Многолучевой источник лазерного излучения и устройство для обработки материалов с его использованием

Изобретение относится к многолучевому источнику лазерного излучения и устройству для лазерной обработки материалов. Многолучевой источник состоит из задающего генератора и многоканального усилителя. Излучение задающего генератора поступает на вход усилителя через расширитель, с последующим усилением отдельных фрагментов широкого пучка активным элементом, состоящим из лазерных пластин, расположенных последовательно в несколько параллельных рядов. Каждая пластина содержит вытянутую вдоль продольной оси пластины сердцевину из активного материала и окружающую ее с боковых сторон неактивную оболочку. Пространство между всеми пластинами заполнено теплоотводящими элементами. Излучение накачки подводится через свободные узкие грани пластин. Обрабатываемый материал размещается на базовой поверхности, условно разделенной на сектора по числу лазерных лучей. Сканирующие головки установлены над одной из вершин каждого сектора на высоте, определяемой по формуле h=d/tgα, где d - длина диагонали сектора, α - максимальный угол сканирования. Для компенсации ошибок юстировки лазерных головок используется жесткая координатная рама с датчиками координатной сетки. Изобретение позволяет одновременно использовать большое число мощных лазерных пучков для повышения скорости обработки изделий большого объема. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 14 ил.

 

Область техники

Данное изобретение относится к области лазерной обработки материалов, в том числе лазерной резке, сварке, наплавке и селективному спеканию деталей большого объема или при обработке большого количества изделий на одном лазерном комплексе.

Уровень техники

Мощные лазеры имеют множество приложений, в которых интенсивный пучок когерентного света фокусируется на подложку для обработки ее поверхности или спекания субстрата, уложенного на подложке, или воздействует на другие цели. Часто мощные лазерные системы используют задающий генератор и усилитель мощности, который доводит энергетические параметры лазерного пучка, сформированного задающим генератором, до уровня, требуемого конкретным приложением.

В некоторых применениях лазеров желательно одновременно направлять несколько лазерных лучей в одну цель или одновременно обрабатывать несколько целей. Например, в лазерной микрообработке это может быть выгодно для сверления небольших и точных отверстий параллельно в нескольких местах для того, чтобы ускорить обработку. Один из возможных способов получения нескольких лазерных пучков состоит в том, чтобы разделить лазерный пучок от мощного источника на несколько лучей с пропорциональным уменьшением мощности каждого луча по сравнению с исходным пучком. Устройство такого типа описано в патентной заявке [1]. Оно является аналогом предлагаемого изобретения. Недостаток аналога состоит в невозможности получить большое количество лучей из-за резкого снижения их мощности при делении исходного лазерного пучка.

Альтернатива расщепления излучения в лазерной системе с одним усилителем мощности заключается в разделении выходного излучения задающего генератора и использовании нескольких усилителей мощности. Этот подход реализован в лазерном устройстве, описанном в патенте [2] и выбранном в качестве прототипа настоящего изобретения. Недостаток прототипа состоит в том, что каждый канал усиления снабжен собственными системами накачки и охлаждения, что увеличивает габариты и стоимость многолучевой лазерной системы и не позволяет в устройстве с разумными размерами довести число лучей до нескольких десятков или сотен единиц. Другой недостаток прототипа состоит в неизбежном снижении качества получаемых лазерных пучков относительно качества излучения задающего генератора из-за влияния тепловых и дифракционных эффектов, что ограничивает возможность острой фокусировки пучка на отдаленных целях.

Таким образом, существует потребность в многолучевом лазерном устройстве, в котором преодолены указанные недостатки.

