Перестраиваемый оптический формирователь масштабируемого плоского однородного лазерного пучка
TUNABLE OPTICAL SHAPER OF SCALABLE FLAT HOMOGENEOUS LASER BEAM

Область техники
Изобретение относится к оптическому устройству из области лазерной оптики для формирования лазерного пучка, а именно - вывода лазерного излучения в направлении обрабатываемого тела и формирования на нем сфокусированного резкого изображения однородного плоского лазерного пучка.
Уровень техники
Оптические формирователи (конфигураторы, преобразователи) лазерного излучения используют для преобразования неоднородного по сечению лазерного пучка в однородное. При этом используют различные оптические устройства, содержащие линзы, дифракционные решетки или матричные элементы. Наиболее удобным для преобразования лазерным пучком является пучок с гауссовым распределением мощности в сечении. После оптического преобразования можно получить однородное распределение мощности на поверхности мишени в виде пятна различной формы: круглое, прямоугольное, квадратное, плоское. Однородность в пределах пятна позволяет достичь более высокого качества обработки материала. Так, например, при лазерной наплавке порошкового материала по большой площади выгодно применять прямоугольный пучок большой мощности, а еще лучше плоский. Известные конфигураторы являются статическими устройствами в составе лазерных оконечных устройств (головок) мощных лазеров и не способны изменять или перестраивать линейные размеры однородного лазерного пятна без ухудшения однородности распределения плотности мощности излучения в его пределах.
В настоящем изобретении предлагается перестраиваемое оптическое устройство, которое способно масштабировать изображение сконфигурированного лазерного пятна без заметного ухудшения однородного распределения плотности мощности в пределах пятна в виде отрезка прямой линии разной длины с резкими границами.
В изобретении US 20090032511 А1 однородность в виде гомогенизации излучения в каустике пучка была реализована конфигуратором пучка, который преобразует распределение излучения гауссового пучка в излучение с другим более однородным пространственным распределением поля засветки. В изобретении однородность поля засветки достигается применением множества микрооптических элементов для гомогенизации излучения. Система разработана для невысоких мощностей лазерного излучения, она не перестраиваемая и не может быть использована при больших мощностях излучения в силу значительных потерь на элементах микрооптики.
Известна не перестраиваемая статическая оптическая ахроматическая система, ЕР 1998215 (А1), преобразующая лазерный пучок с коаксиальной симметрией и гауссовым распределением интенсивности по сечению пучка в однородное распределение по сечению за счет использования двух групп линз с различной ахроматической дисперсией. Трансформация пучка достигается применением асферических линз. Понятно, что стоимость оптической системы с таким конфигуратором будет слишком высокой из-за наличия асферических поверхностей оптических элементов, которые значительно более трудоемки в изготовлении по сравнению с традиционными сферическими поверхностями. Кроме того, для монохроматичного лазерного излучения требования ахроматичного исполнения оптики также излишние.
Известен патент на изобретение US 7400457 B1, в котором для формирования прямоугольного пятна на мишени используют две асферические астигматические цилиндрические линзы с ортогонально ориентированными осями. Понятно, что и в этом случае, стоимость оптической системы с таким конфигуратором будет слишком высокой из-за наличия астигматических цилиндрических поверхностей оптических элементов, которые значительно более трудоемки в изготовлении по сравнению с традиционными цилиндрическими поверхностями. Кроме того, описанная система не позволяет масштабировать размеры изображения лазерного пятна.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является изобретение WO 2012071050 A1, в котором для формирования однородного профиля пучка мощного лазера используют комбинацию цилиндрической линзы и линзы Френеля. Однако, ввиду дискретного набора статических оптических элементов, отсутствует возможность масштабирования изображения пятна.
Предлагаемое настоящее изобретение лишено указанных выше недостатков известных ранее оптических лазерных конфигураторов распределения мощности и позволяет решить задачу масштабирования и вывода лазерного излучения в направлении обрабатываемого тела с формированием на нем сфокусированного резкого изображения однородного пятна в виде перестраиваемой линии заданной длины и с однородным распределением плотности лазерной мощности в ее пределах.
