УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ЛИНЕЙНЫМ РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ ИНТЕНСИВНОСТИ
DEVICE FOR GENERATING LASER RADIATION HAVING A LINEAR INTENSITY DISTRIBUTION

Изобретение относится к устройству для формирования лазерного излучения с линейным распределением интенсивности в соответствии с ограничительной частью п. 1 формулы изобретения.
Определения. Под «лазерным лучом», «световым лучом», «частичным лучом» или «лучом», если это не указано особо, подразумевается неидеализированный луч геометрической оптики, а реальный световой луч, например лазерный луч гауссова профиля или модифицированного гауссова профиля или Top-Hat-профиля, который имеет не бесконечно малое, а вытянутое сечение. Под Top-Hat-распределением или Top-Hat-распределением интенсивности подразумевается распределение интенсивности, которое в отношении, по меньшей мере, одного направления описывается, в основном, прямоугольной функцией (rect(x)). При этом реальные распределения интенсивности, имеющие отклонения от прямоугольной функции в процентном диапазоне или спадающие фронты, могут называться также Top-Hat-распределением или Top-Hat-профилем.
Устройство описанного выше рода известно из DE 102007001639 A1. В нем предусмотрено большое число работающих в мультимодовом режиме источников лазерных лучей. Их излучения перемешиваются в стержнеобразном гомогенизаторе и при этом перекрываются. Затем они преобразуются коллимирующими и фокусирующими линзами в линейное распределение интенсивности в рабочей плоскости.
Такие лазерные системы с линейным фокусом и однородным распределением интенсивности до сих пор известны и используются во многих областях техники с работающими в мультимодовом режиме лазерными источниками. Физической основой этого является то, что излучение мультимодовых лазеров может разделяться на световые пучки, которые затем могут оптически перекрываться почти без интерференционных полос и перемешиваться или гомогенизироваться. Так, из мультимодовых лазерных источников можно формировать однородные световые поля почти произвольной геометрии. Технически используются, в частности, прямоугольные и линейные световые поля с прямоугольным Top-Hat-распределением интенсивности.
При этом проблемой оказывается то, что для описанных в DE 102007001639 A1 гомогенизации и перекрытия лазеры на основной моде непригодны. Лазеры на основной моде используются сегодня в большинстве случаев с давно известным точечным фокусом. В некоторых исключительных случаях в лазерах на основной моде используются оптические средства формирования луча, принцип действия которых физически принципиально иной, нежели в мультимодовых лазерах. Излучение лазеров на основной моде очень когерентное, так что при перекрытии с самим собой возникают сильные интерференционные полосы. Поэтому используемое в лазерах на основной моде излучение происходит в уровне техники за счет эффектов дифракции, т.е. дифрактивно, или через когерентную деформацию фронта волны.
Лежащей в основе изобретения задачей является создание устройства описанного выше рода, которое, несмотря на использование лазеров на основной моде, позволило бы обеспечить сравнительно однородное линейное распределение интенсивности в рабочей плоскости.
Согласно изобретению, эта задача решается посредством устройства описанного выше рода с отличительными признаками пункта 1 формулы изобретения. Зависимые пункты формулы касаются предпочтительных вариантов осуществления изобретения.
В соответствии с пунктом 1 предусмотрено, что источники лазерного света выполнены в виде лазеров на основной моде, а устройство выполнено таким образом, что одно из идущих из источников лазерного света лазерных излучений не перекрывается само с собой. Таким образом, не возникает мешающих интерференционных полос, которые при перекрытии самих с собой создают когерентный свет.
То, что свет отдельных лазеров на основной моде не перекрывается сам с собой, можно обеспечить, отказавшись от типичных многолинзовых гомогенизаторов. Такие многолинзовые гомогенизаторы разделяют лазерное излучение на множество частичных лучей и перекрывают их затем самих с собой.
2
2
Может быть предусмотрено, что источники лазерного света могут формировать лазерное излучение с показателем дифракции М менее 2,0, в частности менее 1,5, преимущественно менее 1,3, например лазерное излучение с показателем дифракции М 1,05.
