ЛАЗЕРНЫЙ БЛОК
LASER UNIT

Изобретение относится к лазерному оборудованию и может быть использовано в технологических процессах, системах передачи данных, измерительной технике и других областях, где требуется применение управляемого лазерного воздействия.
Известны лазерные блоки, в которых осуществляется оценка интенсивности лазерного излучения и последующее его управление. Например, в патентных документах: [1] - ЕР 0674965 A1, B23K 26/03, B23K 26/02, опубл. 04.10.1995, [2] - DE 102007053632 A1, B23K 26/42, G01J 1/42, G01J 4/00, опубл. 20.05.2009, [3] - DE 102009052762 А1, B23K 26/42, опубл. 12.05.2011, представлены лазерные блоки технологических установок, в которых лазерный луч, поступающий от источника лазерного излучения, отклоняется полупрозрачным зеркалом, затем фокусируется с помощью оптических элементов и направляется на обрабатываемую поверхность. Отраженный от этой поверхности рассеянный свет проходит в обратном направлении через оптические элементы и полупрозрачное зеркало, фокусируется и поступает на фотодетектор. Выходной сигнал фотодетектора далее используется либо просто для контроля интенсивности лазерного излучения, либо для формирования сигналов управления лазерным излучением, которое осуществляется путем воздействия на источник лазерного излучения, как правило, путем отключения его питания при превышении определенного порогового значения выходного сигнала фотодетектора.
Наиболее близким к заявляемому блоку по своему построению является лазерный блок, представленный в патенте США: [4] - US 4154529, G01D 3/36, опубл. 15.05.1979 (Fig. 1), принятый в качестве прототипа.
Блок-прототип содержит расположенные на одной оптической оси источник лазерного излучения, вход управления питанием которого образует управляющий вход лазерного блока, первое средство оптической фокусировки и оконечный элемент, представляющий собой оптоволокно, предназначенное для вывода лазерного излучения к объекту-потребителю и ввода отраженного от него излучения. Между источником лазерного излучения и первым средством оптической фокусировки располагается стационарное наклонное зеркало с отверстием для прохождения прямого излучения от источника лазерного излучения, обеспечивающее отклонение поступающего в обратном направлении отраженного от объекта-потребителя излучения. При этом в тракте отраженного излучения, входящем в измерительную часть блока, после указанного зеркала располагается второе средство оптической фокусировки и фотодетектор, выход которого образует информационный выход блока.
Блок-прототип работает следующим образом. Лазерное излучение, сформированное источником лазерного излучения, проходит в прямом направлении через отверстие в наклонном зеркале, далее фокусируется с помощью первого средства оптической фокусировки и поступает на оконечный элемент. С этого же оконечного элемента в обратном направлении поступает отраженное излучение, которое отклоняется с помощью наклонного зеркала, далее фокусируется с помощью второго средства оптической фокусировки и поступает на вход фотодетектора. Фотодетектор формирует на своем выходе информационный сигнал, характеризующий интенсивность отраженного излучения, а также, через пересчетный коэффициент, интенсивность прямого излучения. Этот сигнал, как и в аналогах [1]-[3], может использоваться либо просто для контроля интенсивности лазерного излучения (прямого и отраженного), либо для формирования сигнала для управления лазерным излучением, которое осуществляется путем воздействия на источник лазерного излучения, а именно, путем отключения его питания при превышении определенного порогового значения выходного сигнала фотодетектора.
Общим для прототипа [4] и рассмотренных выше аналогов [1]-[3] является то, что реализация измерительной части блока осуществляется с помощью оптических элементов, что усложняет конструкцию блока. Другим недостатком является то, что средства блока позволяют осуществлять управление лазерным излучением только путем воздействия на сам источник лазерного излучения, что не всегда удобно по условиям эксплуатации.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является расширение функциональных возможностей по управлению лазерным излучением при упрощении измерительной части лазерного блока.
Сущность изобретения заключается в следующем. Лазерный блок содержит расположенные на одной оптической оси источник лазерного излучения, вход управления питанием которого образует первый управляющий вход лазерного блока, средство оптической фокусировки и оконечный элемент, а также фотодетектор, выход которого образует информационный выход лазерного блока. В отличие от прототипа, между источником лазерного излучения и средством оптической фокусировки введено средство управления направлением излучения, выполненное таким образом, что в одном своем устойчивом положении обеспечивает прямое прохождение лазерного излучения в оконечный элемент, а в другом - его отклонение в оптическую ловушку, а фотодетектор установлен вблизи средства оптической фокусировки с возможностью регистрации только той части лазерного излучения, которая отражается от компонентов средства оптической фокусировки. При этом вход средства управления направлением излучения образует второй управляющий вход лазерного блока.
В случае, имеющем практическое значение, средство оптической фокусировки содержит расположенные на одной оптической оси фильтр и собирающую линзу, а средство управления направлением излучения выполнено в виде подвижного зеркала, линейно перемещающегося в направляющих на подшипниках скольжения, приводимого в движение электроприводом, управляющий вход которого образует вход средства управления направлением излучения.
Сущность изобретения и возможность его реализации поясняются структурной схемой лазерного блока.
Заявляемый лазерный блок в рассматриваемом примере выполнения содержит расположенные на одной оптической оси источник 1 лазерного излучения, вход управления питанием которого образует первый управляющий вход лазерного блока, средство 2 оптической фокусировки, состоящее из двух компонентов - фильтра 3 и собирающей линзы 4, и оконечный элемент 5, представляющий собой, как и в прототипе, оптоволокно, предназначенное для вывода лазерного излучения к объекту-потребителю.
Источник 1 лазерного излучения представляет собой твердотельный лазер с диодом накачки и средством питания, управляющий вход которого образует вход управления питанием источника 1 лазерного излучения.