Сущность изобретения

Недостатки, связанные с предшествующим уровнем техники, преодолеваются при воплощении настоящего изобретения благодаря использованию большого числа параллельно работающих каналов усиления мощности с общими для всех параллельных каналов системами накачки и охлаждения. При этом обеспечивается высокое качество создаваемых пучков излучения за счет расширения излучения задающего генератора, которое сопровождается значительным снижением расходимости лазерного пучка. Дальнейшее параллельное усиление отдельных фрагментов широкого пучка происходит в многоканальном усилителе со специально принятыми мерами для снижения влияния тепловых и дифракционных искажений волнового фронта. Для этого используется большое число скрещенных тонких пластин с активной сердцевиной, имеющей размер поперечного сечения примерно равный размеру поперечного сечения усиливаемого пучка в каждом канале. Скрещенное последовательное расположение участков тонкой усиливающей среды обеспечивает минимальный астигматизм, создаваемый температурными градиентами, по сравнению с другими профилями, благодаря наилучшим условиям отвода тепла и симметричному действию неизбежно возникающих в мощных устройствах тепловых линз и ортогональной ориентации осей наведенного теплом двулучепреломления в активной сердцевине. Снижение влияния дифракционных эффектов обеспечивается концентрацией усиления в оптически однородной части пластин, находящейся на расстоянии от внешних продольных поверхностей пластин, на которых резко меняется показатель преломления среды, вызывая дифракционные искажения волнового фронта. Появляющиеся вследствие дифракции электромагнитные волны распространяются под углом к оси усилительного канала и, благодаря скрещенному расположению пластин, могут быстро выводиться через неактивные части торцевых поверхностей, не имеющих оптического контакта с торцевыми поверхностями других пластин, практически не усиливаясь. Таким же образом, блокируется усиление основной части волноводных и других ненужных поперечных мод, а также спонтанного и паразитного излучений. Значительно меньшая часть подобных видов вредных излучений, попадающих в аксиальную область активной среды и проходящих по всей ее длине, подавляется за счет достаточно высокой плотности мощности непрерывного излучения, создаваемого задающим генератором. Доминирование полезного излучения обеспечивается благодаря пропорциональности вероятности вынужденного изучения плотности мощности излучения, которое распространяется в возбужденной накачкой среде [8].

Эти преимущества позволяют в более широких пределах, чем у известных аналогов, масштабировать мощность лазерных установок, используя большое число скрещенных пластин с активной сердцевиной.

Согласно предлагаемому изобретению, задача получения десятков и сотен единиц мощных лазерных пучков с высоким качеством излучения решается в многолучевом источнике лазерного излучения, содержащем задающий генератор и многоканальный усилитель, за счет того, что выходное излучение задающего генератора поступает на вход многоканального усилителя через расширитель, снижающий расходимость и увеличивающий сечение лазерного пучка до размеров входной апертуры многоканального усилителя с последующим усилением отдельных фрагментов широкого пучка с использованием активного элемента, состоящего из большого числа лазерных пластин, расположенных последовательно в несколько параллельных рядов. Каждая пластина имеет форму прямоугольного параллелепипеда и содержит вытянутую вдоль продольной оси пластины сердцевину из активного материала и окружающую ее с боковых сторон неактивную оболочку из оптического материала с тем же или близким показателем преломления, при этом поперечный размер сердцевины меньше толщины пластины. В каждом ряду продольные оси соседних пластин совмещены и образуют оптическую ось канала усиления. Ряды расположены компактно, с одинаковым шагом в вертикальном и горизонтальном направлениях, при этом широкие грани, например, четных пластин во всех рядах расположены горизонтально, а широкие грани альтернативных пластин расположены вертикально и продольные узкие грани, обращенные друг к другу в соседних рядах, соединены между собой с оптическим контактом. Пространство между всеми пластинами заполняется теплоотводящими элементами, а излучение накачки создается линейками лазерных диодов и подводится через свободные узкие грани пластин. Благодаря предлагаемому размещению активных слоев в параллельных рядах обеспечивается свободный доступ теплоотводящей среды к широким поверхностям всех пластин, что позволяет эффективно отводить большие потоки тепла при низких температурных градиентах.

Для снижения влияния отражений от свободных узких граней, перпендикулярных оптической оси, в каждом ряду, например, четные пластины могут иметь широкую пару граней в форме параллелограмма, а альтернативные пластины при этом должны иметь продольную узкую пару граней в форме параллелограмма, соответственные углы этих параллелограммов должны быть равны, а остальные грани пластин должны быть прямоугольными.

