Установка для лазерной обработки материалов

Установка предназначена для обработки материалов лазерным излучением. Лазер (2), установленный на основании (1), содержит активный элемент (3) с выходным торцом (4) и зеркала (5, 6) резонатора, по меньшей мере, два фокусирующих объектива (7, 8), устройство (10) переключения направления лазерного излучения к фокусирующим объективам и оптическую систему ввода лазерного излучения в торец оптического волокна. Объектив (7) соединен с оптическим волокном (9). Оптическая система выполнена в виде устройства переноса изображения с торца активного элемента (4) в торец (12) оптического волокна и содержит линзу (11) 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. Поворотное зеркало (17) установлено на основании (1) за входным зеркалом (15) с возможностью отражения лазерного излучения к первому фокусирующему объективу (7) и с возможностью прохождения отраженного луча между входным (15) и выходным (16) зеркалами. Фокусирующий объектив (8) жестко скреплен с основанием (1). Поворотное зеркало (19) размещено перед линзой (11). Достигается точность позиционирования луча на поверхности торца оптического волокна, а следовательно повышается надежность и долговечность устройства при одновременном повышении точности лазерной обработки материалов. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

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.

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 y1, на второй -через y2, а углы наклона луча к оптической оси - через α1 и α2, соответственно. В этом случае параметры луча на входе и выходе оптической системы связаны соотношениями

y2=Ay1+Bα1; α2=Cy1+Dα1.

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 y1, сойдутся в точке с координатой y2. 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.

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 f2 и f1, расстояние между которыми равно S. Расстояние между торцом 4 активного элемента и линзой 13 с фокусным расстоянием f1 составляет 11, а расстояние между линзой 11 с фокусным расстоянием f2 и торцом 12 оптического волокна составляет 12. Соответствующая матрица передачи луча ABCD между торцами активного элемента и волокна имеет вид:

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 f2 фокусировала лазерное излучение во входной торец 12 оптического волокна, торец размещают в фокальной плоскости линзы на расстоянии l2=f2, при этом значение фокусного расстояния выбрано равным f2=30 мм.

Подставляя заданные значения в формулу (1) и приравнивая А=0,08, получим величину фокусного расстояния f1=l2/0,08=375 мм.

Подставляя полученные значения в формулу для (2) и приравнивая В=0, получим величину расстояния l1=375 мм.

Преобразование гауссовых пучков в линзовой системе описывается формулой

где q1 и q2 - 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=f1+f2=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.

1. 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 положения платформы, отличающаяся тем, что она снабжена дополнительным поворотным зеркалом, установленным на основании за входным зеркалом упомянутого устройства переключения на оптической оси лазерного излучения с возможностью отражения лазерного излучения к первому фокусирующему объективу, 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.

2. Установка для лазерной обработки материалов по п.1, отличающаяся тем, что дополнительное поворотное зеркало установлено с возможностью прохождения отраженного луча между входным и выходным зеркалами.

3. Установка для лазерной обработки материалов по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена установленным на основании вторым дополнительным поворотным зеркалом, размещенным перед линзой, фокусирующей лазерное излучение во входной торец оптического волокна.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способу лазерной абляции для нанесения покрытия на изделие, имеющее одну или более поверхностей, и к изделию с покрытием. .

Изобретение относится к устройствам для лазерной обработки материалов и может быть использовано для сварки, пайки, резки металлов и сплавов, а также некоторых пластиков.

Изобретение относится к области лазерной обработки материалов, в частности к устройству многопозиционной лазерной обработки, и может быть использовано при изготовлении большого количества изделий на одном лазерном комплексе, в том числе при лазерной резке, сварке, наплавке и селективном спекании.

Изобретение относится к технологическому лазерному оборудованию и может быть использовано для прецизионной обработки изделий. .

Изобретение относится к области сварки, в частности, световым лучом и может найти применение в различных отраслях машиностроения, авиастроении, судостроении, а также в других областях промышленности.

Изобретение относится к области лазерной техники и может быть использовано для формирования пучка Nd: YAG лазеров с расходимостью 10-20 мрад. .

Изобретение относится к металлургии и может найти применение в электронике, приборо- и машиностроении. .

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к устройствам для лазерной сварки тонких проводников, и может быть использовано в электронике, приборо- и машиностроении.

Изобретение относится к металлургии, в частности к устройству для одновременной двухлучевой лазерной сварки деталей, и может быть использовано в электронике, приборостроении и машиностроении.

Изобретение относится к нанесению покрытий на металлические изделия, имеющие большие поверхностные зоны

Изобретение относится к способу нанесения покрытия из нитрида углерода на различные изделия, имеющие большие поверхностные зоны, а также к изделиям с покрытием из нитрида углерода, изготовленным данным способом

Изобретение относится к солнечным элементам и слоям материала в составе этих элементов, а также к способу и системе для изготовления солнечных элементов

Изобретение относится к способу многолучевой лазерной сварки конструкционных сталей и может найти применение в различных отраслях машиностроения

Изобретение может быть использовано при создании мощных лазерных систем для фокусировки излучения на удаленные мишени. Система включает первый объектив, первый и второй линзовые компоненты которого установлены с возможностью перемещения вдоль оптической оси объектива. Третий линзовый компонент установлен неподвижно. Система включает дополнительный лазер и, по меньшей мере, один дополнительный, идентичный первому, объектив, расположенные таким образом, что оптические оси лазера и всех объективов пересекаются в одной точке. Расстояния от оптической оси лазера до оптических осей объективов одинаковы. Каждый объектив дополнительно включает плоскопараллельную пластину, установленную перед первым компонентом с возможностью поворота вокруг оси, перпендикулярной меридиональной плоскости системы. Все оптические компоненты объективов выполнены из кварцевого стекла. Плоскопараллельные пластины, первые и вторые компоненты объективов кинематически синхронизированы друг с другом. Технический результат - повышение точности настройки параметров лазерного излучения на мишени при одновременном увеличении передаваемой мощности излучения, повышение надежности и расширение его технологических возможностей. 3 ил.

