王 川，刘曙光，李入作，杨世晗，孙博文

(江苏中烟工业有限责任公司南京卷烟厂，江苏 南京 210019)

在烟支水松纸上设计N排烟气稀释孔，是降低焦油量的有效手段。相较于离线打孔，在线打孔可有效提高设备运行效率、稳定产品质量。在线激光打孔技术具有孔型齐、通风度稳、生产效率高等特点[1]，能够有效保证打孔质量。该技术在烟草行业乃至轻工行业均处于领先地位，因此对于应用该技术出现的问题,鲜有实践经验借鉴，更乏理论研究参考。

GD121A型卷烟机组使用的在线激光打孔机选择衍射光学元件(diffractive optical element，DOE)作为聚焦镜片，进而实现双排打孔。衍射光学元件是一种发展迅速的新型光学元件，能够形成多个衍射级次[2]，是现代光学中的研究热点。其理论基础是20世纪80年代中期提出的二元光学理论，该理论的提出为消除色差、球差等像差提供了新的发展思路[3-4]。受限于衍射效率不高、加工难度大等问题，衍射光学元件的应用一直受限。近年来随着衍射光栅技术[5]、全息术[6]、傅里叶光学[7]和计算全息[8]等技术的发展，衍射光学理论不断发展，对衍射光学元件的研究也已达到实用化水平。与理论研究一派繁荣形成鲜明对比的是寥寥无几的应用研究，甚少有文献从使用者的角度探讨该类元件存在的问题及其解决方法。

在实际卷烟生产过程中，发现GD121A型机组烟支水松纸表面有肉眼可见的无用灼烧痕迹，导致卷烟通风度稳定性较差。为提升产品质量，优化衍射光学元件的工作模式，本文基于衍射光学元件的工作原理，分析了衍射光学元件应用于在线激光打孔设备时存在的问题，设计了应对方案，同时推导出了一组可用于消除打孔光束外的其他级次衍射光束能量不等式，以期提高烟支激光打孔效果以及通风度的稳定性。

1 衍射光学元件用于在线激光打孔存在问题的分析

1.1 衍射光学元件工作原理研究

早期的衍射光学元件使用平面光栅，0级衍射光为主极大。后发展为使用闪耀光栅，其能让能量转移，按需使任一级衍射光成为主极大，这一特性大大扩展了衍射光学元件的应用范围及使用频率。目前衍射光学元件表面多为二元结构，使用编码技术，能够在传统的折射透镜表面刻蚀两个或多个台阶甚至连续形状的浮雕结构，形成衍射相位面，可制备折衍混合透镜。折衍混合透镜拥有多级主极大以及具备多个衍射焦点的特性使其能够应用在诸多场合，并在特定场合已经完全取代传统镜片。

以GD121A所用镜片为例。该镜片为一维光束分离镜，是衍射光学元件的一种，属于折衍混合透镜。其表面为二元结构，能将单个激光束分裂成若干衍射光束，形成一维光束阵列(1×N)。当特定波长的光束通过镜片后，偶数级衍射光因光干涉完全消弭，仅有奇数级衍射光(图1(a))射出，其中±1级衍射光线为主极大(图1(b))，形成双焦点。其他衍射级次被消除，可实现在线双排打孔。

图1 光束通过双焦点镜片后的衍射情况与各级能量分布示意图

1.2 衍射光学元件对打孔质量影响分析

烟支通风度标准差设计值为2.0%，在卷烟生产中，统计实验对象设备产品通风度标准差发现(表1)，各设备检测平均值均超过工艺指标，且水松纸上非打孔位置有明显灼烧痕迹，导致产品外观无法达到要求。

表1 产品通风度标准差统计表 %

分析衍射光学元件可知，当激光束通过一维光束分离镜后，消杂光光阑遮蔽其他衍射级次光束，±1级主极大光束作用于卷烟水松纸表面，形成小孔。消杂光光阑位置以及孔径设计不当，会导致两种情形发生:1)光阑漏光，其他级次衍射光透过光阑在水松纸上留下灼烧痕迹，影响外观质量；2)光阑干扰主光，导致主光能量降低，只留有灼烧痕迹，没有形成通风孔，降低烟支通风度的稳定性[9]。如图2所示。

图2 消杂光光阑设计情况对打孔质量的影响示意图

绘制各级次衍射光光束剖面图[10]，如图3所示：图中G、F、C、D分别为-3、-1、+1、+3级衍射光焦点，这4点处于同一水平线且与x轴的距离等于镜片焦距；线段AB代表入射光直径；θ1,θ2分别为±1级、±3级衍射光衍射角；E为±1级、±3级衍射光线的交点。由图可知，光阑的位置应该处于E点之上、焦点之下，漏光孔开度应处于线段BC、AF外侧及线段AD、BG内侧。

