Устройство фокусировки для лазерной обработки
FOCUSING APPARATUS FOR LASER PROCESSING

Изобретение относится к устройствам для лазерной технологии, точнее к устройствам фокусировки для лазерной обработки (1).
Известен патент RU 2398665 на УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОКУСИРОВКИ ИЗЛУЧЕНИЯ ВОЛОКОННОГО ЛАЗЕРА. Устройство содержит два оптических блока, расположенных в цилиндрическом канале металлического корпуса. Каждый из оптических блоков снабжен механизмом перемещения. Торцы цилиндрического канала металлического корпуса закрыты фланцами. На одном из фланцев установлен третий оптический блок. Второй торец корпуса присоединяется к коннектору оптического кабеля. Герметичность устройства в целом обеспечивается за счет герметичного выполнения всех элементов устройства и всех их соединений. Недостатком является сложность низкая неэффективность конструкции при использовании для удаленной обработки материалов.
Также известен патент RU 2301496 на УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОКУСИРОВКИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОБЪЕКТ. Устройство содержит формирующую оптическую систему, фотоприемную систему, систему корректировки фокусировки, блок оптической компенсации, источник излучения. Формирующая оптическая система представляет собой принимающий и передающий телескопы фотоприемной системы подключен к входу системы корректировки фокусировки. Недостатком является громоздкая и сложная конструкция, не позволяющая оперативно производить удаленную обработку материалов.
Также известен патент RU 2504809 на ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ОБЪЕКТИВ ДЛЯ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ. Объектив содержит корпус, привод вращения корпуса вокруг оси, объектив, расположенный на станине в двух подшипниках, и три линзы, первая из которых отрицательная сферическая неподвижная, расширяющая входящий в объектив параллельный пучок лазерного излучения, вторая и третья линзы положительные цилиндрические со взаимно перпендикулярными образующими, задающие размеры фокусируемого на подложке овального лазерного пятна. Недостатком является необходимость постоянного регулирования формы пятна, что сказывается на снижении для удаленной обработки материалов.
Наиболее близким по технической сущности принята в качестве прототипа ОПТИКО-ФОКУСИРУЮЩАЯ ГОЛОВКА ДЛЯ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ по полезной модели 162426 МПК B23K 26/00, B23K 26/073, где повышение эффективности резки реализуется тем, что в корпусе закреплено первое по ходу луча фокусирующее зеркало, устанавливаемое плоскостью под 45 град к ходу луча, далее второе по ходу луча фокусирующее зеркало, устанавливаемое плоскостью под 90 град к плоскости первого зеркала, после второго зеркала закреплен штуцер для подачи сжатого газа, устанавливаемый ортогонально к оси луча, далее в корпусе закреплена поворотная защитная крышка с клапаном избыточного давления сжатого газа устанавливаемая по ходу луча. Недостатком прототипа является невозможность применения для удаленной обработки материалов.
Также известен патент RU 2504809 на ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ОБЪЕКТИВ ДЛЯ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ. Объектив содержит корпус, привод вращения корпуса вокруг оси, объектив, расположенный на станине в двух подшипниках, и три линзы, первая из которых отрицательная сферическая неподвижная, расширяющая входящий в объектив параллельный пучок лазерного излучения, вторая и третья линзы положительные цилиндрические со взаимно перпендикулярными образующими, задающие размеры фокусируемого на подложке овального лазерного пятна. Недостатком является необходимость постоянного регулирования формы пятна, что сказывается на снижении для удаленной обработки материалов.
Наиболее близким по технической сущности принята в качестве прототипа ОПТИКО-ФОКУСИРУЮЩАЯ ГОЛОВКА ДЛЯ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ по полезной модели 162 426 МПК B23K 26/00, B23K 26/073, где повышение эффективности резки реализуется тем, что в корпусе закреплено первое по ходу луча фокусирующее зеркало, устанавливаемое плоскостью под 45 град к ходу луча, далее второе по ходу луча фокусирующее зеркало, устанавливаемое плоскостью под 90 град к плоскости первого зеркала, после второго зеркала закреплен штуцер для подачи сжатого газа, устанавливаемый ортогонально к оси луча, далее в корпусе закреплена поворотная защитная крышка с клапаном избыточного давления сжатого газа устанавливаемая по ходу луча. Недостатком прототипа является невозможность применения для удаленной обработки материалов.