Для компенсации дисперсии групповых скоростей (ДГС) при усилении ультракоротких импульсов, все или часть пластин могут иметь на каждой узкой грани, перпендикулярной продольной оси активного слоя, прозрачную дифракционную решетку с симметричным профилем штрихов, которая отклоняет падающее излучение в плоскости, перпендикулярной широким граням пластины, и обеспечивает распространение излучения вдоль оптической оси активной сердцевины в виде симметричных волноводных мод благодаря полному внутреннему отражению от широких граней. Компенсация ДГС обеспечивается за счет большего угла отклонения длинноволновой части спектра излучения, что приводит к увеличению длины оптического пути этой части спектра, по сравнению с коротковолновой частью, и уменьшению длительности усиливаемого импульса излучения.

Использование многолучевого источника с высоким качеством лазерных пучков позволяет решить задачу увеличения числа одновременно обрабатываемых точек материала на базовой поверхности до десятков и сотен единиц с возможностью обработки каждой точки одновременно несколькими лучами. Для этого в установке, содержащей станину с квадратной или прямоугольной базовой поверхностью, многолучевой источник лазерного излучения и сканирующие лазерные головки, выходные окна этих головок устанавливают над вершинами условных квадратных или прямоугольных секторов базовой поверхности по числу лучей лазерного источника. Выходные окна размещают на высоте, определяемой по формуле h=d/tgα, где d - длина диагонали сектора, α - максимальный угол сканирования. При такой установке область сканирования лазерных головок охватывает по четыре сектора, исключая головки, установленные над границей базовой поверхности, что позволяет реализовать следующие варианты обработки материала на базовой поверхности:

- параллельная обработка одним лучом во всех секторах, как показано на фиг. 1 (заштрихованы одновременно обрабатываемые сектора);

- параллельная обработка двумя лучами в части секторов, как показано на фиг. 2;

- параллельная обработка тремя лучами в части секторов, как показано на фиг. 3;

- параллельная обработка четырьмя лучами в части секторов, как показано на фиг. 4.

Для коррекции ошибок юстировки лазерных головок между сканирующими головками и базовой поверхности может быть установлена жесткая рама с датчиками координатной сетки, позволяющими программными средствами компенсировать неточность юстировки лазерных сканирующих головок.

Таким образом, в компактной установке для лазерной обработки материалов обеспечивается одновременное использование большого количества пучков лазерного излучения, что позволяет многократно повысить производительность установки, допускающей изготовление изделий большого объема или одновременное изготовление большого числа изделий на одной установке с одинаковыми или различными режимами воздействия электромагнитного излучения на обрабатываемый материал.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 показаны сектора базовой поверхности, одновременно обрабатываемые одним лазерным лучом.

На фиг. 2 показаны сектора базовой поверхности, одновременно обрабатываемые двумя лазерными лучами.

На фиг. 3 показаны сектора базовой поверхности, одновременно обрабатываемые тремя лазерными лучами.

На фиг. 4 показаны сектора базовой поверхности, одновременно обрабатываемые четырьмя лазерными лучами.

На фиг. 5 показаны лазерные пластины с активной сердцевиной, имеющие различный профиль поперечного сечения.

На фиг. 6 показан многолучевой источник лазерного излучения.

На фиг. 7 показан многолучевой усилитель лазерного излучения.

На фиг. 8 показано размещение композитных лазерных пластин в многолучевом усилителе.

На фиг. 9 показан один ряд лазерных пластин с одной парой граней в форме параллелограмма.

На фиг. 10 показан один ряд лазерных пластин с увеличивающимся размером сердцевины.

На фиг. 11 показана пластина с дифракционной решеткой на торцевых узких гранях лазерных пластин.

На фиг. 12 показано устройство для обработки материалов с помощью многолучевого источника лазерного излучения.

На фиг. 13 показано устройство для обработки материалов с датчиками координатной сетки.

На фиг. 14 показана сдвоенная лазерная сканирующая головка.

