СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ПЕРЕТЯЖКИ ЛАЗЕРНОГО ПУЧКА
METHOD AND DEVICE FOR MOVING LASER BEAM NECK

Изобретение относится к оптике, а точнее к проектированию лазерных оптических систем, и может быть использовано при разработке высококачественных оптических систем для перемещения перетяжки (пятна) лазерного пучка, в том числе перетяжки постоянного размера.
Широкое внедрение лазерных технологий в различных отраслях вызвало потребность в прикладных разработках, связанных, в частности, с высокоточным перемещением пятна лазерного пучка относительно объекта-мишени. Способы и устройства для решения этой проблемы находят применение в промышленности, например, при резке и сварке листового металла и в цифровых устройствах, например, при записи и воспроизведении данных на оптических дисках. При этом наиболее простые устройства предусматривают механическое перемещение источника лазерного излучения относительно мишени или наоборот (см., например, патент США №6462301 [1]). Из-за своих габаритов и прямолинейности перемещения такая конструкция имеет весьма ограниченное применение. В других известных решениях применяются оптические микропереключатели, механически воздействующие на зеркало, направляющее лазерный пучок на объект (см. патенты США №6360035 [2] и №6462301 [3]). Такая технология рассчитана на относительно невысокие энергии лазерного пучка и ограниченный диапазон перемещения пятна.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является устройство, основанное на принципе «летучая оптика» (англ. "flying optics") и описанное в опубликованной европейской заявке (см. Mizuno S., Yamada N., Gotoh Y. Flying optical head and optical information recording and reproducing apparatus. // European Patent Specification ЕР 0409468 (В1), published - 1995-09-13) [4]. Данное устройство относится к оптическим головкам записи и считывания информации с оптических дисков. Схема устройства представлена на Фиг.1.
Перемещение перетяжки лазерного пучка реализовано в данном устройстве следующим образом. Линза 7 коллимирует излучения лазера 6, а линза 14 фокусирует излучение на информационной поверхности 5 оптического диска 1. Перемещение перетяжки лазерного пучка по информационной поверхности диска осуществляется путем изменения расстояния между линзами 7 и 14, между которыми лазерный пучок является коллимированным. Данный способ перемещения перетяжки основан на изменении продольного расстояния между линзами 7 и 14 и переводе этого перемещения в поперечное (относительно оси пучка лазера) при помощи зеркала 13, установленного перед линзой 14 формирующей оптической системы.
По существу, вышеуказанная конструкция основана на использовании того факта, что промежуточная перетяжка после первой линзы 7 удалена на большое расстояние от обеих линз 7 и 14. При этом перемещение блока 4, состоящего из зеркала 13 и второй линзы 14, весьма незначительно изменяет расстояние от этой перетяжки до второй линзы 14. Из-за малости этого изменения выходная перетяжка после второй линзы 14 формируется практически на том же удалении от нее и имеет тот же размер.
k
p
В действительности, из опубликованного исследования Pakhomov I.I., Tsibulya A.B. Computtional Methods for Laser Optical Systems Design // Journal of Soviet Laser Research. - V.9. - No. 3. - 1998. - New York. - p.321-429 [5], известно, что продольное увеличение α оптической системы при работе с лазерными пучками определяется выражением  где f′ - фокусное расстояние оптической системы; z - параметр конфокальности входного лазерного пучка; Z- расстояние от переднего фокуса оптической системы до входной перетяжки.
k1
p2
Описанный в прототипе подход к перемещению перетяжки лазерного пучка нарушает вышеупомянутую имеющуюся в лазерных оптических системах взаимосвязь между ее конструкционными параметрами, продольным увеличением и положением выходной перетяжки. Вследствие этого при работе такой системы неизбежно нарушается постоянство как размера, так и положения выходной перетяжки относительно линзы 14. В устройстве используется частный случай взаимодействия первого и второго компонентов лазерной системы, когда первый компонент рассчитан как коллиматор. Именно это обстоятельство приводит к весьма слабой зависимости размера и положения выходной перетяжки от положения второго компонента, что и позволяет авторам устройства [4] пренебрегать ею. Однако в действительности необходимо учитывать, что промежуточная перетяжка лазерного пучка после первого компонента располагается на достаточно большом расстоянии от первого компонента и, соответственно, от второго компонента. При изменении расстояния между компонентами меняется расстояние от промежуточной перетяжки до второго компонента, что неизбежно приводит к изменению положения и размера перетяжки на выходе двухкомпонентной системы. Это следует из представленной ниже зависимости для продольного увеличения второго компонента: , где  - фокусное расстояние второго компонента; Z - параметр конфокальности лазерного пучка между компонентами; Z - расстояние от переднего фокуса второго компонента до промежуточной перетяжки, которое зависит от расстояния между фокусами компонентов системы Δ (дефокусировки компонентов).
