygtuką.

1.4. Lazerio valdymo pultelyje (3 pav. kairėje) spustelime mygtuką RUN. Lazeriui

įsijungus, turi įsižiebti indikatoriaus lemputė, o ekrane užrašas Shutter is closed turi

pasikeisti į užrašą Shutter is opened (3 pav. dešinėje). Taip pat reikia įsitikinti, ar ekrane yra

užrašas External sync. mode – kad lazerio sklendės atidarymas yra valdomas išorinio

prietaiso (šiuo atveju tai yra kompiuterinė programa SCA).

Lazerio generaciją galima sustabdyti spustelėjus mygtuką STOP. Ekrane užrašas Shutter is

opened turi pasikeisti į užrašą Shutter is closed ir užgesti indikatoriaus lemputė.

4

1.5. Įjungiame justuoti skirtą diodinį lazerį (žr. 13 pav.). Toje vietoje, kur reikia padėti

bandinį, atsiranda nejudantis raudonas taškas.

3 pav. Lazerio valdymo pultelis iš arti.

1.6. Paleidžiame kompiuterio darbalaukyje esančią programą SCA. Programos lange

spragtelime mygtuką Initialize. Programa ir jos valdoma įranga užmezga ryšį.

4 pav. SCA programos langas ją paleidus.

2. SCA programinės įrangos naudojimas

2.1. SCA programoje matomi du langai: Algorithm ir Fabrication display (5 pav.).

Algorithm lange reikia įkelti / parašyti algoritmą, pagal kurį programa (valdydama

galvanometrinius skenerius) judina lazerio pluoštą – vyksta bandinio ženklinimas. Tai gali

5

būti programinio kodo komandų ciklas, piešinys ar kita. Fabrication display lange galima

pamatyti, kaip atrodys tai, ką liepiame programai daryti (pvz., piešinys, kurį įkėlėme į

programą). Toliau trumpai aprašoma, kaip naudotis programa, norint išgraviruoti bitmap

formato faile įrašytą piešinį.

5 pav. SCA programos langas spragtelėjus Initialize.

2.2. Programos lange spragtelime mygtuką Add ir pasirenkame Bitmap (6 pav.). Algorithm

dalyje atsiranda užrašas BITMAP.

6 pav. SCA programos langas spragtelėjus Add.

2.3. Du kartus spragtelime ant užrašo BITMAP ir atsivėrusio lango Bitmap properties

skiltyje Bitmap spragtelime Browse... (7 pav.). Išsirenkame paveikslėlį ir jį įkeliame į

programą.

6

7 pav. SCA programos langas Algorithm dalyje du kartus spragtelėjus BITMAP.

2.4. Bitmap properties lange, Bitmap skiltyje, galima keisti įkelto paveikslėlio dydį ir

pikselio parametrus (8 pav.). Pakeitus vieną parametrą ir spragtelėjus kito parametro lange,

automatiškai perskaičiuojami visi kiti parametrai.

8 pav. SCA programos Bitmap properties lango Bitmap skiltis.

2.5. Bitmap properties lange, Mark Type skiltyje, galima keisti įvairius su lazerio pluošto

valdymu (ženklinimo metu) susijusius parametrus. Šiame darbe mums svarbūs tik

parametrai Repetition ir Speed (9 pav.). Jie atitinkamai nurodo, kiek kartų programa turės

pakartoti įkeltą algoritmą (pluošto perėjimų skaičius) bei skenavimo greitį.

7

9 pav. SCA programos Bitmap properties lango Mark Type skiltis.

2.6. Spragtelėjus mygtuką Save & close (9 pav.), visi pakeitimai yra įrašomi. Toliau reikia

spragtelėti mygtuką Validate (10 pav.). Tada Fabrication display lange matome įkeltą

piešinį.

10 pav. SCA programos langas, įkėlus pavyzdinį bitmap failą ir spragtelėjus mygtuką Validate.