Фильтр 3 представляет собой прозрачную пластинку, выполненную, например, из сине-зеленого стекла СЗС22 и предназначен для исключения излучения посторонних спектров, например, инфракрасного излучения от диода накачки твердотельного лазера.
Собирающая линза 4 предназначена для фокусирования лазерного излучения на входе оконечного элемента 5, т.е. на торце оптоволокна.
Между источником 1 лазерного излучения и средством 2 оптической фокусировки располагается средство 6 управления направлением излучения, выполненное таким образом, что в первом своем устойчивом положении обеспечивается прямое прохождение лазерного излучения через средство 2 оптической фокусировки в оконечный элемент 5, а во втором - его отклонение в оптическую ловушку 7, при этом вход средства 6 управления направлением излучения образует второй управляющий вход лазерного блока.
Конструктивно средство 6 управления направлением излучения может быть выполнено, например, в виде подвижного зеркала, линейно перемещающегося в направляющих на подшипниках скольжения, приводимого в движение электроприводом, управляющий вход которого образует вход средства 6 управления направлением излучения.
Оптическая ловушка 7 предназначена для поглощения светового излучения и представляет собой поверхность определенной геометрической формы, такой, что падающее на нее излучение не отражается от нее. Подобные ловушки описаны, например, в патентах: [5] - ЕР 2602645 B1, G02B 5/00, опубл. 26.03.2014, [6] - US 4864098, B23K 27/00, опубл. 05.09.1989, [7] - US 7374298 В2, G02B 27/00, опубл. 20.05.2008.
Лазерный блок в своей измерительной части содержит фотодетектор 8, выход которого образует информационный выход лазерного блока. Фотодетектор 8 установлен вблизи средства 2 оптической фокусировки с возможностью регистрации только той части лазерного излучения, которая отражается от компонентов 3 и 4 средства 2 оптической фокусировки.
Работа лазерного блока происходит следующим образом.
До включения источника 1 лазерного излучения (до включения его средства питания) на выходе фотодетектора 8, т.е. на информационном выходе лазерного блока, отсутствует информационный сигнал и средство 6 управления направлением излучения находится в своем первом устойчивом положении.
Включение источника 1 лазерного излучения осуществляется путем подачи на его вход управления питанием (первый управляющий вход лазерного блока) соответствующего сигнала включения. После включения источника 1 лазерного излучения на его выходе формируется лазерное излучение, которое поступает на вход средства 2 оптической фокусировки, проходит в нем через фильтр 3 и собирающую линзу 4 и далее поступает в оконечный элемент 5. Часть этого излучения, частично отражающегося от указанных компонентов 3 и 4 средства 2 оптической фокусировки, регистрируется (фиксируется) фотодетектором 8. На выходе фотодетектора 8 формируется сигнал, характеризующий интенсивность отраженного излучения. Этот сигнал прямо зависит от интенсивности лазерного излучения, формируемого источником 1.
Сформированный фотодетектором 8 сигнал может использоваться либо просто для контроля интенсивности лазерного излучения, либо для формирования на его основе сигналов для управления лазерным излучением, которое осуществляется с помощью внешних по отношению к заявляемому лазерному блоку средств (на структурной схеме не показаны).
Предлагаемое управление лазерным излучением в заявляемом лазерном блоке осуществляется путем подачи внешнего управляющего сигнала, сформированного на основе выходного сигнала фотодетектора 8, на вход средства 6 управления направлением излучения (второй управляющий вход лазерного блока). Под воздействием этого управляющего сигнала средство 6 управления направлением излучения переводится во второе устойчивое положение, при котором осуществляется отклонение лазерного излучения в оптическую ловушку 7. При этом обеспечивается практически мгновенное снятие излучения с оконечного элемента 5.
При необходимости, в зависимости от эксплуатационных требований, может быть осуществлено также выключение самого источника 1 лазерного излучения путем подачи соответствующего сигнала отключения, сформированного на основе выходного сигнала фотодетектора 8, на вход управления питанием источника 1 лазерного излучения (первый управляющий вход лазерного блока).
Возможность формирования в лазерном блоке предложенной конструкции выходного информационного сигнала, достаточного для осуществления контроля интенсивности лазерного излучения и формирования на его основе сигналов управления лазерным излучением, подтверждается экспериментом, проведенном на кафедре Прикладной и компьютерной оптики Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики. Так, в ходе этого эксперимента излучение от лазерного модуля LSR445NL-1W, проходящее через пластинку из сине-зеленого стекла СЗС22 толщиной 1 мм, регистрировалось расположенным рядом с пластинкой датчиком (фотодетектором), в роли которого выступала компактная солнечная батарея SC3030S-3NA, при этом разность потенциалов на контактах датчика, контролируемая комбинированным прибором UT30D, составила 1,22 В. Такой уровень сигнала достаточен для осуществления контроля интенсивности лазерного излучения и формирования на его основе сигналов управления лазерным излучением.
Таким образом, рассмотренное показывает, что изобретение осуществимо и дает технический результат, заключающийся в расширении функциональных возможностей по управлению лазерным излучением при упрощении измерительной части лазерного блока.
Источники информации
1. ЕР 0674965 A1, B23K 26/03, B23K 26/02, опубл. 04.10.1995.
2. DE 102007053632 A1, B23K 26/42, G01J 1/42, G01J 4/00, опубл. 20.05.2009.
3. DE 102009052762 А1, B23K 26/42, опубл. 12.05.2011.
4. US 4154529, G01D 3/36, опубл. 15.05.1979.
5. ЕР 2602645 B1, G02B 5/00, опубл. 26.03.2014.
6. US 4864098, B23K 27/00, опубл. 05.09.1989.
7. US 7374298 В2, G02B 27/00, опубл. 20.05.2008.