王 川，劉曙光，李入作，楊世晗，孫博文

(江蘇中煙工業(yè)有限責(zé)任公司南京卷煙廠，江蘇 南京 210019)

在煙支水松紙上設(shè)計N排煙氣稀釋孔，是降低焦油量的有效手段。相較于離線打孔，在線打孔可有效提高設(shè)備運行效率、穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量。在線激光打孔技術(shù)具有孔型齊、通風(fēng)度穩(wěn)、生產(chǎn)效率高等特點[1]，能夠有效保證打孔質(zhì)量。該技術(shù)在煙草行業(yè)乃至輕工行業(yè)均處于領(lǐng)先地位，因此對于應(yīng)用該技術(shù)出現(xiàn)的問題,鮮有實踐經(jīng)驗借鑒，更乏理論研究參考。

GD121A型卷煙機組使用的在線激光打孔機選擇衍射光學(xué)元件(diffractive optical element，DOE)作為聚焦鏡片，進而實現(xiàn)雙排打孔。衍射光學(xué)元件是一種發(fā)展迅速的新型光學(xué)元件，能夠形成多個衍射級次[2]，是現(xiàn)代光學(xué)中的研究熱點。其理論基礎(chǔ)是20世紀(jì)80年代中期提出的二元光學(xué)理論，該理論的提出為消除色差、球差等像差提供了新的發(fā)展思路[3-4]。受限于衍射效率不高、加工難度大等問題，衍射光學(xué)元件的應(yīng)用一直受限。近年來隨著衍射光柵技術(shù)[5]、全息術(shù)[6]、傅里葉光學(xué)[7]和計算全息[8]等技術(shù)的發(fā)展，衍射光學(xué)理論不斷發(fā)展，對衍射光學(xué)元件的研究也已達到實用化水平。與理論研究一派繁榮形成鮮明對比的是寥寥無幾的應(yīng)用研究，甚少有文獻從使用者的角度探討該類元件存在的問題及其解決方法。

在實際卷煙生產(chǎn)過程中，發(fā)現(xiàn)GD121A型機組煙支水松紙表面有肉眼可見的無用灼燒痕跡，導(dǎo)致卷煙通風(fēng)度穩(wěn)定性較差。為提升產(chǎn)品質(zhì)量，優(yōu)化衍射光學(xué)元件的工作模式，本文基于衍射光學(xué)元件的工作原理，分析了衍射光學(xué)元件應(yīng)用于在線激光打孔設(shè)備時存在的問題，設(shè)計了應(yīng)對方案，同時推導(dǎo)出了一組可用于消除打孔光束外的其他級次衍射光束能量不等式，以期提高煙支激光打孔效果以及通風(fēng)度的穩(wěn)定性。

1 衍射光學(xué)元件用于在線激光打孔存在問題的分析

1.1 衍射光學(xué)元件工作原理研究

早期的衍射光學(xué)元件使用平面光柵，0級衍射光為主極大。后發(fā)展為使用閃耀光柵，其能讓能量轉(zhuǎn)移，按需使任一級衍射光成為主極大，這一特性大大擴展了衍射光學(xué)元件的應(yīng)用范圍及使用頻率。目前衍射光學(xué)元件表面多為二元結(jié)構(gòu)，使用編碼技術(shù)，能夠在傳統(tǒng)的折射透鏡表面刻蝕兩個或多個臺階甚至連續(xù)形狀的浮雕結(jié)構(gòu)，形成衍射相位面，可制備折衍混合透鏡。折衍混合透鏡擁有多級主極大以及具備多個衍射焦點的特性使其能夠應(yīng)用在諸多場合，并在特定場合已經(jīng)完全取代傳統(tǒng)鏡片。

以GD121A所用鏡片為例。該鏡片為一維光束分離鏡，是衍射光學(xué)元件的一種，屬于折衍混合透鏡。其表面為二元結(jié)構(gòu)，能將單個激光束分裂成若干衍射光束，形成一維光束陣列(1×N)。當(dāng)特定波長的光束通過鏡片后，偶數(shù)級衍射光因光干涉完全消弭，僅有奇數(shù)級衍射光(圖1(a))射出，其中±1級衍射光線為主極大(圖1(b))，形成雙焦點。其他衍射級次被消除，可實現(xiàn)在線雙排打孔。

