УСТАНОВКА ДЛЯ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ
UNIT FOR LASER PROCESSING OF MATERIALS

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к устройствам, обеспечивающим обработку материалов лазерным излучением.
Известна установка для лазерной обработки материалов, включающая основание, установленный на основании лазер, содержащий активный элемент и зеркала резонатора, по меньшей мере, два фокусирующих объектива, первый из которых соединен с оптическим волокном, устройство переключения направления лазерного излучения к фокусирующим объективам, оптическую систему ввода лазерного излучения в торец оптического волокна, содержащую линзу, фокусирующую лазерное излучение во входной торец оптического волокна, причем устройство переключения направления лазерного излучения выполнено в виде установленной подвижно относительно основания платформы, параллельно закрепленных на платформе входного и выходного зеркал и фиксатора положении платформы, [1].
В известном устройстве лазерный луч проходит через размещенные на подвижной платформе поворотные зеркала, помещенные перед системой фокусирующих линз. Юстировкой поворотных зеркал обеспечивается совмещение оси лазерного пучка с оптической осью системы линз.
Недостатком известного устройства является то, что повышение точности позиционирования луча на входном торце оптического волокна ограничивается точностью установки линз и точностью юстировки поворотных зеркал. Диаметр оптического волокна намного меньше диаметра пучка излучения твердотельного лазера, поэтому при прохождении пучка через систему линз, уменьшающих диаметр пучка в М раз, угол α отклонения оси лазерного пучка от оптической оси на входе в систему линз на выходе увеличивается в М раз. Такое отклонение приводит к перемещению положения сфокусированного луча по поверхности торца оптического волокна, расположенного в фокальной плоскости линзы, и к разрушению волокна в случае выхода излучения за границы рабочей апертуры.
В известном устройстве каждый из двух фокусирующих объективов соединен с соответствующим оптическим волокном, что обеспечивает определенную гибкость при лазерной обработке материалов, однако в определенных случаях не обеспечивается необходимая точность.
Результат, на достижение которого направлено данное техническое решение, заключается в повышении точности позиционирования луча на поверхности торца оптического волокна, а следовательно в увеличении надежности и долговечности устройства при одновременном повышении точности лазерной обработки материалов.
Указанный результат достигается за счет того, что установка для лазерной обработки материалов, включающая основание, установленный на основании лазер, содержащий активный элемент и зеркала резонатора, по меньшей мере, два фокусирующих объектива, первый из которых соединен с оптическим волокном, устройство переключения направления лазерного излучения к фокусирующим объективам, оптическую систему ввода лазерного излучения в торец оптического волокна, содержащую линзу, фокусирующую лазерное излучение во входной торец оптического волокна, причем устройство переключения направления лазерного излучения выполнено в виде установленной подвижно относительно основания платформы, параллельно закрепленных на платформе входного и выходного зеркал, и фиксатора положении платформы, снабжена дополнительным поворотным зеркалом, установленным на основании за входным зеркалом устройства переключения на оптической оси лазерного излучения с возможностью отражения лазерного излучения к первому фокусирующему объективу при переключении устройства переключения в направлении лазерного излучения к торцу волоконо-оптического кабеля, второй фокусирующий объектив жестко скреплен с основанием, а оптическая система ввода лазерного излучения выполнена в виде устройства переноса изображения с торца активного элемента на входной торец оптического волокна. Дополнительное поворотное зеркало установлено с возможностью прохождения отраженного луча между входным и выходным зеркалами в положении устройства переключения в направлении лазерного излучения к торцу волоконо-оптического кабеля.
Указанный результат достигается за счет того, что она снабжена установленным на основании вторым дополнительным поворотным зеркалом, размещенным перед линзой, фокусирующей лазерное излучение во входной торец оптического волокна.
Изобретение поясняется чертежами; где на фиг, 1 представлен пример выполнения заявленного устройства, на фиг.2 - то же при переключении оптических каналов, на фиг.3 - схема, поясняющая работу устройства.
Установка для лазерной обработки материалов включает основание 1, установленный на основании лазер 2, содержащий активный элемент 3 с выходным торцом 4 и зеркала 5, 6 резонатора, по меньшей мере, два фокусирующих объектива 7, 8 первый из которых 7 соединен с оптическим волокном 9, устройство 10 переключения направления лазерного излучения к фокусирующим объективам, оптическую систему ввода лазерного излучения в торец оптического волокна, содержащую линзу 11, фокусирующую лазерное излучение во входной торец 12 оптического волокна и линзу 13.
Устройство 10 переключения направления лазерного излучения выполнено в виде установленной подвижно относительно основания 1 платформы 14, параллельно закрепленных на платформе входного 15 и выходного 16 зеркал, и фиксатора положении платформы (на чертеже не показан). Дополнительное поворотное зеркало 17 установлено на основании 1 за входным зеркалом 15 устройства 10 переключения на оптической оси 18 лазерного излучения с возможностью отражения лазерного излучения к первому фокусирующему объективу 7. Фокусирующий объектив 8 жестко скреплен с основанием 1, а оптическая система ввода лазерного излучения выполнена в виде устройства переноса изображения с торца активного элемента 4 на входной торец 12 оптического волокна.
