УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОКУСИРОВКИ ИЗЛУЧЕНИЯ ВОЛОКОННОГО ЛАЗЕРА
DEVICE FOR FOCUSING FIBRE LASER RADIATION

Предлагаемое техническое решение относится к обработке металлов и других материалов лазерным пучком, а более точно к устройствам, специально предназначенным для формирования фокальной области лазерного пучка, генерируемого волоконными лазерами.
Известно устройство для сварки лазером (ЕР 1688209, filling date 02.02.2006, publication date 09.08.2006, Laser welding apparatus and method), фокусирующая система которого включает первую по ходу луча фокусирующую линзу, вторую по ходу луча, рассеивающую линзу и третью по ходу луча направляющую линзу. Устройство также содержит секцию регулировки, предназначенную для настройки взаимного расположения линз, обеспечивающую настройку необходимых параметров фокусировки лазерного пучка.
Известное устройство предназначено, в основном, для волоконных лазеров, так как входящим пучком для него служит расходящийся пучок, типичный для этого типа излучателей. Секция регулировки известного устройства включает корпус с цилиндрическим вкладышем для установки линз, внутренняя поверхность которого снабжена спиральными канавками. Линзы снабжены выступами, входящими в зацепление с канавками. Устройство также содержит двигатель и приводной ролик для вращения цилиндрического вкладыша. Линзы при вращении цилиндрического вкладыша перемещаются вдоль оси. Формы канавок подобраны таким образом, чтобы обеспечить заданное изменение расстояний между линзами.
Известное устройство предусматривает только один определенный закон взаимного перемещения линз, что ограничивает возможности управления параметрами пучка устройства и его использования при эксплуатации волоконных лазеров с высоким уровнем мощности. Это связано, в частности, с тем, что в процессе работы мощного волоконного лазера, линзы в зоне прохождения пучка нагреваются и в них формируются искажения лазерного пучка при его прохождении через нагретые области линз. Оптические силы линз при этом изменяются. В результате точка финишной фокусировки лазерного пучка смещается в сторону источника излучения и, как следствие, условия технологического процесса нарушаются, т.к. точка фокуса смещается с заданной поверхности. В этом случае возникает необходимость одновременного гибкого регулирования как размеров лазерного пятна, так и положения фокусов линз. Известное устройство не позволяет осуществлять такую настройку из-за жесткой связи взаимных положений линз.
Кроме того, поскольку при работе лазеров с высоким уровнем мощности линзы в зоне прохождения лазерного пучка нагреваются, необходимо обеспечить от них хороший теплоотвод. В известном устройстве из-за зазоров между вращающимся цилиндрическим вкладышем и корпусом хороший теплоотвод не может быть обеспечен.
Точность регулирования параметров лазерного излучения с помощью известного устройства ограничивается еще и тем, что при вращении цилиндрического вкладыша увеличиваются угловые погрешности регулировки, обусловленные неизбежными погрешностями изготовления элементов устройства, в частности, технологической ошибкой децентровки линз (смещения их оптической оси относительно геометрической оси устройства в целом).
Также известное устройство имеет повышенные габариты из-за необходимости использования подшипников в механизме вращения цилиндрического корпуса, а поскольку для фокусировки мощных лазерных пучков с уровнем мощности 1000…20000 Вт применяются линзы с большими диаметрами (от 30 до 60 мм), то габариты устройства в целом становятся весьма существенными, что делает проблематичным использование таких систем в современных роботизированных производствах с размещением системы на манипуляторах роботов.
Известно также устройство для фокусировки излучения волоконного лазера (Патент на полезную модель RU 67296, заявл. 2007.01.22, опубл. 2007.10.10, Фокусирующая оптическая система для лазерного излучения - прототип), содержащее три оптических блока, первый и второй из которых по ходу луча установлены с возможностью перемещения вдоль оптической оси, первый и третий по ходу луча оптические блоки выполнены с положительной оптической силой, а второй оптический блок выполнен с отрицательной оптической силой.
Оптическая система известного устройства обеспечивает возможность гибкого регулирования параметров фокусировки лазерного пучка в широких пределах, а именно: размеров сфокусированного лазерного пятна и расположения точки фокуса по оси системы. Это позволяет использовать его, в частности, для динамической компенсации искажений мощного лазерного пучка при его прохождении через нагретые области оптических элементов. Однако в описании известного устройства приведена только принципиальная схема оптической системы и не раскрыты конструктивные особенности, позволяющие обеспечить необходимые условия фокусировки и теплоотвод при нагревании линз в зоне прохождения лазерного пучка большой мощности.