圖1 光束通過雙焦點鏡片后的衍射情況與各級能量分布示意圖

1.2 衍射光學(xué)元件對打孔質(zhì)量影響分析

煙支通風(fēng)度標(biāo)準(zhǔn)差設(shè)計值為2.0%，在卷煙生產(chǎn)中，統(tǒng)計實驗對象設(shè)備產(chǎn)品通風(fēng)度標(biāo)準(zhǔn)差發(fā)現(xiàn)(表1)，各設(shè)備檢測平均值均超過工藝指標(biāo)，且水松紙上非打孔位置有明顯灼燒痕跡，導(dǎo)致產(chǎn)品外觀無法達到要求。

表1 產(chǎn)品通風(fēng)度標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計表 %

分析衍射光學(xué)元件可知，當(dāng)激光束通過一維光束分離鏡后，消雜光光闌遮蔽其他衍射級次光束，±1級主極大光束作用于卷煙水松紙表面，形成小孔。消雜光光闌位置以及孔徑設(shè)計不當(dāng)，會導(dǎo)致兩種情形發(fā)生:1)光闌漏光，其他級次衍射光透過光闌在水松紙上留下灼燒痕跡，影響外觀質(zhì)量；2)光闌干擾主光，導(dǎo)致主光能量降低，只留有灼燒痕跡，沒有形成通風(fēng)孔，降低煙支通風(fēng)度的穩(wěn)定性[9]。如圖2所示。

圖2 消雜光光闌設(shè)計情況對打孔質(zhì)量的影響示意圖

繪制各級次衍射光光束剖面圖[10]，如圖3所示：圖中G、F、C、D分別為-3、-1、+1、+3級衍射光焦點，這4點處于同一水平線且與x軸的距離等于鏡片焦距；線段AB代表入射光直徑；θ1,θ2分別為±1級、±3級衍射光衍射角；E為±1級、±3級衍射光線的交點。由圖可知，光闌的位置應(yīng)該處于E點之上、焦點之下，漏光孔開度應(yīng)處于線段BC、AF外側(cè)及線段AD、BG內(nèi)側(cè)。

圖3 射出光束剖面圖

根據(jù)推算，消雜光光闌的設(shè)計需滿足如下不等式組：

(1)

式中：k為光闌與鏡片距離；f為鏡片焦距；t為消雜光光闌通光孔徑；c為入射光直徑。

根據(jù)式(1)，計算得出光闌與鏡片理論距離應(yīng)該在31～120 mm，目前光闌位于鏡片29 mm處，不滿足式(1)確定的范圍，導(dǎo)致±1級衍射光被干擾的同時存在雜光漏過的現(xiàn)象，打孔質(zhì)量較差。

2 實驗設(shè)計與實施

在無法改變現(xiàn)有設(shè)備主體結(jié)構(gòu)的情況下，本文制定了兩套實驗方案。方案一：使用高性能折衍混合鏡片，保證激光束通過鏡片后僅有±1級衍射光而無其他級次衍射光。方案二：根據(jù)現(xiàn)有鏡片參數(shù)和元件結(jié)構(gòu)重新計算、設(shè)計、安裝消雜光光闌。

2.1 方案一的實施

Holo/or公司提供了一種高性能鏡片，射出光束中，±1級主極大，其他各級能量接近零，其衍射能量理論分布圖如圖4所示。從能量分布情況分析，該鏡片僅有±1級衍射光射出，無雜光，可準(zhǔn)確在卷煙水松紙上打出兩排通風(fēng)孔，但±1級能量值斜率較目前GD121A使用的鏡片稍小，打孔圓度可能會有微小下降。