Ясно, что использование такого способа возможно лишь в схемах с первой коллимационной линзой. Для перемещения выходной перетяжки на заданное расстояние необходимо перемещение линз формирующей системы на такое же самое расстояние, что крайне неудобно и нерационально. Кроме того, при его реализации нельзя добиться значительных перемещений выходной перетяжки с сохранением постоянства ее размера.
Задачи, на решение которых направлено заявляемое изобретение, состоят в том, чтобы разработать для лазерных оптических систем (ЛОС) способ перемещения перетяжки постоянного размера в широких пределах при небольшом перемещении компонентов и компактное устройство, обеспечивающее такое перемещение.
1
2
p
Технический результат в части способа достигается за счет применения усовершенствованного перемещения перетяжки, заключающегося в использовании двухкомпонентной лазерной оптической системы с подвижными компонентами и изменении продольных расстояний d (расстояние от входной перетяжки лазерного пучка до первого компонента, т.е. до его передней главной плоскости) и d (расстояние между компонентами) и отличающегося тем, что параметры используемой двухкомпонентной лазерной оптической системы для каждого положения Z входной перетяжки связаны соотношениями:
- увеличение первого компонента ;
- дефокусировка компонентов ;
- фокусное расстояние второго компонента , а продольные расстояния в системе изменяют строго согласованно по следующим законам:
1
- расстояние d от входной перетяжки лазерного пучка до первого компонента
2
- расстояние d между компонентами
3
- расстояние d от второго компонента до выходной перетяжки
и обеспечивают перемещение выходной перетяжки требуемого размера с изменением длины ЛОС по закону:
.
Основные отличительные признаки предлагаемого подхода заключаются в использовании аналитической связи между параметрами лазерного пучка и преобразующей его двухкомпонентной оптической системой, полученной авторами на основании положений теории проектирования лазерных оптических систем [5]. Выявленные закономерности позволяют в сжатые сроки разрабатывать высококачественные оптические системы перемещения перетяжки лазерного пучка, в том числе и постоянного размера.
p
k
Заявляемый способ работает следующим образом. Требуемое продольное увеличение двухкомпонентной лазерной оптической системы (ЛОС) определяется известными размерами (радиусами) входной h и выходной  перетяжек, а с другой стороны обеспечивается сочетанием ее конструктивных параметров и конфокальным параметром Z лазерного пучка:
,
p
p
k
где  и  - фокусные расстояния соответственно первого и второго компонентов; P(Z,Δ) - полином, характеризующий зависимость продольного увеличения от текущих конструктивных параметров: Z (расстояние от фокуса первого компонента до входной перетяжки) и Δ (дефокусировка компонентов, т.е. расстояние между фокусами компонентов ЛОС) и конфокального параметра Z лазерного пучка:
p
p
0
p
При этом на плоскости конструктивных параметров (Z,Δ) их связь, обеспечивающая поддержание любого конечного значения полинома P(z,Δ)=P, соответствует кривым второго порядка, область существования которых бесконечна по параметру Z и ограничена по параметру Δ.
pt
t
0
Для того чтобы лазерная оптическая система осуществляла перемещение перетяжки постоянного размера, т.е. работала с а=const, необходимо выполнение условия: P(z,Δ)=const=P.
p
Для любого текущего положения перетяжки Z параметры ЛОС должны определяться следующими зависимостями:
- увеличение первого компонента ;
- дефокусировка компонентов ;
- фокусное расстояние второго компонента ;
1
- расстояние d от входной перетяжки лазерного пучка до первого компонента ;
2
- расстояние d между компонентами
;
3
- расстояние d от второго компонента до выходной перетяжки
p
Следует отметить, что при изменении положения Z входной перетяжки длина ЛОС (т.е. положение выходной перетяжки относительно входной) L будет изменяться по следующему закону:
p
p
0
0
0
p
Для реализуемости такого способа необходимо, чтобы при любом Z дискриминант уравнения P(Z,Δ)=P был бы неотрицательным. При выборе P>1 это условие автоматически выполняется всегда. А при выборе P<1 диапазон изменения Z необходимо выбирать так, чтобы выполнить условие .