Также в известном устройстве не определены соотношения между основными характеристиками оптических элементов, поэтому, в общем случае, применение известного устройства в том виде как оно раскрыто в описании, не позволяет обеспечить высокую точность настройки параметров лазерного излучения.
Задача создания предлагаемого технического решения - повышение точности настройки параметров лазерного излучения при одновременном увеличении передаваемой мощности, а также повышение надежности устройства для фокусировки излучения волоконного лазера и расширение его технологических возможностей.
Поставленная задача решается за счет того, что в устройстве для фокусировки излучения волоконного лазера, содержащем три оптических блока, первый и второй из которых по ходу луча установлены с возможностью перемещения вдоль оптической оси, при этом первый и третий по ходу луча оптические блоки выполнены с положительной оптической силой, а второй оптический блок выполнен с отрицательной оптической силой, оптические силы первого и второго оптических блоков удовлетворяют соотношению:
2
1
0,8≤Ф/Ф≤1,6, где
1
Ф - оптическая сила первого по ходу луча оптического блока,
2
Ф - оптическая сила второго по ходу оптического блока,
первый и второй оптические блоки смонтированы внутри цилиндрических вкладышей, установленных в цилиндрическом канале металлического корпуса, и снабжены автономными механизмами перемещения, каждый из которых размещен в герметичном корпусе, герметично состыкованным с наружной стенкой металлического корпуса, выполненной с прорезями, через которые проходят водила, соединяющие механизмы перемещения с цилиндрическими вкладышами, один из торцов корпуса герметично соединен фланцем с коннектором оптического кабеля, а второй торец снабжен герметичной заглушкой, в которой герметично и неподвижно закреплен третий оптический блок.
В частных случаях реализации изобретения металлический корпус может быть выполнен из бронзы, а цилиндрические вкладыши могут быть выполнены из стали.
2
1
При Ф/Ф≥1,6 диапазон регулирования слишком мал, т.к. коэффициент перестройки фокусного расстояния (отношение максимального фокусного расстояния к минимальному) оказывается менее 1,5 и осуществить настройку параметров фокусировки в требуемом диапазоне не представляется возможным. В этом случае нет смысла использовать устройство предлагаемой конструкции для настройки параметров фокусировки, т.к. устройство практически эквивалентно устройству с фиксированным расположением оптических блоков.
2
1
При Ф/Ф≤0,8 система вообще теряет фокусирующие свойства. Это объясняется тем, что даже при предельном приближении первого и второго оптических блоков друг к другу, суммарная оптическая сила двух блоков недостаточна, чтобы сформировать из расходящегося пучка пучок с фронтом, близким к параллельному.
Благодаря тому, что первый и второй оптические блоки смонтированы внутри цилиндрических вкладышей, установленных в цилиндрическом канале металлического корпуса, при перемещении линз механические усилия передаются на вкладыши, а не на сами линзы. Это позволяет повысить надежность устройства. Кроме того, при таком выполнении устройства точность установки оптических блоков и плавность их перемещения повышаются за счет возможности повышения точности изготовления и сборки устройства в целом. Предлагаемая конструкция устройства позволит также обеспечить хороший теплоотвод при нагревании линз в процессе работы. Чем эффективнее теплоотвод от линз, тем меньше искажение мощного лазерного пучка при его прохождении через нагретые области оптических элементов. При увеличении передаваемой мощности нагрев линз в зоне прохождения лазерного пучка увеличивается, а следовательно, увеличиваются и искажения. Эффективный теплоотвод, обеспечиваемый конструктивными особенностями предлагаемого устройства, позволяет снизить искажения, вызванные нагреванием линз, и, следовательно, повысить точность настройки параметров лазерного излучения при одновременном увеличении передаваемой мощности.
При большой мощности лазерного излучения от поверхности линз отражается некоторое количество энергии, и эта лучевая энергия локализуется в герметичных объемах между оптическими блоками и вся в основном поглощается массивным корпусом, термические деформации которого практически отсутствуют. При этом термические деформации остальных конструктивных элементов минимальны. Т.о. даже при значительном увеличении передаваемой мощности за счет хорошего теплоотвода может быть обеспечена очень высокая точность настройки параметров лазерного излучения.