2.7. Į reikiamą vietą (1 pav.) dedame bandinį, kurį ženklinsime. Justavimui skirtu diodiniu

lazeriu galime pažiūrėti, kurioje bandinio vietoje bus vykdomas ženklinimas. Tam

pagrindinio meniu skiltyje Tools spragtelime mygtuką Galvo control ir atsivėrusiame Galvo

control tool lange pasirenkame Show object field (11 pav.). Tada justavimo diodinis lazeris

ima brėžti aplink plotą, kuriame vyks ženklinimas. Įsitikinę, kad bus ženklinama reikiamoje

vietoje, komandą išjungiame spragtelėję dešinįjį Stop mygtuką (jis atsiranda vietoj mygtuko

8

Show object field, jį spragtelėjus). Tai padarius, bandinio vietoje vėl matomas nejudantis

raudonas taškas. Ženklinimo metu jis gali likti įjungtas. Uždarome Galvo control tool langą.

11 pav. SCA programos Galvo control tool langas.

2.8. Spragtelėjus mygtuką Execute (12 pav.), programa pradeda ženklinti. Procesą bet kada

galima sustabdyti spragtelėjus mygtuką Pause (jis atsiranda vietoj Execute mygtuko, jį

spragtelėjus) ar nutraukti mygtuku Cancel (12 pav.), kuris aktyvuojamas, kai vykdomas

ženklinimas.

12 pav. SCA programos langas prieš pradedant ženklinimą.

9

3. Užduočių atlikimo metodika

Dėmesio! Viso darbo metu bandinio vieta turi būti f-Theta objektyvo židinio plokštumoje, o

iš lazerio ateinanti spinduliuotė turi būti maksimalios galios. Tai galima patikrinti pažiūrėjus

λ/2 fazinės plokštelės (ji yra pirmasis elementas, per kurį eina lazerio spinduliuotė)

pasukimo padėtį jos laikiklyje. Pagal dabartinį suderinimą, brūkšnelis laikiklio viršuje turėtų

būti ties 18 padala.

f-Theta objektyvo židinio plokštumą nustatyti taip pat lengva: šalia stendo yra

pozicionavimui židinio plokštumoje skirta detalė. Sukant pozicionavimo sistemos rankenėlę

(13 pav.), vieta bandiniui padėti nustatoma tokiame aukštyje, kaip parodyta 13 pav. Tada

padėtas bandinys bus f-Theta objektyvo židinio plokštumoje.

13 pav. Vietos bandiniui padėti pozicionavimas f-Theta objektyvo židinio plokštumoje.

3.1. Pirma užduotis – realizuoti ženklinimą pavieniais impulsais. Norint tai atlikti, reikia

nustatyti tokį skenavimo greitį, kad ženklintame bandinyje būtų matomi pavieniai taškeliai.

Jei bandinys yra pastatytas f-Theta objektyvo židinio plokštumoje, tai atitiks šios ženklinimo

sistemos pikselius – mažiausio dydžio taškelius, kuriais gali ženklinti ši sistema.

Paprasčiausiu būdu tai realizuojame taip:

3.1.1. SCA programos lange spragtelime mygtuką Add ir pasirenkame XYG. Pakartojame

veiksmą. Tuomet Algorithm dalyje atsiranda du komandiniai šablonai XYG. Jie nurodo

komandą, pagal kurią galvanometriniai skeneriai turės judėti.

3.1.2. Spragtelime pirmąjį (aukščiau esančio) XYG užrašą. Apačioje atsivėrusiame lange

(14 pav.) matome koordinačių, skenavimo greičio bei veiksmo nustatymus (Mark – judinti

galvanometrinius skenerius ir ženklinti, Jump – tik judinti galvanometrinius skenerius).

10

14 pav. SCA programos langas spragtelėjus XYG užrašą.

3.1.3. Laukelyje X įrašome skaičių tarp 20 ir 30, skiltyje Operation pasirenkame Mark.

Suskaičiuojame reikiamą skenerio judėjimo greitį (mm/s) ir įrašome bent dvigubai didesnę

vertę laukelyje Speed. Reikalingi parametrai skenavimo greičiui apskaičiuoti: lazerio

impulsų pasikartojimo dažnis frep = 12500 Hz, orientacinis pikselio dydis ‒ d = 0,06 mm.

