Master's Thesis

Design of motorized optical system used for focusing of a laser beam

Final Thesis 1.94 MB Appendix 752.19 kB

Author of thesis: Ing. Evžen Zobač

Acad. year: 2018/2019

Supervisor: Ing. Jan Novotný, Ph.D.

Reviewer: doc. Ing. Karel Novotný, CSc.

Abstract:

This diploma thesis deals with the structural and optomechanical design of automatization of focusing laser beam for a remote laser spectroscopy device. The chosen solution uses an active rangefinder and a rotary unit to control the change of the focus plane of the device's optic system.
The dependence of the focus plane’s change on the shift of lens in the focus plane was practically measured. For proper control of the rotary unit, this dependency is needed. Structural parts were made based on the created drawing documentation. The structural parts were mounted in the existing assembly of the device together with the purchased components. The proposed solution enables a change of the optical system, for example, in order to obtain a more appropriate range of focal planes.

Keywords:

Laser spectroscopy, laser beam, rangefinder, stepper motor, LIBS

Date of defence

19.06.2019

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Po otázkách oponenta bylo dále diskutováno: Jaké má být znaménko u ohniskové dálky čočky v refrakční transformační matici. Jaký počet platných cifer má fit vzdálenosti pasu na natočení expandéru. Jaká je přesnost a reproducibilita polohování modelářského serva? Zřejmě by bylo vhodné použít mechanický doraz a pružný kontakt.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Applied Sciences in Engineering (M2A-P)

Field of study

Precise Mechanics and Optics (M-PMO)

Composition of Committee

prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc. (předseda)
prof. RNDr. Miroslav Liška, DrSc. (místopředseda)
prof. RNDr. Bohumila Lencová, CSc. (člen)
prof. RNDr. Jiří Komrska, CSc. (člen)
prof. RNDr. Petr Dub, CSc. (člen)
prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Jiří Spousta, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Eduard Schmidt, CSc. (člen)
prof. RNDr. Pavel Zemánek, Ph.D. (člen)
RNDr. Antonín Fejfar, CSc. (člen)
doc. Ing. Radek Kalousek, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Ivan Křupka, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Jan Novotný, Ph.D.

Cílem diplomové práce byl návrh modulu, který by existující přístroj pro dálkovou analýzu LIBS rozšířil o možnost automatického ostření laseru na povrch vzorku. Bez něj je proces zaostření laseru na vzorek pro rutinní měření relativně problematický a vyžaduje manuální posun vnitřních optických elementů přístroje.

Text o celkovém počtu 57 stran obsahuje nejprve úvod, následuje 5 stěžejních kapitol práce s teoretickou a experimentální částí. Na konci jsou Diskuze a Závěr, nechybí seznam zkratek a soupis použité literatury.

Úvod ve stručnosti zmiňuje motivaci řešení projektu, představuje strukturu textu a obsah jeho jednotlivých kapitol. Teoretické části představují metodu LIBS, základní charakteristiky gaussovského laserového svazku. Autor nezabíhá do přílišných detailů a největší prostor vhodně věnuje popisu nejčastěji využívaných technik, které lze pro zaostření laserového svazku použít.

Kapitola 2 popisuje přístroj pro dálkovou analýzu LIBS, pro nějž má být ostřící modul navržen. Zmíněny jsou limity a požadavky kladené na návrh. Následně je přistoupeno k samotnému návrhu a výběru vhodných komponent – zjištění parametrů použitého expandéru, volba a testování dálkoměru, volba motorů dle vypočtených parametrů apod.

Kapitoly 3 se zabývají mechanickým návrhem integrace všech nových elementů do stávající soustavy, kapitola 4 pak detailně popisuje samotnou montáž. V kapitole 5 jsou uvedeny výsledky simulace statického zatížení vybraných elementů.

Členění práce je logické a přehledné. Text je stylisticky na dobré úrovni. Ojediněle se vyskytují překlepy, nepřesná označení, nepravidelnosti v použitých stylech odsazení odstavců či poněkud kostrbaté slovní obraty. Citace jsou používány správně a citovaných zdrojů je vzhledem k zaměření práce dostatečné množství.

Ke způsobu a metodám řešení nemám výhrad. Teoretické části postihují srozumitelným způsobem související témata. V rámci návrhové části si autor velmi dobře poradil s problematickou integrace modulu do velmi omezeného prostoru dálkové jednotky přístroje LIBS. Celý proces je velmi dobře popsán spolu s obrázky, které dělají výklad přehledným. Ocenit je třeba také systematický přístup a vysokou míru samostatnosti autora po celou dobu řešení práce. 