Раскрытие изобретения
В основу настоящего изобретения положена задача разработать оптическое устройство, не содержащее асферических оптических элементов, способное осуществлять требуемое масштабирование изображения однородного плоского лазерного пучка на мишени. При этом изображение получают в виде линии требуемой длины от лазерного источника с гауссовым профилем выходного пучка большой мощности, достаточной для металлообработки.
Техническим результатом является возможность плавной перестройки размера сфокусированного лазерного пучка с сохранением однородности плотности мощности лазерного излучения киловаттного диапазона в пределах изображения пятна на мишени в виде отрезка прямой линии, причем, в пределах линии, излучение не только однородно, но и имеет ярко выраженные резкие очертания, поэтому достигается максимально возможная плотность мощности излучения на обрабатываемой поверхности материала.
Для решения поставленной задачи предлагается использовать оптическое устройство - оптический формирователь пучка, которое выполняется в жестком корпусе, имеет оптический вход и выход, подвижные оптические элементы (линзы). Своим оптическим входом стыкуется с выходом лазерного устройства. Для мощных волоконных лазеров киловаттного диапазона мощности апертура излучения исходящего гауссового пучка определяется размером сердцевины волокна (более 14 мкм) и в виде расходящегося пучка поступает на вход оптического формирователя пучка и далее на оптический формирователь расходимости пучка, который обеспечивает требуемую расходимость пучка в соответствии с требуемым масштабированием изображения лазерного пятна на обрабатываемой поверхности (экране, мишени) за счет подвижности внутри корпуса оптического формирователя. Формирователь расходимости пучка способен формировать сходящийся, коллимированный и расходящийся пучок, в зависимости от размера масштабирования выходного пучка. Сам же выходной пучок испытывает трансформацию интенсивности в поперечнике (в сечении, в профиле) исходного гауссового пучка пройдя через преобразователь интенсивности пучка, который выполняют в виде пары оптических элементов - цилиндрической линзы и бипризмы Френеля. Наличие подвижного формирователя расходимости пучка обеспечивает плавную настройку масштабирования плоского пучка без ущерба для его однородности в пределах пятна изображения на мишени, которое представляется в виде линии как проекции плоского лазерного пучка.
Другие преимущества и отличительные особенности предложенного изобретения станут очевидными из нижеследующего описания предпочтительных вариантов осуществления, приведенных со ссылкой на прилагаемые чертежи.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 Известная (традиционная) оптическая схема формирователя однородного линейного профиля из коллимированного гауссового пучка: 1 - бипризма Френеля, 2 - цилиндрическая линза, 3 - лазерный источник излучения, 10 - оптический коллиматор пучка, 100 - оптический конфигуратор интенсивности пучка, М - мишень (экран или плоскость детали).
0
0
-2
Фиг. 2 Известное (традиционное) распределение интенсивности излучения по оси Z после преобразования коллимированного гауссового пучка радиусом W. По направлению оси X распределение размером W. По направлению оси Y в сечении пучка - гауссов профиль, размер которого w (по уровню е) равен размеру точечного источника излучения, умноженного на коэффициент увеличения оптической системы (отношение фокусов цилиндрической линзы 2 и коллиматора 10 в схеме на фиг. 1).
c
Фиг. 3 Схема перестраиваемого оптического формирователя пучка для масштабирования плоского однородного расходящегося лазерного пучка с подвижным формирователем расходимости пучка, смещаемого на расстояние х от его главной фокальной плоскости F.
c
c
Фиг. 4 Схема перестраиваемого оптического формирователя пучка для масштабирования плоского однородного расходящегося лазерного пучка с подвижным формирователем расходимости пучка и с взаимно ортогональными менисками на его выходе, F совпадает с f.