Описание обозначений

1:	задающий генератор
2:	выходной пучок излучения задающего генератора
3:	расширитель лазерного излучения
4:	выходной пучок расширителя лазерного излучения
5:	массив выходных пучков многолучевого источника лазерного излучения
6:	выходной луч лазерного сканера
7:	многолучевой лазерный усилитель
8:	отражательная призма
9:	лазерный сканер
10:	лазерная пластина
11:	активная сердцевина
12:	ряд последовательно установленных лазерных пластин
13:	продольная узкая грань
14:	широкая грань
15:	дифракционная решетка
21:	теплоотводящая пластина
22:	коллектор охлаждающей жидкости
23:	штуцер
24:	сквозные отверстия для прокачки охлаждающей жидкости
25:	входная/выходная диафрагмы многолучевого лазерного усилителя.
31:	линейка лазерных диодов
32:	массив линеек лазерных диодов
91:	область сканирования
92:	зеркало
100:	станина
101:	базовая поверхность
102:	сетка квадратных или прямоугольных секторов
103:	координатная рама
104:	датчики координатной сетки.

Осуществление изобретения

Настоящее изобретение предлагает усовершенствованный многолучевой источник лазерного излучения, состоящий из задающего генератора, расширителя лазерного пучка и многоканального усилителя с общими системами накачки и охлаждения для всех параллельных каналов, использующий большое число композитных пластин, состоящих из неактивного оптического материала и встроенной в него активной сердцевины, вытянутой вдоль оси пластины. Эти пластины собраны в один или несколько параллельных рядов для получения большого числа интенсивных лазерных пучков с малой расходимостью и с высокой, и сверхвысокой мощностью.

Настоящее изобретение позволяет в компактной конструкции получить десятки и сотни мощных лазерных пучков с малой расходимостью.

Ниже приведено определение терминов, используемых в этом документе.

Термин композитная лазерная пластина относится к элементу, изготовленному из неактивного оптического материала, прозрачному для усиливаемого излучения и излучения накачки, со встроенной в него с глубоким оптическим контактом активной сердцевиной.

Термин активная сердцевина относится к вытянутой вдоль продольной оси части композитной лазерной пластины, которая изготовлена из оптического материала, состоящего из кристаллической или аморфной матрицы, легированной подходящими ионами, которые возбуждаются от накачки. Предпочтительными материалами являются:

алюмоиттриевый гранат (YAG), гадолиний-галлиевый гранат (GGG), гадолиний-

скандий-галлиевый гранат (GSGG), фторид иттрия-лития (YLF), ванадат иттрия,

фосфатное лазерное стекло, силикатное лазерное стекло, сапфир и другие.

Подходящие легирующие примеси для этих лазерных генерирующих сред включают в себя Ti, Cu, Со, Ni, Cr, Се, Pr, Nd, Sm, Eu, Yb, Но, Dy и Tm, но не ограничены ими.

Термин неактивный оптический материал относится к материалу, не содержащему легирующих добавок, предпочтительно тому же, что и материал активной сердцевины, или материалу с таким же или близким значением показателя преломления, если его величина не оговаривается особо.

Продольными узкими гранями пластины называются грани, которые параллельны продольной оси активной сердцевины. Торцевыми узкими гранями пластины называются грани, через которые проходит продольная ось активной сердцевины.

При реализации предлагаемого изобретения размер поперечного сечения активной сердцевины должен быть меньше толщины пластины. Форма поперечного сечения активной середины может быть круглой, эллипсообразной, прямоугольной, квадратной и т.п., как показано на фиг. 5. Способы изготовления таких пластин раскрыты, например, в патентах [3…6].

В одном из вариантов реализации многолучевого источника лазерного излучения, показанном на фиг. 6, многолучевой лазерный источник состоит из задающего генератора 1, расширителя лазерного пучка 2 и многоканального усилителя 7. Многоканальный усилитель 7, показанный на фиг. 7, включает в свой состав несколько массивов линеек лазерных диодов накачки 32 с системой охлаждения и драйверами системы электропитания (на фиг. 6 и 7 они не показаны), элементы системы теплоотвода 21, 22, 23 и многоканальный активный элемент, показанный на фиг. 8. Активный элемент представляет собой набор параллельно установленных рядов 12, состоящих из последовательности лазерных пластин 10, с соосными активными сердцевинами 11. Широкие грани смежных пластин в каждом ряду развернуты на 90 градусов по отношению друг к другу.