图3 射出光束剖面图

根据推算，消杂光光阑的设计需满足如下不等式组：

(1)

式中：k为光阑与镜片距离；f为镜片焦距；t为消杂光光阑通光孔径；c为入射光直径。

根据式(1)，计算得出光阑与镜片理论距离应该在31～120 mm，目前光阑位于镜片29 mm处，不满足式(1)确定的范围，导致±1级衍射光被干扰的同时存在杂光漏过的现象，打孔质量较差。

2 实验设计与实施

在无法改变现有设备主体结构的情况下，本文制定了两套实验方案。方案一：使用高性能折衍混合镜片，保证激光束通过镜片后仅有±1级衍射光而无其他级次衍射光。方案二：根据现有镜片参数和元件结构重新计算、设计、安装消杂光光阑。

2.1 方案一的实施

Holo/or公司提供了一种高性能镜片，射出光束中，±1级主极大，其他各级能量接近零，其衍射能量理论分布图如图4所示。从能量分布情况分析，该镜片仅有±1级衍射光射出，无杂光，可准确在卷烟水松纸上打出两排通风孔，但±1级能量值斜率较目前GD121A使用的镜片稍小，打孔圆度可能会有微小下降。

图4 高性能镜片衍射能量理论分布图

2.2 方案一效果验证

使用该镜片后，可打出两排通风孔，没有其他灼烧痕迹，显微镜下显示通风孔形状为水滴状，水滴尖角彼此相对(图5(a)),且尖角长度随入射激光能量增加而增加，形成直线状灼烧痕迹。经测量，其±1级衍射光间的斜率有变化，±1级衍射光能量在0级位置叠加(图5(b))，导致通风孔形状变化，产生多余的灼烧痕迹，不符合烟支通风孔的外观要求，形成外观缺陷。

图5 使用高性能镜片设备所产烟支打孔情况及衍射能量分布图

2.3 方案二的实施

根据式(1)，计算得光阑与镜片距离k应该在31～120 mm，将现有光阑向着远离镜片方向移动2 mm，使光阑与镜片距离达到31 mm，重新设计消杂光光阑的安装位置。

光阑组件由光阑固定件与消杂光光阑组成，如图6左所示。消杂光光阑共有4处镂空,如图6右所示，其中镂空A是固定孔，将光阑固定于组件内部；镂空B、C是定位孔，通过定位销确保光阑位置居中；镂空D是通光孔。

图6 光阑组件安装图与消杂光光阑俯视图

重新设计光阑，新旧固定件正视图对比图如图7所示。由图6左可知，整体外移光阑组件，激光打孔装置的外径增加，会与其他部件发生碰撞、摩擦；由图6左、图7左可知，在固定件内部,如通过削薄上部结构实现光阑上移，会导致固定件支撑力不足，发生断裂。

根据以上分析，重新设计光阑固定件：在固定件顶部，加工上部凹槽，将消杂光光阑固定在上部凹槽中，使光阑位置向焦点端移动2 mm(图7右)，向下增加凹槽厚度，确保光阑固定件牢固，固定孔与定位孔位置无变化。取新的光阑位置根据式(1)计算通光孔径t可行域为18.3～18.8 mm，考虑加工误差，通光孔径尺寸为t=18.5 mm。

图7 新旧固定件正视图对比图

2.4 方案二效果验证

使用新光阑组件后，烟支通风孔外观符合打孔圆度质量标准，无其他可见灼烧痕迹，如图8所示。

持续记录烟支通风度标准差，见表2，实验设备与对照设备通风度标准差平均值均低于2.0%，即优于工艺设计值，通风度标准差合格且能够保持稳定[11]。

表2 实验设备与对照设备通风度标准差统计表 %

3 结论

本文以GD121A在线打孔激光器为例，对激光器衍射光学元件的工作原理进行研究，推导出消杂光光阑与镜片距离、镜片焦距、光阑通光孔孔径、±1级衍射光衍射角等主要参数的数学关系，依据数学关系，计算得出消杂光光阑与镜片距离k应为31～120 mm，通光孔孔径t可行域应为18.3～18.8 mm。据此重新设计了消杂光光阑固定件结构、通光孔孔径，改进后的实验结果表明：卷烟水松纸通风孔整洁均匀，无其他灼烧痕迹，打孔质量符合外观要求，烟支通风度偏差均低于2.0%，满足工艺值要求，有效提高了烟支产品质量。