Фиг. 5 Неравномерность профиля интенсивности пучка при минимально возможном параметре d = 5 мм (х = 60 мм). Выходная апертура лазерного источника принята - 50 мкм. Размер профиля L = 50 мм. Потеря мощности ΔW = 0.5%, неравномерность δ = 12.6%. Полная шкала по оси X равна удвоенной длине профиля L. Полная шкала по оси Y - 10 мм.
Фиг. 6 Зависимость размера плоского пучка L от смещения х в схеме на фиг. 3 (d = 45 мм).
р
p
Фиг. 7 Зависимость эмпирическая коэффициента α (от коэффициента масштабирования m), необходимого при точном расчете радиуса корректирующего мениска R бипризмы Френеля для уменьшения потери мощности и неоднородности прямолинейного профиля пучка.
Условные обозначения:
0
W - радиус коллимированного гауссового пучка в оптическом формирователе;
w - размер гауссового профиля, определяемый размером апертуры (диаметром световедущей сердцевины оптического волокна) лазерного источника излучения, умноженным на коэффициент увеличения оптической системы (отношение фокусов цилиндрической линзы и коллиматора);
0
0
L - размер плоского профиля для коллимированного гауссового пучка, равный W;
L - размер плоского профиля для неколлимированного гауссового пучка;
c
f - фокусное расстояние формирователя расходимости излучения в режиме коллимации пучка;
c
F - положение главной плоскости формирователя расходимости;
l
f - фокусное расстояние цилиндрической линзы для коллимированного пучка;
p
f - расстояние от бипризмы до перетяжки каустики пучка для коллимированного пучка;
p
F - расстояние от бипризмы до перетяжки каустики для неколлимированного пучка;
l
F - расстояние от цилиндрической линзы до перетяжки каустики для неколлимированного пучка;
c
d - удаленность (расстояние) от цилиндрической линзы до главной плоскости F формирователя расходимости;
c
X - смещение линзы в формирователе расходимости от его главной плоскости F;
l
d - расстояние между цилиндрической линзой и ее корректирующим мениском;
p
d - расстояние между бипризмой и ее корректирующим мениском;
l
R- расчетный радиус кривизны корректирующего мениска для цилиндрической линзы;
p
R - расчетный радиус кривизны корректирующего мениска для бипризмы Френеля;
p
p
p
p
α - эмпирический коэффициент для пропорциональной (α⋅R) коррекции расчетного радиуса кривизны R;
δ - относительная неоднородность интенсивности однородного профиля пучка;
m - коэффициент масштабирования;
ΔW - относительная потеря мощности излучения.
Осуществление изобретения
0
Типичный известный оптический преобразователь (фиг. 1), конфигуратор интенсивности пучка 100 для преобразования коллимированного гауссового лазерного пучка в плоский и однородный по сечению в перетяжке каустики, состоит из бипризмы Френеля 1 на выходе излучения и цилиндрической линзы 2 перед ней. На его вход подается коллимированное излучение от лазерного источника 3. Формирует коллимированный пучок оптический коллиматор пучка 10, который традиционно содержит одну и более линз и преобразует расходящийся лазерный пучок в коллимированный. На Мишени М (экране или в плоскости детали), в перетяжке каустики, формируют таким образом световое пятно в виде прямой линии длиной равной радиусу коллимированного гауссового пучка W и шириной w, определяемой размером точечного гауссового лазерного источника 3.
Как известно, бипризма Френеля разделяет коллимированный гауссов пучок на два сходящихся навстречу друг другу полупучка. На некотором расстоянии от бипризмы Френеля в перетяжке каустики пучка в плоскости, ортогональной оптической оси, размер изображения светового пятна будет минимальным. Это расстояние назовем «фокусом» бипризмы Френеля. Пересечение волновых фронтов, производимое бипризмой Френеля, не приводит к интерференции и соответствующей пространственной модуляции интенсивности излучения, если длина когерентности излучения существенно меньше ее фокусного расстояния. Например, для излучения мощных волоконных лазеров длина когерентности менее 0,05 см при ширине спектра излучения 2÷4 нм.