Дополнительное поворотное зеркало 17 установлено с возможностью прохождения отраженного луча между входным 15 и выходным 16 зеркалами. Установка снабжена установленным на основании вторым дополнительным поворотным зеркалом 19, размещенным перед линзой 11, фокусирующей лазерное излучение во входной торец 12 оптического волокна.
Пример выполнения оптической системы ввода лазерного излучения в торец оптического волокна в виде устройства переноса изображения с торца активного элемента на входной торец оптического волокна.
1
2
1
2
Прохождение лазерного луча через оптическую систему, содержащую линзы, описывается с помощью матричной оптики, где матрица передачи луча ABCD соответствует заданной системе [2]. Рассматривая распространение луча от первой опорной плоскости, соответствующей выходному торцу активного элемента, до второй опорной плоскости, соответствующей входному торцу оптического волокна, обозначим поперечную координату луча на первой плоскости через y, на второй -через y, а углы наклона луча к оптической оси - через α и α, соответственно. В этом случае параметры луча на входе и выходе оптической системы связаны соотношениями
2
1
1
2
1
1
y=Ay+Bα; α=Cy+Dα.
1
2
Если элемент В матрицы передачи луча равен нулю, то соответствующая данной матрице оптическая система осуществляет перенос изображения из первой опорной плоскости во вторую с увеличением А. В этом случае все лучи, вышедшие с произвольными углами из точки с координатой y, сойдутся в точке с координатой y. При этом для всех матриц передачи луча выполняется условие AD-ВС=0.
Таким образом, система ввода лазерного излучения выполняется таким образом, чтобы при переносе изображения с торца активного элемента на торец оптического волокна, отношение диаметров лазерного пучка на выходе и входе системы равнялось численному значению элемента А матрицы передачи луча данной системы, а численное значение элемента В равнялось нулю.
2
1
1
1
2
2
В качестве примера выполнения оптической системы ввода лазерного излучения в торец оптического волокна, содержащей линзу, фокусирующую лазерное излучение во входной торец оптического волокна, рассмотрим показанную на фиг.3 систему из двух линз 11 и 13 с фокусным расстоянием f и f, расстояние между которыми равно S. Расстояние между торцом 4 активного элемента и линзой 13 с фокусным расстоянием f составляет 1, а расстояние между линзой 11 с фокусным расстоянием f и торцом 12 оптического волокна составляет 1. Соответствующая матрица передачи луча ABCD между торцами активного элемента и волокна имеет вид:
2
2
2
2
При диаметре активного элемента 6,3 мм и диаметре волокна - 0,5 мм численное значение элемента А матрицы передачи луча равняется отношению диаметров лазерного пучка на выходе и входе системы, то есть А=0,5/6,3=0,08. Чтобы линза с фокусным расстоянием f фокусировала лазерное излучение во входной торец 12 оптического волокна, торец размещают в фокальной плоскости линзы на расстоянии l=f, при этом значение фокусного расстояния выбрано равным f=30 мм.
1
2
Подставляя заданные значения в формулу (1) и приравнивая А=0,08, получим величину фокусного расстояния f=l/0,08=375 мм.
1
Подставляя полученные значения в формулу для (2) и приравнивая В=0, получим величину расстояния l=375 мм.
Преобразование гауссовых пучков в линзовой системе описывается формулой
1
2
1
2
где q и q - соответственно параметры пучка на входе и выходе системы. Подставляя в данную формулу значения А, D, С, D - элементов матрицы для рассмотренного случая, получаем С=0. Следовательно, расстояние между линзами составляет S=f+f=405 мм.
Работает устройство следующим образом.
В процессе генерации лазерного излучения диаметр торца цилиндрического активного элемента 3 выполняет роль диафрагмы, ограничивающей поперечный размер пучка лазерного излучения в резонаторе, образованном зеркалами 5 и 6. Лазерное излучение выводится из резонатора через зеркало 5 и последовательно проходит поворотное зеркало 17, линзу 13, поворотное зеркало 19 и линзу 11, фокусирующую лазерное излучение во входной торец 12 оптического волокна. Выполненные в соответствии с представленным выше расчетом линзы 13 и 11 установлены на расстоянии, обеспечивающем перенос изображения выходного торца 4 активного элемента на торец оптического волокна 12. Изображение торца активного элемента 4 на торце оптического волокна 12 является границей, в пределах которой пучок лазерного излучения входит в оптическое волокно.
За счет такого технического решения повышается точность позиционирования луча на поверхности торца оптического волокна, а следовательно, увеличивается надежность и долговечность устройства.
Установка дополнительного поворотного зеркала с возможностью прохождения отраженного луча между входным и выходным зеркалами устройства переключения позволяет снизить габариты устройства и обеспечить необходимую жесткость основания без увеличения его массы, что позволяет получить необходимую точность при обработке материалов.
Таким образом, предложенное техническое решение позволит:
- повысить точность позиционирования луча на входной торец волоконо-оптического кабеля;
- обеспечить увеличение надежности и долговечности работы устройства;
- уменьшить массогабаритные параметры устройства.
Источники информации
1. Патент США №6008469, МКИ B23K 26/06, 1999.
2. Справочник по лазерам в 2-х т. М.Ф.Стельмах, Г.Когельник, В.П.Быков и др.; Под ред. A.M.Прохорова. - М.: Сов. радио, 1978. Т.2. - 400 с.