Изобретение относится к способу (варианты) и системе (варианты) для лазерной сварки и может быть использовано для соединения различных деталей друг с другом. Система содержит источник (1) лазерного луча, коллиматор (2) лазерного луча и фокусирующее устройство (3). Оптический элемент (5) расположен между коллиматором (2) и фокусирующим устройством (3) и предназначен для развертывания системы распределения мощности лазерного луча в первом направлении, находящемся под углом к оси сколлимированного лазерного луча. В системе по первому варианту бифокальный элементом (6) расположен или между оптическим элементом (5) и коллиматором (2), или между оптическим элементом (5) и фокусирующим устройством (3). По второму варианту бифокальный элементом (6) расположен между коллиматором (2) и фокусирующим устройством (3). В результате обеспечивается гомогенность распределения мощности лазерного излучения в свариваемой области. 4 н. и 18 з.п. ф-лы, 9 ил.

Группа изобретений касается структурного блока, имеющего в качестве линии инициирования разлома лазерный трек, который состоит из углублений, полученных от лазерного луча, для подготовки последующего разделения этого структурного блока на отдельные конструктивные элементы. Тем самым обеспечивается то, что при разделении на отдельные части разлом всегда происходит вдоль этого лазерного трека, предотвращаются разломы, отклоняющиеся от лазерного трека, и после разламывания формируются ровные и не имеющие осыпаний края излома. Причем расстояние между двумя расположенными рядом углублениями от лазера меньше или равно диаметру этих углублений от лазера, соответственно измеренному на поверхности структурного блока. При этом лазерный трек скомбинирован с выемкой в отдельном конструктивном элементе. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к способу лазерной сварки. Для предотвращения разбрызгивания и прилипания к верхней поверхности обрабатываемой детали и оптическому компоненту во время сварки, а также предотвращения образования поднутрения или недостаточности заполнения шва на задней поверхности обрабатываемой детали лазерную сварку осуществляют излучением двух лазерных лучей вдоль линии сплавления со стороны верхней поверхности обрабатываемой детали. Два лазерных луча передают через различные оптические волокна с диаметрами сфокусированных пятен размером 0.3 мм или более. Ведущий лазерный луч из двух лазерных лучей и задний лазерный луч из двух лазерных лучей наклоняют в направлении сварки под углом падения по отношению к направлению, перпендикулярному верхней поверхности обрабатываемой детали. Ведущий лазерный луч находится впереди по отношению к заднему лазерному лучу на верхней поверхности обрабатываемой детали в направлении сварки. Задний лазерный луч располагают позади за ведущим лазерным лучом. Угол падения ведущего лазерного луча устанавливают больше, чем угол падения заднего лазерного луча. 2 з.п. ф-лы, 4 ил., 3 табл., 2 пр.

Изобретение относится к способу и установке для сварки лазерным лучом по меньшей мере двух компонентов (102, 104) из суперсплавов. В способе обеспечивают по существу одновременное создание основного сварного шва (110) с использованием первого присадочного металла, расположенного между указанными компонентами (102, 104), и поверхностного сварного шва (112) с использованием второго присадочного металла, выполняемого поверх основного шва. Между указанными компонентами, которые могут быть выполнены с необязательным желобком (105) вдоль поверхности (114) соединения (102, 104), вставляют прокладку (506). Поверх заданной поверхности (114) или внутрь необязательного желобка (105) подают присадочную проволоку (504). Два лазера (700, 702) или лазер (600) и присоединенный расщепитель (604) луча обеспечивают создание первого и второго лазерных лучей (508, 510), направленных на фокусные точки (512, 514), расположенные на заданном расстоянии (509) друг от друга (например, 0,05-1,5 см). Первый лазерный луч (508) используют для создания основного сварного шва (110) с использованием первого присадочного металла между компонентами (102, 104), а второй лазерный луч (510) используют для создания поверхностного сварного шва (112) с использованием второго присадочного металла на верхней поверхности основного сварного шва (110).2 н. и 7 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к фокусирующей лазерный луч головке для лазерной резки, способу и установке лазерной резки металлической детали. Фокусирующая головка содержит коллимирующую линзу (13) и фокусирующую линзу (14). Коллимирующая линза (13) и фокусирующая линза (14) выполнены из ZnS и имеют толщину по краям по меньшей мере 5 мм. Отклоняющее зеркало (15), функционирующее под углом наклона (α) от 40° до 50°, расположено между коллиматором (13) и фокусирующей линзой (14) на пути лазерного луча. Установка для лазерной резки содержит твердотельное лазерное устройство (SL), излучающее луч лазера с длиной волны от 1,06 мкм до 1,10 мкм и мощностью от 0,1 кВт до 25 кВт, упомянутую фокусирующую головку и передающее волокно (CF), соединяющее твердотельное лазерное устройство (SL) и фокусирующую головку. Изобретение позволяет обеспечить стабильное положение фокусирования лазерного луча в процессе резки. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 5 ил.,1 табл.

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к устройствам, обеспечивающим обработку материалов лазерным излучением

Наверх