ЛАЗЕРНАЯ СКАНИРУЮЩАЯ СИСТЕМА НА ОСНОВЕ РЕЗОНАНСНОГО СКАНЕРА
RESONANT SCANNER-BASED LASER SCANNING SYSTEM

Изобретение относится к лазерным системам обработки материалов.
Известна лазерная система, патент США №7817319, содержащая источник лазерного излучении, резонансный сканер. Принцип работы резонансного сканера таков, что отклонение луча в плоскости сканирования в направлении, перпендикулярном к оптической оси, происходит по синусоидальному закону. При сканировании вдоль квазилинейного участка синусоиды лазерные импульсы на объекте не перекрываются, при изменении направления сканирования на обратное скорость отклонения луча уменьшается до полной остановки. При этом возрастает степень перекрытия лазерных импульсов, на единицу обрабатываемой поверхности попадает большее число импульсов, что неприемлемо для некоторых применений. Таким образом, осуществление синусоидального сканирования без применения специальных средств приводит к недопустимой неравномерности (негомогенности) облучения обрабатываемого образца.
Задачей изобретения является создание лазерной сканирующей системы на основе резонансного сканера, позволяющей получить равномерное распределение лазерной энергии на обрабатываемой поверхности.
Лазерная сканирующая система, содержащая последовательно установленные источник излучения, резонансный сканер с зеркалом, фокусирующую линзу, резонансный сканер способен отклонять лазерное излучение от источника излучения с высокой скоростью в плоскости, перпендикулярной оптической оси лазерной сканирующей системы, фокусирующая линза расположена на расстоянии, равном ее фокусному расстоянию от зеркала резонансного сканера, за линзой, на расстоянии от ее фокальной плоскости, составляющем 0-5% от фокусного расстояния, установлен ограничитель диапазона сканирования, пропускающий центральные лучи и ограничивающий периферийные лучи лазера, отклоненные зеркалом резонансного сканера в поперечном направлении более чем на 95% от максимального угла сканирования. Фокусирующая линза расположена на расстоянии, равном ее фокусному расстоянию от зеркала резонансного сканера. При таком расположении лазерные пучки, отклоненные на различные углы резонансным сканером, распространяются параллельно за собирающей линзой. В задней фокальной плоскости линзы каждый пучок от лазера собирается в точку. Таким образом, в задней фокальной области линзы размер пятна лазерного излучения минимален, а лучи, отклоненные резонансным сканером, на различные углы параллельны. Ограничитель диапазона сканирования пропускает 95% центральных лучей вдоль оптической оси и экранирует крайние лучи, формирующие на объекте импульсы с большой степенью перекрытия. Если установить ограничитель диапазона сканирования в задней фокальной плоскости, то фокальную плоскость пересечет только часть лучей. Если установить ограничитель на небольшом расстоянии от задней фокальной плоскости, до 5% от фокусного расстояния, то некоторые крайние лучи будут перекрыты полностью, а некоторые, более близкие к оптической оси будут перекрыты частично. Тем не менее, этого достаточно для получения равномерного распределения излучения на объекте, так как крайние лучи, формирующие перекрывающиеся импульсы не попадут на обрабатываемую поверхность.
Ограничитель диапазона сканирования выполнен из непрозрачного материала. Вариантом изобретения является исполнение ограничителя диапазона сканирования из непрозрачного материала.
Ограничитель диапазона сканирования выполнен из керамики. Керамика является одним из наиболее стойких к лазерному излучению материалов. Ограничитель диапазона сканирования, выполненный из керамики, является надежным элементом с длительным сроком эксплуатации.
Система содержит вторую собирающую линзу, систему двухкоординатного сканирования, объектив, вторая собирающая линза установлена софокусно первой линзе, первая и вторая линза образуют телескопический расширитель луча. Для точной управляемой обработки материала лазерная система может включать телескопический расширитель луча, образованный в данном случае двумя линзами и установленным ограничителем диапазона сканирования, систему двухкоординатного сканирования и фокусирующий объектив.
Техническим результатом предлагаемого технического решения является создание лазерной сканирующей системы на основе резонансного сканера, обеспечивающей равномерное распределение энергии по обрабатываемой поверхности.
На фиг.1. представлена схема лазерной сканирующей системы.
На фиг.2. представлена зависимость от времени положения импульсов лазерного излучения, отклоненных резонансным сканером.
На фиг.3. представлена фотография поверхности, обработанной лазерной системой на основе резонансного сканера без ограничителя диапазона сканирования.
На фиг.4. представлена зависимость от времени положения импульсов лазерного излучения при работе сканера с установленным ограничителем диапазона сканирования.
На фиг.1. изображена лазерная сканирующая система, содержащая импульсный лазерный источник излучения 1, резонансный сканер с зеркалом 2, собирающую линзу 3, ограничитель диапазона сканирования 4. Собирающая линза 3 установлена так, что зеркало резонансного сканера 2 расположено в передней фокальной плоскости собирающей линзы 3. Ограничитель диапазона сканирования 4 расположен вблизи задней фокальной плоскости собирающей линзы 3, на расстоянии от задней фокальной плоскости, составляющем 3% от фокусного расстояния. Собирающая линза 5 установлена софокусно собирающей линзе 3. Линзы 3 и 5 образуют телескопический расширитель луча. Система содержит также систему двухкоординатного сканирования 6, объектив 7. При включении системы лазерное излучение от источника 1 попадает на зеркало резонансного сканера 2, отклоняющее излучение в направлении плоскости рисунка. Резонансный сканер 2 отклоняет излучение в перпендикулярном оптической оси направлении. На зеркало резонансного сканера 2 попадает параллельный пучок лазерного излучения. В задней фокальной плоскости собирающей линзы 3 параллельные пучки лазерного излучения фокусируются в отдельные точки. Ограничитель диапазона сканирования 4 расположен вблизи фокуса собирающей линзы 3, оставляет открытым 95% центральной части области, куда попадает излучение так, чтобы экранировать пучки вблизи границы сканирования, образующие многократно перекрывающиеся импульсы на объекте 8. Излучение проходит линзу 5. Система двухкоординатного сканирования 6 отклоняет луч по требуемой траектории. Объектив 7 фокусирует излучение на образец 8. Стрелкой показано отклонение излучения двухкооордитантным сканером.
На фиг.2. представлена зависимость от времени положения импульсов лазерного излучения, отклоненных резонансным сканером на обрабатываемой поверхности без ограничителя диапазона сканирования. По вертикальной оси отложены положения импульсов. Видно, что вблизи границ диапазона сканирования импульсы перекрываются. При равномерном продвижении луча по образцу на границах диапазона сканирования луча резонансным сканером образуются множественные перекрытия импульсов. На фиг.3. представлены экспериментальные результаты обработки поверхности материала с использованием резонансного сканера. Видно, что на границе обработки на материал попадает большее количество лазерной энергии. Распределение лазерной энергии по обрабатываемой поверхности неравномерно.
На фиг.4. представлена зависимость от времени положения импульсов излучения с установленным ограничителем диапазона сканирования, пропускающим 95% центральных импульсов. При таком небольшом ограничении получено значительно более равномерное распределение импульсов и, соответственно, лазерной энергии по обрабатываемой поверхности.
Предлагаемое техническое решение не ограничивается системой на основе импульсного лазера, может быть применено для систем на основе непрерывного лазера. Ограничитель диапазона сканирования может быть выполнен в виде клина или линзы из прозрачного материала.