0
0
0
-2
Цилиндрическая линза сжимает коллимированный гауссов пучок в одной плоскости. В ортогональной плоскости бипризма Френеля в своем фокусе, совпадающем по положению с фокусом цилиндрической линзы, формирует суммарную однородную картину профиля интенсивности наложением двух половинок гауссового профиля шириной, равной радиусу W (по уровню е) исходного пучка. В результате такого суммирования совмещением получают однородное распределение интенсивности излучения в проекции изображения пучка на плоский экран, в виде отрезка прямой линии длиной L=W и шириной w гауссового профиля (фиг. 2), определяемой размером точечного гауссового источника излучения, умноженным на коэффициент увеличения оптической системы (отношение фокусов цилиндрической линзы 2 и коллиматора 10). Для сравнения вариантов формирования плоского линейного профиля определим параметры неоднородности пучка и относительной потери мощности. Относительная неоднородность интенсивности излучения профиля пучка δ определяется формулой:
max
min
где I равна максимальной, a I - минимальной интенсивности в пределах однородного профиля интенсивности пучка. Относительная потеря мощности в процентах ΔW в пучке определяется как доля мощности в крыльях распределения интенсивности вне резких краев однородного профиля.
0
В предлагаемом изобретении (фиг. 3, 4) для управления размером изображения перетяжки каустики в виде линии L, без потери равномерности (однородности) в переделах вершины плоского распределения мощности (фиг. 2), предлагается использовать перестраиваемый оптический формирователь пучка 102 в корпусе которого имеется формирователь расходимости пучка 101, содержащий, по меньшей мере, одну подвижную линзу 4, вместо оптического коллиматора пучка 10 (фиг. 1). Формирователь расходимости на своем выходе формирует не только коллимированный, но и расходящийся (сходящийся) пучок, что и позволяет, используя преобразователь интенсивности пучка 100 достичь поставленной цели. Угол расходимости на выходе формирователя расходимости пучка может быть различным от сходящегося до расходящегося (в частности может отвечать и коллимированному случаю). Соответственно, сходящийся пучок формирует на выходе бипризмы Френеля 1 уменьшенное изображение (по сравнению с размером L при коллимированном пучке в лучах А, В и А', В'), а расходящийся пучок - увеличенный размер изображения линии L (в лучах A, D и A', D'), являющейся проекцией плоского пучка на экран или на обрабатываемую лазером плоскую поверхность тела.
Следует отметить, что изображение линии L располагается между лучами А и А' (фиг. 3, 4). Угол между этими лучами равен 2β (β=α⋅(n-1), где α - угол при основании бипризмы Френеля, n - ее показатель преломления) и определяет расположение резких границ изображения линии L. Таким образом, ее размер строго пропорционален ее удаленности от бипризмы Френеля.
c
Необходимым условием получения однородного распределения интенсивности в профиле пучка при работе оптического преобразователя интенсивности 100 с формирователем расходимости пучка 101, настроенным на коллимированный режим работы с пучком является совпадение расположений перетяжек каустик от цилиндрической линзы 2 и бипризмы Френеля 1, причем формирователь расходимости 101 удален от источника 3 на расстояние равное фокусному расстоянию f, определяемом как для случая коллимированного пучка на выходе устройства 101.
p
l
p
l
Если на преобразователь интенсивности 100 падает параллельный гауссов пучок, то после него в перетяжке каустики пучка, в фокусе от цилиндрической линзы 2 и по существу софокусной с ней бипризмой Френеля 1 имеем фиксированное неперестраиваемое распределение интенсивности излучения, приведенное на фиг.2, что соответствует ходу лучей В, А и В', А' на фиг. 3. Если на преобразователь 100 падает неколлимированный, например, расходящийся гауссов пучок, то расположения фокусов бипризмы Френеля и цилиндрической линзы F и F не будут совпадать (фиг. 3). В этом случае фокус бипризмы Френеля F находится на пересечении лучей A, D и A', D', а фокус цилиндрической линзы F заметно больше. Поскольку самое четкое изображение находится в фокусе цилиндрической линзы, а его расположение может заметно отличаться от положения фокуса бипризмы Френеля, то не выполняется условие строгого наложения половинок гауссового пучка друг на друга, образуется заметный провал в распределении интенсивности излучения в центре изображения линии L (фиг. 5).