При работе устройства зоны нагрева, создаваемые прохождением через оптическую систему лазерного пучка, в разных линзах формируются по-разному, и этот нагрев формируется постепенно. Время формирования стационарного теплового поля, может меняться от 0,5 до 10 секунд. Поэтому после включения излучения точка фокуса начинает постепенно смещаться относительно расчетного состояния (или «холодного» состояния). За счет того что оптические блоки снабжены автономными механизмами перемещения, предлагаемое устройство позволяет вводить динамические корректировки положения оптических блоков, которые также могут осуществляться автоматически за счет применения датчиков положения лазерного пятна.
В мощных волоконных лазерах самое критическое место - это зона выхода мощного лазерного пучка из волокна. В этой зоне очень большая плотность мощности и попадание любой микроскопической пылинки приводит к микровзрыву и разрушению поверхности волокна. Поэтому для надежной работы устройства при высоких значениях уровня мощности очень важна полная герметичность устройства. В предлагаемом устройстве герметичность устройства в целом обеспечивается за счет герметичного выполнения всех элементов устройства и всех их соединений. В частности, механизмы перемещения расположены в герметичных корпусах, каждый из которых герметично состыкован с наружной стенкой металлического корпуса. Водила, обеспечивающие передачу движения от механизмов перемещения к цилиндрическим вкладышам, также размещены внутри герметичных объемов. Неподвижное герметичное закрепление третьего оптического блока в герметичной заглушке дополнительно обеспечивает повышение герметичности системы.
Фланцевое соединение одного из торцов корпуса с коннектором оптического кабеля позволяет повысить точность фиксации предлагаемого устройства относительно выходного узла волоконного лазера и таким образом дополнительно повысить точность настройки параметров лазерного излучения.
Следует также отметить, что устройство предлагаемой конструкции по сравнению с известным устройством (ЕР 1688209) обладает меньшими габаритами из-за отсутствия подшипниковых узлов и механизма вращения. Отсутствие привода вращения и уменьшенные габариты позволяют использовать предлагаемое устройство на манипуляторах роботов и обеспечить комплексную автоматизацию работы устройства. Это, в свою очередь, позволяет значительно расширить его технологические возможности.
Выполнение корпуса устройства из бронзы, а вкладышей - из стали позволяет дополнительно улучшить теплоотвод и снизить коэффициент трения скольжения между цилиндрическим каналом корпуса устройства и вкладышами, в которых установлены первый и второй оптические блоки.
Изобретение поясняется чертежами, где:
ФИГ.1 - Устройство для фокусировки излучения волоконного лазера.
2
2
1
1
ФИГ.2 - Зависимость приведенной безразмерной оптической силы второго оптического блока L·Ф от приведенной безразмерной оптической силы первого оптического блока L·Ф (для различных значений соотношения оптических сил первого и второго оптического блока (L - расстояние от точки выхода луча до оптического блока [м], Ф - оптическая сила оптического блока [1/м]).
Использование приведенного безразмерного параметра объясняется тем, что при простом геометрическом масштабировании оптической системы (то есть одновременном увеличении расстояний, размеров и радиусов кривизны линз) ее свойства не меняются, и относительный параметр Ф·L - произведение оптической силы Ф[1/м] на линейное расстояние L[м] - сохраняется также постоянным. Поэтому использование таких приведенных безразмерных параметров повышает общность анализа системы.
Устройство для фокусировки излучения волоконного лазера содержит первый оптический блок 1, включающий комплект линз, второй оптический блок 2, также включающий комплект линз, третий оптический блок 3. Устройство также содержит цилиндрический вкладыш 4, в котором смонтирован первый оптический блок, и цилиндрический вкладыш 5, в котором смонтирован второй оптический блок. Цилиндрические вкладыши установлены в цилиндрическом канале 6 металлического корпуса 7. Первый оптический блок снабжен механизмом перемещения 8, а второй оптический блок снабжен механизмом перемещения 9. Механизмы перемещения размещены в герметичных корпусах 10 и 11, которые герметично состыкованы с наружной стенкой металлического корпуса. Металлический корпус снабжен прорезями 12 и 13, через которые проходят водила 14 и 15, соединяющие механизмы перемещения с цилиндрическими вкладышами. Один из торцов металлического корпуса герметично соединен с коннектором оптического кабеля фланцем 16, в который вмонтирован выходной узел оптоволоконного кабеля 17 волоконного лазера. Второй торец металлического корпуса снабжен герметичной заглушкой 18, в которой смонтирован третий оптический блок.