Многолучевой лазерный источник в этом варианте работает следующим образом.

Задающий генератор лазерного излучения 1 формирует тонкий, слабо расходящийся пучок электромагнитного излучения 2 с хорошим показателем качества в пределах М2=1,5…2 мм мрад. Это излучение поступает на вход расширителя 3. Широкий пучок излучения 4 с выхода расширителя 3 разделяется на фрагменты, проходя через диафрагмы 25 в первом коллекторе охлаждающей жидкости 22, которые раздельно усиливаются в многоканальном активном элементе. Усиленные пучки излучения 5 выводятся через диафрагмы 25 во втором коллекторе охлаждающей жидкости 22. Все широкие грани композитных лазерных пластин 10, составляющих активный элемент, находятся в тепловом контакте с теплоотводящими элементами 21, имеющими сквозные отверстия 24 для прокачки охлаждающей жидкости. Охлаждающая жидкость поступает под давлением во входной коллектор 22 через штуцер 23 и прокачивается через все соосные отверстия 24 в теплоотводящих элементах 21 к выходному коллектору 22, откуда нагретая жидкость через штуцер 23 отводится к чиллеру для охлаждения и повторного использования или утилизируется. Для накачки активной среды используются линейки лазерных диодов 31, собранные в массивы 32. Излучение накачки поступает в многоканальную активную среду через свободные продольные узкие грани пластин 10 и, благодаря полному внутреннему отражению, распространяется, постепенно поглощаясь материалом активной сердцевины 11, через несколько пластин 10, у которых продольные узкие грани имеют оптический контакт.

Для получения высококачественного излучения на выходе многолучевого лазерного источника, расширитель 3 должен обеспечить на своем выходе сохранение показателя качества пучка излучения 4 на уровне, близком к показателю качества выходного пучка 2 излучения задающего генератора. В этом случае расходимость излучения на входе многоканального усилителя по сравнению с расходимостью излучения на выходе задающего генератора уменьшается пропорционально отношению размеров сечений пучков на выходе 4 и входе 2 расширителя 3. Это означает, что на вход каждого из параллельных каналов усилителя 7 поступает излучение с практически плоским волновым фронтом.

Для получения высококачественного излучения на выходе многолучевого лазерного источника необходимо:

- минимизировать влияние термооптических эффектов в усилителе;

- уменьшить влияние дифракционных эффектов;

- устранить возможность распространения волноводных и других ненужных поперечных мод;

- устранить усиленное спонтанное и паразитные излучения.

Термооптические эффекты проявляются в основном в виде поперечного градиента показателя преломления и наведенного двулучепреломления. Поперечный градиент показателя преломления вызван неравномерным температурным полем, создаваемым в процессе отвода тепла от активных слоев, которые нагреваются в процессе накачки. При выходной мощности каждого луча 5 порядка 300 Вт, суммарной длине активных слоев 10 в одном канале усиления около 80 см и коэффициенте использования энергии накачки около 0,7, в одном погонном сантиметре активного слоя должна рассеиваться мощность, равная примерно 1,6 Вт. При использовании иттрий-аллюминиевого граната с теплопроводностью 0,14 Вт/см град.К, градиент температуры в поперечном сечении сердцевины можно приближенно оценить для одного погонного сантиметра, предположив, что все тепло поглощается на оси сердцевины, а рассеивается на ее поверхности, по формуле:

,

где δТ - градиент температурного поля, равный разности температур в центре и на поверхности круглой активной сердцевины;

р - мощность потока тепла, рассеиваемого с каждого погонного сантиметра активной сердцевины;

r - радиус сердцевины;

λ - коэффициент теплопроводности.

При таком градиенте изменение показателя преломления очень мало и практически не оказывает влияния на качество излучения.

Благодаря низким температурным градиентам и скрещенному размещению пластин 10 в каждом ряду 12, обеспечивающему компенсацию влияния наведенного двулучепреломления, этот эффект также практически не оказывает влияния на качество усиливаемого лазерного пучка.