3.1.4. Spragtelime antrąjį (žemiau esančio) XYG užrašą. Laukelyje X įrašome tą patį skaičių

kaip ir ankstesniame laukelyje, tik su minuso ženklu (liepiame judėti atgal tokiu pat

atstumu), o skiltyje Operation pasirenkame Jump.

3.1.5. Padedame bandinį į reikiamą vietą, spragtelime Validate, tada „Execute. Jei greitis

buvo apskaičiuotas teisingai, pažiūrėję į ženklintą bandinį turėtume matyti, kad liniją sudaro

atskiri labai arti esantys taškeliai.

3.1.6. Išmatuojame padarytų griovelių diametrą profilometru arba mikroskopu. Išsaugome

nuotrauką ir užsirašome kelių pamatuotų griovelių diametro vidutinę vertę.

3.2. Antra užduotis

3.2.1. Naudodamiesi „Paint“ programa, nupiešiame nurodytų (šio aprašo pradžioje,

užduočių skiltyje) matmenų liniją ir išsaugome monochrome bitmap formatu. Reikia

teisingai apskaičiuoti proporcijas, kad, įkėlus failą į programą, būtų galima nustatyti

reikiamą linijos ilgį ir plotį.

3.2.2. Išsaugotą failą atidarome „IrfranView“ programa ir meniu juostos Edit skiltyje

pasirenkame komandą Auto crop borders. Ši komanda pašalina baltą foną ir lieka tik linija

(juodame programos lango fone jos nesimato). Išsaugome pakeitimus.

3.2.3. Įkeliame bitmap failą į SCA programą. Jei proporcijos apskaičiuotos teisingai,

nustačius linijos ilgį 5 mm, plotis automatiškai perskaičiuojamas į reikiamą vertę.

3.2.4. Paženkliname bandinį reikiamų dydžių linijomis. Profilometru pamatuojame linijų

plotį ir išsaugome linijų nuotraukas.

11

3.3. Trečia užduotis

3.3.1. Naudodamiesi „Paint“ programa, nupiešiame statmenai orientuotas 5 mm ilgio linijas

(parenkame storį tarp 0,05 ir 0,1 mm) ir išsaugome failą monochrome bitmap formatu. Paint

programoje piešti linijas reikia taip, kad įkėlus bitmap formato paveikslėlį į SCA programą

būtų galima nustatyti linijų ilgį, lygų 5 mm.

3.3.2. Įkeliame bitmap failą į SCA programą. Nustatome paveikslėlio dydį tokį, kad linijų

ilgis būtų 5 mm, taip pat nustatome pakartojimų skaičių ‒ 1.

3.3.3. Paženkliname bandinį.

3.3.4. Kitoje bandinio vietoje kartojame 3.3.3 punktą, keisdami pakartojimų skaičių (2, 4, 8,

16).

3.3.5. Išmatuojame abiejų linijų plotį ir gylį profilometru. Išsaugome keletą paviršiaus

topografijos bei profilio nuotraukų.

3.3.6. Apdorojant laboratorinio darbo rezultatus, reikės nubraižyti abiejų griovelių gylio

priklausomybę nuo pakartojimų skaičiaus bei linijų pločio priklausomybę nuo pakartojimų

skaičiaus. Taip pat reikės palyginti šias priklausomybes esant statmenai orientuotoms

linijoms.

4. Įrangos išjungimas

4.1. Išjungiame lazerį (žr. 1.4 punktą), uždarome SCA programą ir išjungiame kompiuterį.

Svarbu nepamiršti išjungti justavimui skirto diodinio lazerio (1 pav.) ir saugiklio (2 pav.

apačioje).

4.2. Pranešame laboratorinio darbo vadovui (ar laborantui) apie pabaigtą darbą.