圖4 高性能鏡片衍射能量理論分布圖

2.2 方案一效果驗證

使用該鏡片后，可打出兩排通風(fēng)孔，沒有其他灼燒痕跡，顯微鏡下顯示通風(fēng)孔形狀為水滴狀，水滴尖角彼此相對(圖5(a)),且尖角長度隨入射激光能量增加而增加，形成直線狀灼燒痕跡。經(jīng)測量，其±1級衍射光間的斜率有變化，±1級衍射光能量在0級位置疊加(圖5(b))，導(dǎo)致通風(fēng)孔形狀變化，產(chǎn)生多余的灼燒痕跡，不符合煙支通風(fēng)孔的外觀要求，形成外觀缺陷。

圖5 使用高性能鏡片設(shè)備所產(chǎn)煙支打孔情況及衍射能量分布圖

2.3 方案二的實施

根據(jù)式(1)，計算得光闌與鏡片距離k應(yīng)該在31～120 mm，將現(xiàn)有光闌向著遠離鏡片方向移動2 mm，使光闌與鏡片距離達到31 mm，重新設(shè)計消雜光光闌的安裝位置。

光闌組件由光闌固定件與消雜光光闌組成，如圖6左所示。消雜光光闌共有4處鏤空,如圖6右所示，其中鏤空A是固定孔，將光闌固定于組件內(nèi)部；鏤空B、C是定位孔，通過定位銷確保光闌位置居中；鏤空D是通光孔。

圖6 光闌組件安裝圖與消雜光光闌俯視圖

重新設(shè)計光闌，新舊固定件正視圖對比圖如圖7所示。由圖6左可知，整體外移光闌組件，激光打孔裝置的外徑增加，會與其他部件發(fā)生碰撞、摩擦；由圖6左、圖7左可知，在固定件內(nèi)部,如通過削薄上部結(jié)構(gòu)實現(xiàn)光闌上移，會導(dǎo)致固定件支撐力不足，發(fā)生斷裂。

根據(jù)以上分析，重新設(shè)計光闌固定件：在固定件頂部，加工上部凹槽，將消雜光光闌固定在上部凹槽中，使光闌位置向焦點端移動2 mm(圖7右)，向下增加凹槽厚度，確保光闌固定件牢固，固定孔與定位孔位置無變化。取新的光闌位置根據(jù)式(1)計算通光孔徑t可行域為18.3～18.8 mm，考慮加工誤差，通光孔徑尺寸為t=18.5 mm。

圖7 新舊固定件正視圖對比圖

2.4 方案二效果驗證

使用新光闌組件后，煙支通風(fēng)孔外觀符合打孔圓度質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，無其他可見灼燒痕跡，如圖8所示。

持續(xù)記錄煙支通風(fēng)度標(biāo)準(zhǔn)差，見表2，實驗設(shè)備與對照設(shè)備通風(fēng)度標(biāo)準(zhǔn)差平均值均低于2.0%，即優(yōu)于工藝設(shè)計值，通風(fēng)度標(biāo)準(zhǔn)差合格且能夠保持穩(wěn)定[11]。

表2 實驗設(shè)備與對照設(shè)備通風(fēng)度標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計表 %

3 結(jié)論

本文以GD121A在線打孔激光器為例，對激光器衍射光學(xué)元件的工作原理進行研究，推導(dǎo)出消雜光光闌與鏡片距離、鏡片焦距、光闌通光孔孔徑、±1級衍射光衍射角等主要參數(shù)的數(shù)學(xué)關(guān)系，依據(jù)數(shù)學(xué)關(guān)系，計算得出消雜光光闌與鏡片距離k應(yīng)為31～120 mm，通光孔孔徑t可行域應(yīng)為18.3～18.8 mm。據(jù)此重新設(shè)計了消雜光光闌固定件結(jié)構(gòu)、通光孔孔徑，改進后的實驗結(jié)果表明：卷煙水松紙通風(fēng)孔整潔均勻，無其他灼燒痕跡，打孔質(zhì)量符合外觀要求，煙支通風(fēng)度偏差均低于2.0%，滿足工藝值要求，有效提高了煙支產(chǎn)品質(zhì)量。