Преимущественно источники лазерного света выполнены каждый в виде волоконного лазера. Наиболее быстро растущим типом лазера по обороту и объему партий для всех видов обработки материалов в последние годы является волоконный лазер. Во многих областях волоконный лазер показывает по сравнению с традиционными твердотельными и газовыми лазерами заметные преимущества в отношении цены и мощности. Волоконный лазер отличается высоким качеством луча и блеском и ставит новые рекорды мощности в области обработки металлов. Например, в продаже имеются лазеры на основной моде мощностью до 50 кВт. За счет предложенного выполнения появляется возможность достичь благодаря особым свойствам волоконного лазера новых, не достигавшихся до сих пор диапазонов интенсивности для применения линейного фокуса.
Может быть предусмотрено, что устройство выполнено таким образом, что линейное распределение интенсивности в рабочей плоскости имеет отношение длины к ширине более 10, в частности более 20, преимущественно более 30. Линейные распределения интенсивности с большим отношением аспектов представляют особый интерес для многих областей применения.
Устройство может быть выполнено таким образом, что идущие от отдельных источников лазерного света лазерные излучения в рабочей плоскости расположены в продольном направлении линии, в основном, рядом друг с другом и образуют сообща линейное распределение интенсивности, причем, в частности, в продольном направлении линии перекрываются только боковые стороны распределений интенсивности отдельных лазерных излучений. Это позволяет избежать также при образовании линии нежелательного перекрытия лазерных излучений.
Оптические средства могут включать в себя коллимирующие и/или изображающие линзовые средства.
Кроме того, существует возможность того, что оптические средства включают в себя, по меньшей мере, одну трансформирующую деталь, которая может преобразовывать гауссово распределение в Top-Hat-распределение, причем трансформирующая деталь может быть, например, линзой Пауэлла или может включать в себя ее.
В частности, устройство может включать в себя несколько трансформирующих деталей, каждая из которых соответствует одному из источников лазерного света таким образом, что идущее от первого источника лазерного света лазерное излучение проходит через первую трансформирующую деталь, а идущее от второго источника лазерного света лазерное излучение - через вторую трансформирующую деталь. Таким образом, в рабочей плоскости могут примыкать друг к другу сравнительно прямоугольные распределения интенсивности, в результате чего возникает очень равномерная линия.
При этом трансформирующая деталь или каждая из трансформирующих деталей может далее за счет трансформации гомогенизировать трансформированное им лазерное излучение, не перекрывая при этом соответствующее лазерное излучение само с собой. Это происходит, в частности, потому, что трансформирующая деталь или каждая из трансформирующих деталей, например фазовая пластинка, перераспределяет энергию в лазерном излучении без перекрытия. Перекрытие возникает лишь между соседними, сравнительно прямоугольными распределениями интенсивности, которые в рабочей плоскости примыкают друг к другу. Однако они не когерентны друг другу, так что из-за их перекрытия не возникает мешающих интерференционных полос.
Существует возможность того, что устройство включает в себя линейки для концов волоконных лазеров или для соединенных с волоконными лазерами световолокон, причем преимущественно соответствующие отдельным источникам лазерного света линейки соединены между собой, по меньшей мере, в одном общем, в частности теплоотводящем, держателе. Благодаря теплоотводящим держателям источники лазерного света могут эксплуатироваться при очень больших мощностях. Чтобы увеличить длину линии, несколько таких держателей могут быть соединены между собой в ее продольном направлении.
Кроме того, существует возможность того, что оптические средства включают в себя, по меньшей мере, один держатель, выполненный, в частности, теплоотводящим. Также в этом случае, по меньшей мере, один теплоотводящий держатель гарантирует, что источники лазерного света могут эксплуатироваться при очень больших мощностях.
Может быть предусмотрено, что, по меньшей мере, один держатель линеек и, по меньшей мере, один держатель оптических средств соединены между собой, по меньшей мере, в один модуль. При этом, в частности, устройство может включать в себя несколько включающих в себя держатели модулей, которые могут быть соединены между собой модульно, в частности в продольном направлении формируемого распределения интенсивности. Таким образом можно также увеличить длину линии.
