УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЛАЗЕРНОЙ МАРКИРОВКИ С КОЛЛИМАТОРОМ ИЗЛУЧЕНИЯ ЛАЗЕРА

Полезная модель относится с средствам маркировки/гравировки изделий из различных материалов с использованием лазера.
В основе лазерной маркировки изделий (точечной, прочерчиванием) лежит эффект взаимодействия материала изделия с оптическим излучением (импульсным или непрерывным), которое сопровождается деструкцией материала (карбонизацией, испарением) в заданных областях поверхности изделия на заданную глубину. В силу большого разнообразия используемых типов лазеров и обусловленных ими режимов обработки изделий основными задачами такой обработки являются точность нанесения маркеров (штрих-коды, изображения, графические символы и пр.) повторяемость изображения и стабильность во времени в течение производственного цикля, а также производительность оборудования, и в том числе, повышение полезной излучаемой мощности источников лазерного излучения за счет оптимизации условий вывода излучения.
В системах лазерной маркировки нашли применение твердотельные, лазеры, лазерные диоды, оптоволоконные лазеры, в которых оптическое излучение выводится из области генерации по оптическому волноводу, при этом излучение проходит через границы раздела сред с различными показателями преломления - от излучателя в волновод и из волновода в свободное пространство для подачи на маркируемое изделие. Отражения и рассеяние на неоднородностях способны многократно снизить эффективность вывода излучения, что может быть скомпенсировано использованием собирающих линз на поверхности оптоволокна для преобразования падающего на него пучка лучей в параллельный пучок или аналогичных систем линз, с последующей фокусировкой излучения в коллиматоре до размеров пятна, удовлетворяющих задачам обработки изделия.
Помимо влияния физических характеристик сред полезная мощность излучателя снижается при разных ориентациях оптической оси волокна и коллиматора, а также при дефектах торцевой поверхности оптоволокна, которые способны рассеивать выходящее излучение.
Известно применение в устройстве для лазерной маркировки линзы-экспандера, которая представляет собой зеркало на основании с поверхностью в форме параболоида, отражающая поверхность которого выполнена из зеркально отражающего слоя (на 99%) с защитной пленкой, нанесенных на основание /CN 202025130//. Такая линза преобразует падающий на нее расходящийся пучок лучей в параллельный пучок, направляемый далее для исполнения маркировки. При всех достоинствах такого элемента - надежности, низкой стоимости и пр., параллельный пучок лучей способен обеспечивать маркировку относительно широкими линиями определенных материалов из-за невысокой плотности лазерной энергии в области обработки.
Известно устройство для лазерной обработки изделий - маркировки, сварки и др., включающее источник лазерного излучения, коллиматор, средства оптической фокусировки лазерного луча, гальванометрический сканатор в составе двух зеркал для двумерного сканирования изделия, блок управления на основе компьютера с программными средствами и микроконтроллером, дополнительный источник света в качестве целеуказателя - датчика положения изделия, а также интерфейс оператора и основание для размещения изделия /US 2008067251/ В устройстве в качестве источника лазерного излучения использован, в частности, твердотельный лазер с диодной накачкой за счет сфокусированного излучения лазерного диода, которое поступает по оптоволокну в блок генерации лазерного излучения, а из него в экспандер - коллиматор для формирования луча и фокусировки его до нужных размеров, и далее на гальванометрическое сканирующее устройство, зеркала которого отклоняют сформированный луч лазера с обеспечением сканирования изделия по двум координатам в горизонтальной плоскости. Коллиматор составлен оптически сопряженными переустанавливаемой подвижной и неподвижной линзами.. Подвижная линза установлена в держателе с возможностью аксиального перемещения посредством привода по сигналу сканирующего устройства, изменение расстояния между линзами приводит к изменению размеров пучка лазерного излучения. Далее сформированный пучок лазерного излучения после развертки луча зеркалами гальванометрического сканера фокусируется линзой и маркирует изделие. При уменьшении расстояния между линзами коллиматора луч фокусируется на большем удалении от выходной линзы, при увеличении расстояния между линзами коллиматора - на меньшем расстоянии от нее. Такое свойство системы линз позволяет устанавливать заданную глубину обработки изделия. Однако при использовании оптоволокна для ввода лазерного излучения в коллиматор торец оптоволокна из-за своих малых размеров может быть размещен не соосно с оптической осью коллиматора или иметь дефекты, такие как сколы, срезы или нарушения сплошности материала оптоволокна. Все это может привести к изменению направления пучка излучения, отклонению его от оптической оси, обратному рассеянию излучения в материале оптоволокна, изменению распределения интенсивности излучения на выходе из оптоволокна, что эквивалентно снижению мощности излучателя. В коллиматоре при фокусировке лучей наклонного пучка возникают аберрации изображения (астигматизм) вследствие зависимости углов преломления лучей от углов их падения на преломляющую поверхность. В результате возникают ошибки в задании требуемого размера пучка для фокусирования в нужной точке изделия при обработке.