Для уменьшения величины провала (неравномерности) необходимо уменьшать углы расхождения между лучами А и D, и, соответственно, между А' и D', определяющими расположение фокуса бипризмы Френеля (изменением параметра х), а также увеличивать расстояние d (фиг. 3), позволяющего уменьшать фокус цилиндрической линзы. Такая настройка приводит к меньшему расхождению расположений перетяжек пучков от бипризмы Френеля и цилиндрической линзы. В результате неравномерность в плоском пучке будет уменьшаться по мере увеличения размера изображения L вследствие дальнейшего уменьшения углов расхождения между лучами A, D и A', D', соответственно.
Приближать формирователь расходимости 101 к источнику мощного излучения 3, можно до некоторых разумных пределов. Ограничение возникает по предельно допустимой плотности мощности на его входе. И если требуется дальнейшее увеличение размера изображения, то используют две менисковые цилиндрические линзы 5 и 6 (фиг. 4) с взаимно ортогональными оптическими осями, соответствующими положению цилиндрической линзы 2 и бипризмы Френеля 1, устанавливаемые между исходной цилиндрической линзой 2, на выходе формирователя расходимости 101. Одна линза изменяет положение фокусировки цилиндрической линзы 2, другая положение фокусировки бипризмы Френеля 1. Эти дополнительные линзы обеспечивают совпадение расположений перетяжек каустик от цилиндрической линзы и бипризмы Френеля в неколлимированном гауссовом пучке при построении изображения L для плоского однородного пучка (фиг. 4).
2
Использование двух менисковых ортогонально ориентированных цилиндрических линз 5 и 6 в составе оптического формирователя позволяет значительно увеличить линейный размер плоского пучка в области фокусировки изображения цилиндрической линзы, не вызывая нежелательное увеличение плотности мощности на входных линзах формирователя. Однако, при этом следует учитывать, что увеличение линейного размера изображения в m раз приводит к уменьшению интенсивности излучения в пятне в m раз.
Таким образом далее, в изобретении предлагается следующее устройство для достижения поставленной выше цели.
Перестраиваемый оптический формирователь масштабируемого плоского однородного лазерного пучка в области его перетяжки в каустике, характеризуемый наличием корпуса 102, оптического входа и выхода, и содержащий, по ходу пучка, на входе перестраиваемый формирователь расходимости пучка 101 для ввода расходящегося лазерного пучка от источника 3 с гауссовым профилем интенсивности излучения и вывода этого пучка к оптическому преобразователю интенсивности 100, расположенному на выходе оптического формирователя, за которым и формируется в каустике по существу плоский участок перетяжки пучка, вытянутый в поперечном направлении к оптической оси; в котором:
- преобразователь интенсивности пучка 100 содержит цилиндрическую линзу 2 и бипризму Френеля 1;
- формирователь расходимости 101 (фиг. 3) содержит, по меньшей мере, одну подвижную в направлении его оптической оси положительную линзу 4, смещением которой осуществляют плавную настройку размеров вытянутой перетяжки пучка в каустике на выходе оптического формирователя 102, причем поперечное сечение пучка в перетяжке представляет собой по существу отрезок прямой линии длиной L, кратной величине радиуса гауссового пучка в случае коллимированного режима работы формирователя расходимости, и с гауссовой шириной линии, кратной выходной апертуре точечного лазерного источника;
c
c
c
- масштабирование по существу плоской перетяжки каустики пучка осуществляют за счет угловой расходимости пучка на выходе формирователя расходимости 101 с фокусным расстоянием f (определяемым в соответствии с коллинеарным ходом лучей в пучке), а именно за счет смещения линзы формирователя расходимости к лазерному источнику на расстояние X от главной фокусной плоскости F формирователя расходимости, при заданной удаленности (f+d) цилиндрической линзы от источника лазерного излучения, причем величину L рассчитывают по формуле:
где
c
d - удаленность цилиндрической линзы от главной фокусной плоскости F формирователя расходимости пучка;
l
f - фокусное расстояние цилиндрической линзы;
0
L - значение L при коллинеарном ходе лучей в пучке на входе преобразователя интенсивности.
