Установка для лазерной обработки кольцевым пучком

Полезная модель относится к оборудованию для лазерной обработки и может быть использована для изготовления шайб из тугоплавких металлических или изоляционных неметаллических пластин.
Известна установка для лазерной обработки кольцевым пучком, содержащая последовательно установленные лазер, коническую линзу и оптическую фокусирующую систему (А.Н. Кокора, Е.А. Корнеев, Б.М. Манзон, М.Н. Орехов. Применение конической линзы для получения отверстий большого диаметра с помощью луча лазера. Физика и химия обработки материалов. 1979, №4, с. 145-147). В указанной установке лазер генерирует цилиндрический пучок, который с помощью конической линзы преобразуется в пучок кольцевого сечения, фокусируемый на обрабатываемую поверхность с помощью оптической фокусирующей системы, причем в качестве последней используется объектив с переменным фокусным расстоянием. Диаметр контура обработки определяется углом при основании конической линзы и фокусным расстоянием фокусирующей линзы. Недостатком аналога является низкая производительность установки при производстве шайб из тугоплавких металлических или изоляционных неметаллических пластин так как требуется вначале прошивка одного кольца, затем перестройка установки и прошивка второго кольца. Даже при «мгновенном» изменении фокусного расстояния линзы для получения шайбы требуется два лазерных импульса.
Наиболее близкой к заявляемой полезной модели является установка для лазерной обработки кольцевым пучком. Патент РФ №2068328 МПК B23K 26/00. 27.10.1996. Установка содержит лазер, телескопическую систему с отрицательной и положительной линзами, две конические линзы, поворотное интерференционное зеркало, фокусирующую систему и защитную пластину. Установка предназначена для пробития кольцевых отверстий в пластинах. Данное решение принято в качестве прототипа. Недостатком также является низкая производительность при изготовлении шайб из тугоплавких металлических или изоляционных неметаллических пластин.
Техническим результатом полезной модели, совпадающим с задачей, на решение которой она направлена, является повышение производительности установки для лазерной обработки при изготовлении шайб из тугоплавких металлических или изоляционных неметаллических пластин.
Технический результат достигается тем, что в установке для лазерной обработки кольцевым пучком, содержащей лазер и расположенные на оси лазерного пучка телескопический преобразователь диаметра лазерного пучка, состоящий из отрицательной линзы и положительной линзы, коническую линзу и фокусирующую линзу, коническая линза выполнена монолитной, состоящей из конуса с углом при его основании, рассчитываемом по уравнению
,
1
где R - внутренний диаметр получаемой в результате обработки шайбы;
ƒ - фокусное расстояние фокусирующей линзы;
n - показатель преломления материала конической линзы и усеченного конуса с углом при его большем основании, рассчитываемом по уравнению
,
2
где R - внешний диаметр получаемой в результате обработки шайбы, радиус меньшего основания усеченного конуса равен радиусу основания конуса, радиус большего основания усеченного конуса выполняют не менее радиуса пучка лазерного излучения после телескопического преобразователя, который рассчитывают по формуле
,
К
где R - радиус основания конуса.
1
2
К
P
1
2
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором представлена установка для лазерной обработки кольцевым пучком, содержащая лазер 1, телескопическую систему преобразования диаметра лазерного пучка, образованную отрицательной линзой 2 и положительной линзой 3, коническую линзу 4, выполненную монолитной из оптически прозрачного материала и функционально образованную конической линзой с углом у основания α и усеченной конической линзой с углом у основания α, фокусирующую линзу 5 и обрабатываемая пластина 6. На чертеже также показаны: R - радиус основания конуса, R - радиус лазерного пучка после телескопической системы, R - внутренний диаметр получаемой в результате обработки шайбы, R - внешний диаметр получаемой в результате обработки шайбы.
P
Установка для лазерной обработки функционирует следующим образом. Генерируемый лазером 1 пучок излучения линзами 2 и 3 преобразуется в пучок диаметром R. Центральная часть лазерного пучка конической линзой с углом при основании он преобразуется в первый расходящийся пучок, отклоненный от оптической оси на угол
где n - показатель преломления материала конической линзы.
2
Периферийная часть пучка конической линзой с углом при основании α преобразуется во второй расходящийся пучок, отклоненный от оптической оси на угол
Далее объективом 5 первый лазерный пучок на обрабатываемой пластине 6 фокусируется в окружность радиусом
где ƒ - фокусное расстояние линзы 5.
Второй лазерный пучок объективом 5 фокусируется на обрабатываемой пластине 6 в окружность радиусом
1
2
При достаточной плотности энергии в лазерном пучке происходит пробитие двух отверстий по круговому контуру радиусами R и R. При этом площади испарившихся контуров при условии, что их ширина много меньше их длины, соответственно составят:
-3
где ϕ - угол расходимости лазерного излучения. При ƒ =50 см и расходимости лазерного излучения ϕ=10 рад ширина контура составит 0,05 см.
2
1
Таким образом, при воздействии одного лазерного импульса получаем шайбу диаметром R с внутренним диаметром R. Производительность лазерной установки повышается в два раза.
Определим характеристики установки. Из уравнений (3) и (4) определим требуемые углы у основания конической линзы:
1
2
1
2
Например, при ƒ=50 см, n=1, 5, R=1 см, R=2 см, получим α=2,29°, α=4,58°.
К
P
1
2
Определим требуемые значения R и R Энергия лазерного излучения, требуемая для испарения материала пластины по контурам S и S соответственно равна:
TR
2
где W - плотность энергии лазерного излучения, требуемая для пробития сквозного отверстия в обрабатываемой пластине [Дж/см].
Из уравнений (9) и (10) с учетом (5) и (6) получим
Если лазер 1 работает в многомодовом режиме, то распределение мощности по сечению пучка можно принять равномерным. В этом случае:
где W - плотность энергии в лазерном пучке после телескопического преобразователя.
Разделив (12) на (13), получим
После математических преобразований с учетом (11), окончательно получим
1
2
К
P
Например, при R=1 см, R=2 см, R=1,5 см получим R=2,6 см.
Таким образом, решается поставленная задача и достигается заявленный технический результат, выражающийся в увеличении производительности установки для лазерной обработки кольцевым пучком при изготовлении шайб из тугоплавких металлических или изоляционных неметаллических пластин.