Устройство для лазерной маркировки, включающее источник лазерного излучения с оптоволокном для вывода лазерного излучения и коллиматор лазерного излучения с системой фокусирующих линз выбрано в качестве наиболее близкого аналога заявляемой полезной модели.
Задача полезной модели состоит в улучшении эксплуатационных характеристик устройства для лазерной маркировки за счет исключения влияния качества оптоволокна на фокусировку пучка лазерного излучения вдоль оптической оси, а также в расширении арсенала средств лазерной маркировки изделий..
Задача решена тем, что в устройстве для лазерной маркировки, включающем источник лазерного излучения с оптоволокном для вывода лазерного излучения и коллиматор лазерного излучения с системой фокусирующих линз, в соответствии с полезной моделью, в качестве источника лазерного излучения использован полупроводниковый лазерный диод непрерывного действия, оптоволокно размещено в защитном кожухе с фланцем для соединения соосно с коллиматором, а коллиматор выполнен в виде осесимметричного полого корпуса, в котором размещена соосно подвижная вставка с системой линз, одна из которых является положительным мениском, а другая - двояковыпуклой линзой.
Технический результат полезной модели заключается в том, что достигается исключение аберраций и астигматизма изображения пучка лучей при прохождении ими системы линз, а перемещением вставки с линзами возможно обеспечить минимальную расходимость фокусируемого пучка лучей на выходе из коллиматора, обеспечивая совмещение сечения перетяжки пучка лучей с задним фокусом менисковой системы.
Сущность полезной модели иллюстрирует фиг., на которой представлена схема вывода лазерного излучения по оптоволокну в коллиматор. На фиг обозначено: 1 - собственно оптоволокно, отводящее лазерное излучение (полупроводниковый лазерный диод не показан на фиг.), 2 - защитный кожух оптоволокна, 3 - фланец для присоединения кожуха оптоволокна к коллиматору, 4 - коллиматор (корпус), 5 - элемент крепежа для соединения фланца и корпуса коллиматора (винт), 6 - подвижная вставка, 7 - мениск, 8 - двояковыпуклая линза.
Светосила (фокусное расстояние) менисковой системы может быть рассчитана исходя из геометрии устройства для лазерной обработки в целом с учетом фокусных расстояний мениска 7 и линзы 8 по известным формулам геометрической оптики. При выходе лучей лазера из оптоволокна, расходящимся пучком, они попадают на мениск (7), который преломляет лучи, собирая их на выпуклую поверхность линзы (8), которая фокусирует лучи.. Для обеспечения минимального размера пятна засветки в фокальной плоскости менисковой системы (7-8) необходимо обеспечить положение выхода оптоволокна (1) от менисковой системы (7-8) на расстоянии, много большим, чем удвоенное фокусное расстояние системы, что достигается заданием пределов перемещения вставки (6) внутри корпуса коллиматора (4). При достижении минимально возможных размеров пятна засветки лазерный луч с такой шириной пучка поступает на отклоняющие зеркала сканатора и далее сканирует поверхность обрабатываемого изделия, определяя ширину скана. При практическом опробовании установки для лазерной маркировки на базе полупроводникового лазерного диода, работающего на длине волны 940 нм для многомодового оптоволокна с диаметром световедущей жилы 600 мкм получен после коллимирования при фокусном расстоянии менисковой системы порядка 15 мм размер сфокусированного пятна порядка 0,3 мм, что удовлетворяет требованиям к лазерной маркировке. Использование лазерного диода непрерывного действия снижает вероятность случайных флуктуации мощности излучения и связанных с ними дополнительных тепловых нагрузок на оптические элементы, что обеспечивает постоянство оптических характеристик фокусирующей системы коллиматора.