Другие признаки и преимущества изобретения приведены в нижеследующем описании предпочтительных примеров его осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи. На них изображают:
фиг. 1 - схематичный вид сбоку первого варианта выполнения устройства;
фиг. 2 - схематичную диаграмму, которая для первого варианта выполнения в отношении продольного направления линии поясняет формирование линейного распределения интенсивности в рабочей плоскости;
фиг. 3 - схематичную диаграмму, которая в отношении поперечного направления линии поясняет формирование линейного распределения интенсивности в рабочей плоскости;
фиг. 4 - схематичную диаграмму, показывающую линии изоинтенсивности в рабочей плоскости;
фиг. 5 - схематичный вид сбоку второго варианта выполнения устройства;
фиг. 6 - схематичную диаграмму, которая для второго варианта выполнения в отношении продольного направления линии поясняет формирование линейного распределения интенсивности в рабочей плоскости;
фиг. 7 - схематичную диаграмму, которая в отношении поперечного направления линии поясняет формирование линейного распределения интенсивности в рабочей плоскости;
фиг. 8 - схематичную диаграмму, показывающую линии изоинтенсивности в рабочей плоскости.
На чертежах одинаковые или функционально одинаковые детали или световые лучи обозначены одинаковыми ссылочными позициями. Кроме того, чтобы помочь ориентироваться, на некоторых чертежах показана система координат.
На фиг. 1 первый вариант включает в себя несколько источников лазерного света, выполненных в виде лазеров на основной моде. В частности, источниками лазерного света являются волоконные лазеры. На фиг. 1 изображен конец световолокна 1, являющегося частью волоконного лазера или соединенного с ним. Световолокно 1 является волокном с основной модой. Источники лазерного света и/или концы световолокна 1 со стороны выхода расположены рядом друг с другом в направлении X, проходящем в плоскости фиг. 1.
На конце каждого из световолокон 1 расположена теплопроводящая и термически оптимизированная линейка. При этом, в частности, линейки нескольких световолокон 1 размещены в общем держателе 2, который выполнен также теплопроводящим и термически оптимизированным. Несколько таких держателей 2 могут быть расположены в направлении X линейно рядом друг с другом и, в частности, могут быть соединены между собой, так что линейное расположение концов волокон может простираться на любую общую длину. Кроме того, держатели могут поглощать рассеянный свет.
В направлении Z распространения выходящих из концов световолокон 1 лазерных излучений 3 расположены оптические средства, которые в первом варианте включают в себя, по меньшей мере, одно коллимирующее линзовое средство 4, в частности, по меньшей мере, одну коллимирующую линзовую матрицу. Эта, по меньшей мере, одна линзовая матрица может быть выполнена в виде телескопа и содержать линейно противоположные друг другу линзы, апертуры которых соответственно центрированы по центру сердечника соответствующего световолокна 1. Выходящий из конца волокна свет коллимируется соответствующим или противоположным телескопом.
Устройство включает в себя также, по меньшей мере, один теплоотводящий держатель 5, по меньшей мере, для одного коллимирующего линзового средства 4. Этот держатель 5 может состоять из теплопроводящего и термически оптимизированного патрона, который несет линзовое средство или линзовые средства 4 и поглощает рассеянный свет.
Первый вариант устройства включает в себя далее, по меньшей мере, одну трансформирующую деталь 6, в частности, по меньшей мере, одну линзовую матрицу, которая может преобразовывать гауссов профиль в Top-Hat-профиль. При этом каждая из линз или противоположных линз в случае нескольких линзовых матриц может быть расположена так, что апертуры соответственно центрированы по центру сердечника соответствующего световолокна 1.
Первый вариант устройства включает в себя далее, по меньшей мере, один теплоотводящий держатель 7, по меньшей мере, для одной трансформирующей детали 6. Этот, по меньшей мере, один держатель 7 может состоять из теплопроводящего и термически оптимизированного патрона, который несет, по меньшей мере, одну трансформирующую деталь 6 и поглощает рассеянный свет.
Оптические средства включают в себя далее, по меньшей мере, одно фокусирующее линзовое средство 8 или, по меньшей мере, одну фокусирующую линзовую матрицу, которая может фокусировать лазерные излучения 3 в рабочей плоскости 9. В изображенном примере, по меньшей мере, одно фокусирующее линзовое средство 8 размещено в том же держателе 7, что и, по меньшей мере, одна трансформирующая деталь 6. Однако существует также возможность размещения, по меньшей мере, одного фокусирующего линзового средства 8 отдельно или в держателе 4, как во втором варианте на фиг. 5.
Длина линзовых средств 4, а также трансформирующих деталей 6 и их держателей 5, 7 согласована с длиной держателей 2 концов волокон так, что держатели 2, 5, 7 противоположных концов волокон и линзовые средства 4, а также трансформирующие детали 6 могут комбинироваться в оптомеханические, термически связанные блоки (субмодули).