2
1
Устройство предлагаемой конструкции было опробовано при работе с волоконным лазером серии ЛС-2 с диапазоном по мощности от 700 до 2000 Вт с оптическим волокном с диаметром центральной жилы 50 мкм. Было опробовано устройство с соотношением оптических сил Ф/Ф=1,2. Устройство для фокусировки излучения волоконного лазера герметично присоединяли фланцем 16 к коннектору оптического кабеля, в который был вмонтирован выходной узел оптоволоконного кабеля 17 волоконного лазера. Затем включали лазерное излучение и проводили технологические тесты по резке и проплавлению металлов.
В этих тестах, в частности, проводили оценку точности настройки параметров лазерного излучения и проверку возможностей настройки оптической системы. При синхронном регулировании положения первого и второго оптических блоков с помощью механизмов перемещения 8 и 9 экспериментально наблюдали изменение характеристик реза, в частности, ширина реза изменялась от 70 до 220 мкм.
При увеличении уровня мощности излучения выше 1500 Вт было зарегистрировано смещение точки финишной фокусировки с заданной поверхности, вызванное нагреванием линз за счет прохождения через оптическую систему лазерного пучка повышенной мощности. В частности при разрезании деталей по спиральной траектории большой длины приблизительно через 7 секунд наблюдалось увеличение ширины линии реза, вызванное смещением точки финишной фокусировки с поверхности разрезаемого образца на 1÷2 мм в зависимости от установленного уровня мощности лазера. При корректировке положения точки финишной фокусировки путем перемещения второго блока с помощью механизма перемещения 9 в направлении выходного узла 17 оптоволоконного кабеля удавалось вернуть ширину линии реза к исходному значению.
В систему управления устройством для фокусировки излучения волоконного лазера был введен счетчик излученной энергии лазера и алгоритм автоматической корректировки смещения фокуса с заданной поверхности, вызванного нагреванием линз за счет прохождения через оптическую систему лазерного пучка повышенной мощности. Испытания показали, что при оптимальном подборе коэффициентов такого алгоритма компенсации смещение точки финишной фокусировки удается практически полностью устранить.
2
1
1
2
2
1
2
1
Указанное в формуле изобретения соотношение, которому удовлетворяют оптические силы первого и второго оптических блоков (0,8≤Ф/Ф≤1,6) для устройства предлагаемой конструкции было получено расчетным путем и дополнительно проверено экспериментально без использования мощного лазера на оптической скамье. Из набора линз с разными оптическими силами в диапазоне Ф,Ф=5÷20 выбирались пары с разным соотношением Ф/Ф и экспериментально определялось значение Ф=Ф/Ф, при котором продольные габариты системы минимальны. Эксперимент подтвердил результаты расчетов.
2
1
Кривые на ФИГ.2 показывают, что при малых значениях отношений оптических сил Ф/Ф (нижние кривые) диапазон регулирования резко сужается (обрыв кривых с правой стороны из-за геометрических ограничений - второй блок физически упирается в первый). Резкий обрыв кривой означает, что расчетное расстояние от первой до второй линзы становится отрицательным. На самом деле ограничение наступает еще ранее, так как физически линзы расположены в оправках, а наборы линз - в блоках, так что существует минимальное расстояние от первого до второго блока, обусловленное конструктивными особенностями устройства.
2
1
При увеличении отношения Ф/Ф (верхние кривые) диапазон регулирования сохраняется, но растут габариты системы (значение L2 резко возрастает), то есть при регулировании значения фокусного расстояния системы второй блок необходимо отодвигать очень далеко от первого блока и от коннектора оптического кабеля. При этом продольные габариты системы резко увеличиваются. Одновременно увеличатся и поперечные габариты, и, как следствие, значительно увеличится общий вес системы. Увеличение веса и габаритов ограничит сферу использования устройства и возможность автоматизации процесса фокусировки.