В приведенных аналогах обработка материалов ведется в технологических целях в условиях закрытого цеха, когда имеется возможность определить конфигурацию пятна на поверхности обрабатываемого материала. В практике имеется необходимость производить лазерную обработку материалов в труднодоступных местах в сложных оптических атмосферных условиях и на расстояниях более 100 м не позволяющих визуально определить конфигурацию и положение пятна фокусировки. Обычно используемые фокусирующие системы включают однотипные фокусирующие элементы: линзы или зеркала, которые обладают определенными аберрациями в условиях открытого пространства. Осадки попадают на поверхность оптических элементов, что приводит к повреждению оптических элементов и необходимо иметь защиту поверхности. Для удаленной обработки материалов необходимо устройство с защитой внутренних оптических элементов в герметичном варианте и при применении мощного лазерного излучения используют зеркальные оптические элементы, обладающие высокой лучевой прочностью. Поэтому в сложных метеоусловиях необходимо иметь герметичный корпус с защитой оптических зеркальных элементов с защитной крышкой.
Целью изобретения является удаленная обработка материалов сфокусированным излучением при компактной конструкции устройства. Поставленная цель достигается тем, что оно снабжено фокусирующей выходной линзой для фокусировки луча на обрабатываемом материале, при этом первое по ходу луча зеркало выполнено плоским с центральным отверстием для прохода луча на второе зеркало, которое выполнено выпуклым для расфокусировки луча, причем первое плоское зеркало установлено под углом с возможностью прохода луча через центральное отверстие на второе по ходу луча зеркало, выполненное выпуклым, и с возможностью направления отраженного от выпуклого зеркала расфокусированного луча на фокусирующую выходную линзу.
На фиг. 1 приведена схема устройства фокусировки, реализующая предлагаемое изобретение, где 1 - выпуклое зеркало, расфокусирующее поступающее сквозь центральное отверстие плоского зеркала от лазера излучение, 2 - плоское зеркало, расположенное под углом 81° к оси проходящего сквозь центральное отверстие лазерного излучения, 3 - выходная линза с плоскостью, образующей угол 72° к оси проходящего излучения, фокусирующая отраженное от плоского зеркала излучение на удаленный объект, 4 - поступающее от лазера излучение, 5 - фокусировка на удаленный объект.
Работает устройство следующим образом.
При определении положения объекта для удаленной обработки материалов корпус устройства и зеркала в нем ориентируют в направлении обработки, через штуцер подают сжатый газ (азот) для осушки объема, подключают лазерное излучение через коннектор. Через штуцер на поворотной крышке производится стравливание избыточного давления в корпусе устройства, поступающий из штуцера газ удаляет атмосферные осадки на крышке. Открывают поворотную защитную крышку со штуцером избыточного давления. Поступающее от лазера через коннектор излучение проходит через центральное отверстие в плоском зеркале, первом по ходу распространения луча, далее поступает на выпуклое зеркало, где расфокусируется и поступает на плоское зеркало, расположенное под углом к оси проходящего сквозь центральное отверстие лазерного излучения, далее отражается от области вокруг центрального отверстия плоского зеркала и поступает на фокусирующую выходную линзу для фокусировки на удаленный объект. Фокусирующая линза ориентируется в направление на обрабатываемый материал. Сжатый газ, проходя по корпусу, выходит через щели выходной апертуры с фокусирующей линзой и создает защитную газовую прослойку, сдувающую атмосферные осадки для защиты поверхности линзы. Расстояния между зеркалами и линзой рассчитываются для определенной дальности, для дальности около 1 км: расстояние между плоским и выпуклым зеркалом в диапазоне 1513-1526 мм, расстояние между плоским зеркалом и выходной линзой - 1200 мм. Весь объем вокруг зеркал охлаждается сжатым газом. Изобретение устройство фокусировки может быть использовано в составе специальных комплексов для удаленной обработки материалов.
Литература
1. Григорьянц А.Г., Сафонов А.Н. Методы поверхностей лазерной обработки. - М.: Высшая школа, 1987. - 191 с.