2
3
0
0
p
p min
0
0
0
Кроме того, должна быть обеспечена физическая реализуемость способа, когда расстояния d (расстояние между компонентами) и d (расстояние от второго компонента до выходной перетяжки лазерного пучка) положительны. Из ограниченности параметра Δ для любого значения P следует, что параметры f', P всегда можно выполнить так, что физическая реализуемость способа выполняется. При этом диапазон изменения Z желательно выбирать так, чтобы длина L ЛОС монотонно возрастала. При этом минимальное значение Z зависит от выбора параметра P так:  при P≥1 и  при P<1.
k
0
1
p min
min
p max
max
0
p
pt
t
0
Таким образом, при разработке реальной конструкции ЛОС для перемещения перетяжки постоянного размера продольное увеличение α и параметр конфокальности Z лазерного пучка известны, а параметры ЛОС P, f необходимо выбрать. Тогда становится известным значение минимальной дефокусировки Z и минимальная длина L  ЛОС. Значение максимальной дефокусировки Z определяется требуемым значением L. Так как для любого значения P область возможного изменения параметра не ограничена, то такой выбор всегда можно сделать. При этом во всем диапазоне вариаций Z для изменения L дискриминант квадратного уравнения P(z,Δ)=P (т.е. все подкоренные выражения) будет положительным.
p
p
Для характеристики увеличения (усиления) перемещения выходной перетяжки по отношению к перемещению Z входной перетяжки в таких лазерных системах обычно вводится коэффициент среднего умножения перемещения Z:
max
min
p max
p min
где L и L - соответственно максимальная и минимальная длины системы; Z и Z - соответственно максимальное и минимальное расстояния от переднего фокуса первого компонента до входной перетяжки.
max
min
ΔL=L-L - диапазон изменения длины лазерной оптической системы;
p
p max
p min
ΔZ=Z-Z - диапазон перемещения первого компонента.
1
2
3
Для реализации заявляемого способа предлагается использовать устройство, содержащее лазер, излучающий лазерный пучок с исходной (входной) перетяжкой, первый подвижный компонент ЛОС, размещенный на расстоянии d от входной перетяжки лазерного пучка, второй подвижный компонент ЛОС, размещенный на расстоянии d от первого компонента, и выходную перетяжку, расположенную на расстоянии d от второго компонента, отличающееся тем, что конструктивные параметры устройства связаны соотношениями:
- увеличение первого компонента ;
- дефокусировка компонентов ;
- фокусное расстояние второго компонента ,
а перемещение выходной перетяжки требуемого размера с изменением длины ЛОС по закону:
осуществляется за счет изменения продольных расстояний в строгом согласовании с законами:
1
- расстояние d от входной перетяжки лазерного пучка до первого компонента ;
2
- расстояние d между компонентами
Далее заявляемые способ и устройство поясняются с привлечением графических материалов.
Фиг.1 иллюстрирует схему устройства, реализующего способ-прототип, где:
1 - оптический диск,
2 - неподвижный блок,
3 - коллимированный лазерный пучок,
4 - подвижный блок,
5 - информационная поверхность,
6 - лазер,
7 - коллимирующая линза,
8 - поляризационный светоделитель,
9 - четвертьволновая пластинка,
10 - цилиндрическая линза,
11 - фотодетектор,
12 - актуатор,
13 - глухое зеркало,
14 - фокусирующая линза,
15 - линейный электродвигатель,
16 - направляющий рельс.
Фиг.2 демонстрирует работу заявляемой двухкомпонентной лазерной оптической системы перемещения перетяжки постоянного размера, где:
p
1
Z - расстояние от переднего фокуса F оптической системы до входной перетяжки;
1
f - фокусное расстояние первого компонента;
2
f - фокусное расстояние второго компонента;
p
h - размер (радиус) входной перетяжки,
- размер (радиус) выходной перетяжки,
1
d - расстояние от входной перетяжки лазерного пучка до первого компонента;
2
d - расстояние между компонентами;
3
d - расстояние от второго компонента до выходной перетяжки;
L - расстояние между входной и выходной перетяжками (длина системы);
Δ - расстояние между фокусами компонентов системы.
k
0
0
Предпочтительный вариант реализации изобретения состоит в следующем. При разработке ЛОС для перемещения перетяжки мощных газовых (молекулярных) лазеров с большим значением конфокального параметра Z наилучшие результаты по коэффициенту среднего увеличения перемещения G наблюдаются при выборе параметра P в области P≈0,5.
При использовании данного способа удается перемещать перетяжку строго постоянного размера на большие расстояния (метры и более) за счет сравнительно небольших (десятки миллиметров) перемещений компонентов ЛОС. Заявленные способ и устройство с успехом можно применить, в частности, в технологических установках лазерной прецизионной раскройки листовых материалов больших размеров.