Выполненные в виде линзовых матриц трансформирующие детали 6 состоят из расположенных линейно противоположно в виде матрицы линз, которые из каждого коллимированного луча формируют прямоугольное распределение 10 интенсивности, в частности в рабочей плоскости 9. Профили лучей, возникающие из излучения из отдельных концов волокон и соответствующих линз, имеют боковые края 10а с такими падениями интенсивности вдоль длинных осей (направление X), что боковой край 10а одного распределения 10 интенсивности перекрывается с боковым краем 10а примыкающего распределения 10 интенсивности в одно непрерывное равномерное линейное распределение 11 интенсивности составного лазерного излучения 14.
Это показано на фиг. 2, где интенсивность I нанесена в рабочей плоскости в направлении X. Под соответствующими распределениями 10 интенсивности поз. 12 обозначено положение центров концов волокон. На фиг. 3 нанесена соответственно интенсивность I в рабочей плоскости в направлении Y.
На фиг. 4 изображена линия 13 интенсивности в рабочей плоскости 9. При этом линия 13 интенсивности продолжается дальше вправо и влево, в частности, если в продольном направлении линии (направление X) должно формироваться очень длинное линейное распределение 11 интенсивности. Линия 13 интенсивности приблизительно поясняет разрез лазерного излучения 14 в рабочей плоскости.
В варианте на фиг. 5 для преобразования гауссова профиля в Top-Hat-профиль трансформационная деталь 6 или линзовая матрица не предусмотрены. Поэтому здесь в держателе 4 могут быть размещены, например, по меньшей мере, одно фокусирующее линзовое средство 8 или, по меньшей мере, одна фокусирующая линзовая матрица.
Вследствие отсутствия трансформирующей детали 6 для преобразования гауссова профиля в Top-Hat-профиль отдельные профили 10 интенсивности имеют в рабочей плоскости 9 гауссову форму. Также во втором варианте отдельные профили 10 интенсивности перекрываются в одно непрерывное линейное распределение 11 интенсивности составного лазерного излучения 14. Это непрерывное линейное распределение 11 интенсивности неравномерное. Однако его колебания допустимы для многих областей применения.
Это показано на фиг. 6, где интенсивность I нанесена в рабочей плоскости в направлении X. Под соответствующими распределениями 10 интенсивности поз.12 обозначено положение центров концов волокон. На фиг. 7 нанесена соответственно интенсивность I в рабочей плоскости в направлении Y.
На фиг. 8 изображена линия 13 интенсивности в рабочей плоскости 9. При этом линия 13 интенсивности продолжается дальше вправо и влево, в частности, если в продольном направлении линии (направление X) должно формироваться очень длинное линейное распределение 11 интенсивности. Вследствие гауссова профиля отдельных частичных лазерных излучений 3 линия 13 интенсивности также слегка неравномерная.
В обоих вариантах расстояние (шаг) в продольном направлении X линии линеек является одним из дизайнерских параметров, с помощью которого можно регулировать интенсивность линейного фокуса нужным значением. Шаг ограничен вниз (а достигаемая интенсивность линейного фокуса ограничена вверх) механической стабильностью держателя, необходимой степенью теплопереноса и минимальными размером апертуры и фокусным расстоянием микролинз коллимирующей матрицы.
Пример 1
2
В примерном варианте могут использоваться имеющиеся на рынке водоохлаждаемые волоконные лазеры YLR SM фирмы IPG с соответствующей мощностью 1 кВт и показателем дифракции М=1,05.
Кроме того, в качестве световолокон 1 могут использоваться одномодовые волокна, числовая апертура которых может составлять 0,1.
Минимальное фокусное расстояние линз в линзовых матрицах может составлять 0,3 мм. Минимальный размер апертуры линз в линзовых матрицах может составлять также 0,3 мм. За счет этого можно достичь размера точек в рабочей плоскости 0,06 мм.
2
Интенсивность при полном освещении апертуры может составлять 1,41 МВт/см. Протяженность отдельного прямоугольного распределения 10 интенсивности может составлять, например, по длинной оси (направление X) 2 мм, а по короткой оси (направление Y) - 0,05 мм.
2
За счет последовательного расположения отдельных распределений 10 интенсивности может возникнуть линейная мощность 0,5 кВт/мм или линейная интенсивность 1000 кВт/см.