c
l
p
Зависимость L(x) для d = 45 мм, f = 120 мм, f = 200 мм, f = 185 мм приведена на фиг. 6.
l
p
Фокусные расстояния цилиндрической линзы 2 и бипризмы Френеля 1 F(x,d) и F(x,d), соответственно, в расходящемся пучке рассчитывают по формулам:
l
p
Существенно, что на выходе формирователя расходимости пучка имеются две сменные взаимно ортогонально ориентированные цилиндрические менисковые линзы 5 и 6 с показателем преломления n и радиусами кривизны R и R для коррекции цилиндрической линзы 2 и бипризмы Френеля 1, соответственно, обеспечивающие требуемое масштабирование в m раз размера изображения линии на мишени, по сравнению с коллинеарным ходом лучей в пучке на входе цилиндрической линзы в отсутствии менисковых линз, и при расчете радиусов менисков используются формулы:
l
где f - фокусное расстояние цилиндрической линзы;
p
f - расстояние от бипризмы до перетяжки в области каустики пучка для случая коллинеарного хода лучей в пучке на ее входе;
l
d - расстояние между цилиндрической линзой и ее корректирующим цилиндрическим мениском;
p
d - расстояние между бипризмой Френеля и ее корректирующим цилиндрическим мениском.
В этом случае, при наличии менисков, можно получить практически любой увеличенный размер изображения дискретным образом (в сочетании с плавной настройкой за счет смещения линзы 3), используя в формирователе расходимости 101 картридж с менисками с радиусами, соответствующим вышеприведенным формулам, задавая коэффициент увеличения m.
В таблице представлены результаты расчета неоднородности δ и относительных потерь мощности излучения ΔW в зависимости от коэффициента увеличения m размера плоского профиля L.
p
p
p
p
Также существенно, что при расчете неоднородности потерь мощности при наличии корректирующих менисков, эмпирически установлена зависимость радиуса корректирующего мениска для бипризмы Френеля R для получения лучших результатов. Для этого использовался коэффициент α, зависимость которого от увеличения m представлена на фиг. 7. Это означает, что для уменьшения неоднородности профиля интенсивности пучка и потерь излучения, при масштабировании плоского пучка, расчетный радиус кривизны мениска R, корректирующего положение перетяжки каустики пучка от бипризмы Френеля умножают на эмпирический коэффициент α из диапазона 1,1÷1,25, уточняя тем самым его кривизну по отношению к ранее рассчитанному значению по п. 5, в пределах кратности масштабирования m плоского пучка от 20 до 2, соответственно (фиг. 7).
Очевидно, что состав перестраиваемого оптического формирователя пучка не исчерпывается описанным выше набором элементов, например, вместо двух менисков можно использовать один сложный, но изготовление такового требует значительных затрат.
Следует отметить, что интенсивность излучения плоского пучка в пятне излучения в виде однородной линии значительно выше, чем в прямоугольнике, что способствует более эффективному использованию энергии непрерывных лазеров в диапазоне мощностей выше 1 кВт в промышленных технологиях обработки материалов по большим площадям с возможностью оперативной перестройки масштаба лазерного пятна - размера плоского однородного пучка.
Для специалистов в данной области техники должно быть очевидным, что изобретение не ограничено вариантами осуществления, представленными выше, и что в него могут быть включены изменения в пределах объема притязаний формулы изобретения. Отличительные особенности, представленные в описании совместно с другими отличительными особенностями, в случае необходимости, могут также быть использованы отдельно друг от друга.