Práci poněkud chybí konečná integrace modulu do přístroje, jeho testování a odladění. Avšak nutno říci, že tato fáze nebyla požadována v cílech zadání z důvodů omezené dostupnosti dálkového přístroje LIBS. Autor v současné době integraci dokončuje.

Cíle diplomové práce byly splněny, výsledky mají reálný pozitivní dopad na analytické možnosti přístroje a komfort jeho obsluhy. Práci doporučuji k obhajobě a hodnotím ji klasifikačním stupněm A.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod B
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
doc. Ing. Karel Novotný, CSc.

předložená diplomová práce ve studijním oboru „Přesná mechanika a optika“ je věnována optomechanickému řešení automatizace ostření laserového svazku pro dálkovou spektroskopii laserem buzeného plazmatu LIBS. Cílem práce bylo navrhnout a zkonstruovat zařízení pro dříve vyvinutý přístroj A-trace BB-1 v jehož původním uspořádání bylo ostření prováděno manuálně. Z tohoto stavu také vycházelo zadání práce, neboť bylo nutno přihlédnout jak k prostorovým možnostem, tak k vlastnostem stávajícího systému. Základní myšlenkou bylo využití stávajícího manuálního expandéru svazku a jeho vybavení motorizovaným ovládáním. Tento fakt byl limitující z několika důvodů. Jednak nebyly známy ohniskové délky použitých čoček ani rozsah posuvu a tyto hodnoty musely být zjišťovány experimentálně. Tělo expandéru bylo přizpůsobeno manuálnímu ovládání, a tudíž musela být navrhnuta speciální spojka mezi motorickým pohonem a expandérem umožňujícím jeho otáčení. V neposlední řadě muselo být tomuto manuálnímu systému přizpůsobeno celé řešení i prostorové uspořádání, které by v případě navržení vlastního expandéru mohlo být patrně jednodušší a i lépe využitelné pro sériovou výrobu.
Vzhledem k těmto komplikacím je navrhované řešení o to jedinečnější. Problémy se podařilo vyřešit s elegantním využitím velmi omezeného prostoru s minimálním zásahem do stávající optické konfigurace bez toho, aby bylo nutno použít nějakých nestandartních či nespolehlivých komponent.
Celkově je práce rozdělena do pěti hlavních kapitol, přičemž „Teoretická část“ a „Úvod do problému, výpočty a měření“ poskytují náhled a rozbor problému v adekvátním rozsahu. Kapitoly „Mechanický návrh“ a „Montáž“ včetně výkresové dokumentace pak podrobně shrnují výsledky vlastní práce. Nechybí ani simulace statického zatížení jednotlivých navrhovaných dílů v poslední části práce. Z tohoto pohledu považuji práci za velice zdařilou a obrázky s výkresy a komentářem poskytují dostatek detailních informací týkajících se úspěšně vyřešeného úkolu.
V práci se nachází řada překlepů či drobných chyb i některá sporná tvrzení (např. že metoda LIBS má lepší hloubkové rozlišení než metoda SIMS nebo že analýza půd patří mezi biologické aplikace). Na straně 31. je v textu odkaz na obrázek ??, který neexistuje. Taktéž je poněkud matoucí, že text pro obrázek 3.8 je pod obrázkem 3.7 a obrázek 3.8 je až v další kapitole (str. 40). Některé internetové odkazy v seznamu literatury odkazují na neplatné stránky. Uvedené chyby však nejsou zásadního charakteru a nijak významně nesnižují kvalitu předložené práce. Škoda ovšem je, že se v rámci práce nepodařilo celý systém zapojit a plně zprovoznit a provést náležitá testování.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii B
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací B
Topics for thesis defence:
  1. 1. Pro studování vlastností stávajícího expandéru byl využit laserový modul pracující na vlnové délce 532 nm. Samotný systém však pracuje s Nd:YAG laserem při základní vlnové délce 1064 nm. Proč nebylo provedeno testování s touto vlnovou délkou (např. s využitím termopapíru)?
  2. 2. V práci jsou komponenty teprve před zapojením. Je vzhledem k omezenému prostoru zajištěn dostatek místa pro veškerá zapojení a kabeláž i při zakrytování celého systému?
  3. 3. Bylo provedeno dostatečné testování všech komponent tak, že je zaručeno jejich správné fungování i po celkové kompletaci a zapojení?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová