Технологический объектив для лазерной обработки

Изобретение может быть использовано, в частности, при резке листового стекла и/или других прозрачных или полупрозрачных хрупких материалов и при лазерной обработке крупногабаритных изделий сложной формы. Объектив содержит корпус, привод вращения корпуса вокруг оси, объектив, расположенный на станине в двух подшипниках, и три линзы, первая из которых отрицательная сферическая неподвижная, расширяющая входящий в объектив параллельный пучок лазерного излучения, вторая и третья линзы положительные цилиндрические со взаимно перпендикулярными образующими, задающие размеры фокусируемого на подложке овального лазерного пятна независимо друг от друга. Вторая линза регулирует в процессе работы величину одной, большей оси овала, а третья неподвижная линза задает величину меньшей оси овального пятна путем предварительного выставления расстояния от объектива до подложки. Объектив имеет два мини-двигателя, один мини-двигатель обеспечивает пространственное положение большой оси овального лазерного пятна по касательной к контуру вырезаемой детали, а второй мини-двигатель варьирует длину этой оси в процессе обработки путем перемещения второй линзы вдоль оптической оси объектива. Технический результат - регулирование и управление формой пятна фокусируемого лазерного луча в процессе работы. 3 ил.

 

Изобретение относится к лазерной обработке различных материалов, в частности, резке листового стекла и/или других прозрачных или полупрозрачных хрупких материалов и может быть использовано в любой отрасли народного хозяйства, где требуется лазерная обработка крупногабаритных изделий сложной формы.

Известна лазерная обработка материалов, в частности, резка неметаллических материалов, преимущественно стекла, под действием термоупругих напряжений, возникающий в результате их нагрева лазерным излучением и образования в материале поверхностной трещины с последующим доламыванием (1).

В патенте указана важность использования при лазерной обработке материалов сечения лазерного пятна на обрабатываемом материале в виде эллипса. Рекомендовано выполнять следующие соотношения: плотность мощности излучения выдерживать в пределах (0,3-20)×106 Втм-2 при одновременном соблюдении равенства a=(0,2-2)h, b=(1-10)h, где a и b - малая и большая оси пятна лазерного пучка соответственно, h - толщина материала.

Такие ограничения на энергетические и геометрические параметры лазерного пучка обеспечивают оптимальные условия образования несквозной разделяющей трещины в материалах с различными теплофизическими свойствами и различной толщины. В этой работе была проведена резка стекла с высокой точностью тонких стекол малого размера (стекла для часов).

Недостатком такой лазерной обработки является невозможность управления формой лазерного пятна в процессе работы и трудность применения для обработки, в частности, резки крупногабаритного толстого стекла сложной конфигурации.

Ближайшим прототипом предлагаемого изобретения является технологический объектив для лазерной обработки (2), содержащий корпус, в котором закреплены линза и отражающий отклоняющий элемент, привод вращения корпуса вокруг оси, параллельной главной оптической оси, и сопловый блок. Отражающий лазерный луч элемент выполнен в виде призмы с рабочей стороной, имеющей кривизну определенного радиуса, призма имеет привод ее перемещения перпендикулярно оси падающего излучения, а также шарнирный механизм и два направляющих ролика, перемещающихся по обоим краям рабочей поверхности призмы.

Недостатком такого объектива является трудность применения для резки крупногабаритных изделий, в частности, толстого стекла сложной конфигурации, а, главное, фокусирующий объектив не управляет формой пятна сфокусированного лазерного луча в процессе работы.

Задачей изобретения является регулирование и управление формой пятна фокусируемого лазерного луча в процессе работы.

Поставленная задача решается тем, что фокусирующий объектив, расположенный на станине в двух подшипниках, состоит из трех линз, первая из которых отрицательная сферическая неподвижная, расширяющая входящий в объектив параллельный пучок лазерного излучения, вторая и третья линзы - положительные цилиндрические со взаимно перпендикулярными образующими, задающие размеры фокусируемого на разрезаемом материале (подложке) овального лазерного пятна независимо друг от друга при условии r<<R1 и R2, где r - радиус сечения падающего на объектив параллельного лазерного пучка, a R1 и R2 - радиусы цилиндрических линз, причем вторая линза регулирует в процессе работы величину одной, большей оси овала, а третья неподвижная линза задает величину меньшей оси овального пятна путем предварительного выставления расстояния от объектива до подложки. Кроме этого, объектив имеет два мини-двигателя, расположенные также на станине: один мини-двигатель обеспечивает пространственное положение большой оси овального лазерного пятна по касательной к контуру вырезаемой детали, а второй мини-двигатель варьирует длину этой оси в процессе обработки путем перемещения второй линзы вдоль оптической оси объектива с целью оптимизации условий лазерного управляемого термораскалывания.

Для оптимизации режима процесса лазерного управляемого термораскалывания необходимо иметь разную форму лазерного пятна на подложке. При этом лазерное пятно должно иметь разные оптимальные параметры для резки по прямой линии и на повороте на углу (по радиусу). По прямой целесообразнее проводить резку вытянутым вдоль линии реза пятном, так как при этом разделяемый материал успевает прогреться на большой длине реза и, поэтому, можно значительно увеличить скорость реза. При резке по радиусу (особенно при малых размерах) при больших размерах пятна прогревается широкая полоса материала при одновременном уменьшении нагрева на линии реза. Это приводит к неоптимальным условиям лазерного управляемого термораскалывания и к прекращению образования трещины. На радиусных участках контура реза целесообразно уменьшать величину большей оси эллипсоидного пятна вплоть до круга.

Сущность изобретения поясняется прилагаемыми чертежами, где на фиг.1 представлена конструкция объектива, где 1 - станина, 2 - подшипник, 3а и 3б - мини-двигатели, 4 - отрицательная сферическая линза, 5 - подвижная цилиндрическая линза, 7 - распылитель, 8 - муфта, 9 - шпилька-«ведунок», 10 - корпус объектива.

На фиг.2 показана оптическая схема объектива, где A - вид сверху, B - вид сбоку, 4 - сферическая отрицательная линза, 5, 6 - цилиндрические положительные линзы, образующие которых перпендикулярны друг другу, причем линза 5 - подвижная, 11 - форма сфокусированного на подложке лазерного пятна.

На фиг.3 показана форма лазерного пятна на обрабатываемой подложке. Стрелкой показано направление лазерной резки.

Объектив работает следующим образом. На координатный стол помещают подложку, например стеклозаготовку, например, размером 1440 мм × 1240 мм из стекла, например, толщиной 3 мм и закрепляют фиксирующим устройством. Фокусирующий объектив, соединенный с коллимационным устройством волоконного иттербиевого лазера (длина волны излучения лазера 1,07 мкм и мощность 700 ватт) перемещают по контуру реза стекла. При этом луч лазера направляют почти перпендикулярно к поверхности стекла. Одновременно одним мини-двигателем 3а вращают объектив вокруг оптической оси, тем самым направляя большую ось пятна лазерного луча по касательной к линии контура резки, а вторым мини-двигателем 3б перемещают вторую линзу 5 вдоль оптической оси объектива, тем самым изменяя длину большей оси овала лазерного пятна при прохождении радиусных участков контура стекла. Лазерный луч проходит через линзы, сначала рассеиваясь на линзе 4, а затем фокусируясь в двух перпендикулярных плоскостях на линзах 5 и 6. В результате на расстоянии 11 см от выходной линзы 6 формируется овальное пятно с величиной большей оси эллипса 18 мм (положение А, фиг.2) и 8 мм (положение В, фиг.2). Размер второй меньшей оси эллипса задается перед началом работы выставлением расстояния от линзы 6 до подложки и не изменяется в процессе работы. В результате была вырезана стеклозаготовка размером 1400×1200 мм с радиусными углами.

Предлагаемый объектив позволяет обеспечивать управление формой лазерного пятна в процессе работы, что обеспечивает устойчивое образование трещины в стекле.

Источники информации

1. Патент RU №2024441, CО3B 33/02, 1994 г.

2. Патент RU №2049632, B23K 26/06, 1995 г.

Технологический объектив для лазерной обработки, содержащий корпус, привод вращения корпуса вокруг оси, отличающийся тем, что объектив, расположенный на станине в двух подшипниках, состоит из трех линз, первая из которых отрицательная сферическая неподвижная, расширяющая входящий в объектив параллельный пучок лазерного излучения, вторая и третья линзы положительные цилиндрические со взаимно перпендикулярными образующими, задающие размеры фокусируемого на подложке овального лазерного пятна независимо друг от друга, причем вторая линза регулирует в процессе работы величину одной, большей оси овала, а третья неподвижная линза задает величину меньшей оси овального пятна путем предварительного выставления расстояния от объектива до подложки, кроме этого объектив имеет два мини-двигателя, один мини-двигатель обеспечивает пространственное положение большой оси овального лазерного пятна по касательной к контуру вырезаемой детали, а второй мини-двигатель варьирует длину этой оси в процессе обработки путем перемещения второй линзы вдоль оптической оси объектива.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к оптико-электронным системам измерения расстояния, локации, наведения, связи и другим устройствам, в которых используется излучение полупроводниковых лазеров.

Изобретение относится к оптике, а точнее к лазерным оптическим системам. .

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано при проведении высокоточной сборки исследовательского оборудования, например, при прецизионной юстировке большого числа модулей линейного коллайдера ТэВ-ного диапазона, а также в других областях: в метрологии, связи, геодезии, строительстве.

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к оптическим системам, коллимирующим излучение лазерного пучка с одновременной анаморфотной коррекцией формы поперечного сечения и углового распределения интенсивности лазерного пучка, а также суммирующим излучение двух или более полупроводниковых (далее - п/п) лазеров на одной оптической оси, и может быть использовано в системах оптической локации, оптической связи, управления и др.

Изобретение относится к способу управления распределением интенсивности поля волны или волн частично когерентного или некогерентного оптического излучения на конечном расстоянии от его источника или в дальней зоне и устройству, реализующему заявленный способ.

Изобретение относится к технической физике. .

Изобретение относится к устройству лазерной наплавки и легирования материалов и может быть использовано при наплавке различных материалов лазерным излучением и в лазерной стереолитографии с применением порошковых материалов.

Изобретение относится к устройству для фокусировки излучения волоконного лазера, предназначено для сварки, резки и других видов обработки. .
Изобретение относится к машиностроению, а именно к изготовлению слоистых сотовых панелей из титановых сплавов. .
Изобретение относится к машиностроению, а именно к изготовлению слоистых сотовых панелей из титановых сплавов. .
Изобретение относится к машиностроению, а именно к изготовлению слоистых сотовых панелей из титановых сплавов. .

Изобретение относится к способу и устройству лазерной наплавки материалов. Способ лазерной наплавки состоит в подаче наплавляемого материала в фокальную область лазерного пучка, размещенную на поверхности обрабатываемого изделия. Из исходного кругового лазерного пучка формируют серию параллельных кольцевых лазерных пучков, преобразуют их в серию конических пучков и раздельно фокусируют вдоль одной оптической оси, по которой подают наплавляемый материал. Устройство содержит лазер, оптически связанный с системой формирования конического пучка, фокусирующую линзу и систему подачи наплавляемого материала, оптическую систему формирования серии кольцевых лазерных пучков с регулируемым распределением мощности лазерного излучения по кольцевым пучкам, поворотное зеркало с отверстием для проводки трубок подачи газа, охлаждающей жидкости и наплавляемого материала, систему фокусирующих конических зеркал. Изобретение обеспечивает расширение технологических возможностей и снижение энергозатрат при высокой точности изготовления деталей. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Устройство детектирования люминесценции в образце включает оптическую систему для освещения образца линейным пучком, содержащую источник света (24), имеющий асимметричное распределение интенсивности, формирователь (30) пучка, преобразующий пучок света от источника света в промежуточное астигматическое изображение, и систему (L1, 26) формирования изображения для преобразования промежуточного астигматического изображения в окончательное астигматическое изображение. Формирователь пучка расположен таким образом, что пучок на выходе из оптической системы фокусируется в линейный пучок. Формирователь (30) пучка обеспечивает разные неединичные увеличения в латеральной плоскости и в трансверсальной плоскости и содержит тороидальную входную поверхность и тороидальную выходную поверхность, каждая из которых имеет конечный радиус кривизны и выполнена с возможностью делать распределение интенсивности в конусе света, излучаемого посредством источника света, более симметричным. Технический результат - уменьшение габаритов, повышение надежности устройства, упрощение конструкции. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к способам и устройствам для измерения углов в машиностроении, а также к приборам навигации космических аппаратов. Способ повышения разрешающей способности измерения угловых координат светящегося ориентира по величинам сигналов и порядковым номерам фоточувствительных элементов, расположенных симметрично с заданным угловым шагом относительно некоторой оси, заключается в увеличении скорости изменения сигнала по углу указанных фоточувствительных элементов. Многоэлементный приемник оптического излучения состоит не менее чем из трех фоточувствительных элементов, расположенных симметрично с заданным угловым шагом относительно некоторой оси, причем фоточувствительные элементы имеют устройства, повышающие скорость изменения их сигнала по углу. Технический результат заключается в обеспечении возможности повышения разрешающей способности измерения угловой координаты светящегося ориентира. 3 н.п. ф-лы, 7 ил., 1 табл.

Изобретение относится к лазерной оптике. Устройство для формирования лазерного излучения (3) содержит гомогенизаторы (1), выполненные с возможностью отдельно гомогенизировать множество частичных лучей (6) или множество групп (7) частичных лучей (6) лазерного излучения (3) таким образом, чтобы идущие от гомогенизаторов (1) частичные лучи (6) или их группы (7) в рабочей плоскости (8) создавали соответственно линейное распределение (9, 19) интенсивности с круто спадающими на концах фронтами (10). При этом средства перекрытия (2) частичных лучей (6) или их групп (7) выполнены и установлены таким образом, что в рабочей плоскости (8) создается линейное распределение (11, 20) интенсивности, длина которого больше длины каждого из линейных распределений (11, 20) интенсивности частичных лучей (6) или их групп (7). Средства перекрытия (2) включают в себя линзовую матрицу с множеством линз (5). Причем для линз (5) линзовой матрицы выполняется условие: 2·F·NA(50%)=M·P2, где М=1, 2, 3,…, F - фокусное расстояние каждой из линз, Р2 - межцентровое расстояние между линзами, NA(50%) - числовая апертура каждой из линз (5), определяемая углом, при котором интенсивность проходящего через линзы (5) света уменьшается наполовину. Технический результат заключается в обеспечении возможности упрощения конструкции. 3 н. и 15 з.п. ф-лы, 9 ил.
Наверх