При большой длине усилительного канала должно быть исключено влияние спонтанного и других паразитных излучений, включая блики от поверхностей оптических элементов, волноводные и ненужные поперечные моды. В предлагаемом варианте реализации изобретения это обеспечивается тем, что сквозной оптический канал существует в каждом ряду только в непосредственной близости от активной сердцевины. Благодаря тому, что смежные пластины развернуты по отношению друг к другу на 90 градусов, в оптическом контакте находятся только торцы активных сердцевин и прилегающая к ним небольшая часть остальной поверхности торца. Через оставшуюся часть рассеиваются все поперечные моды, кроме основной, а также излучения паразитной генерации и усиленного спонтанного излучения. Эта часть торцевых поверхностей пластин может иметь поглощающее покрытие для блокирования распространения любых излучений, распространяющихся под углом к оптическим осям рядов, из которых составлен многоканальный усилитель.

Эти меры не работают в пределах угловой апертуры, определяемой геометрией канала и разностью показателей преломления в поперечном сечении усилительного канала в соответствии с формулами:

α₁=d/L;

где:

d - размер сечения прозрачного усилительного канала;

L - длина канала;

n₁, n₂ - максимальный и минимальный показатели преломления в области поперечного сечения активной сердцевины.

Эта область оказывается достаточно узкой благодаря большому отношению длины и сечения каждого усилительного канала и малому температурному градиенту, поэтому плотность мощности вредных излучений в пределах указанной угловой апертуры может быть сделана достаточно низкой по сравнению с плотностью мощности излучения, поступающего на вход каналов из расширителя 4. Это создает условия доминирования полезной моды, в соответствии с правилом, по которому вероятность вынужденного излучения пропорциональна плотности мощности излучения, попадающего в возбужденную накачкой область активной среды.

Возможность достижения высокого качества мощного излучения на выходе многолучевого лазерного источника оправдывает значительные потери излучения задающего генератора, вызванные плохим коэффициентом использования сечения пучка 4, выходящего из расширителя 3. При мощности задающего генератора 1 в несколько десятков ватт и выходной мощности высококачественного излучения каждого из десятков каналов в несколько сотен ватт, этими потерями можно пренебречь.

Таким образом, в компактном многолучевом источнике лазерного излучения с общими для десятков и сотен каналов усиления системами накачки и охлаждения, за счет многократного расширения пучка излучения задающего генератора, блокирования распространения паразитного и спонтанного излучения и радикального снижения температурных градиентов, обеспечивается высокое качество каждого пучка многолучевого источника, что позволяет фокусировать излучение с помощью длиннофокусной оптики.

В другом варианте предлагаемого изобретения, для снижения влияния отражений от торцевых узких граней лазерные пластины, показанные на фиг. 9, изготовлены в виде скошенных параллелепипедов. В этом варианте часть пластин 10 в каждом ряду, например, четные, имеют широкую пару граней 14 в форме параллелограмма, а альтернативные пластины имеют продольную узкую пару граней 13 в форме параллелограмма, причем соответственные углы этих параллелограммов равны, а остальные грани пластин прямоугольные. Острый угол параллелограммов может быть равен углу Брюстера. Для устранения астигматизма, возникающего из-за наклонного падения лучей, на входе и выходе многоканального усилителя могут быть установлены оптические клинья, или соответствующую форму могут иметь пластины с торцевыми гранями, обращенными ко входу и выходу каждого канала.

В третьем варианте предлагаемого изобретения, для снижения влияния дифракционных эффектов за счет создания аподизирующего поперечного профиля усилительного канала, в каждом ряду размер поперечного сечения активной сердцевины 11 в лазерных пластинах 10 увеличивается по мере их приближения к выходу усилителя, как показано на фиг. 10.

В четвертом варианте предлагаемого изобретения для компенсации дисперсии групповых скоростей при усилении ультракоротких импульсов, все или часть, например, только одинаково ориентированные в пространстве пластины 10, имеют на каждой поперечной узкой грани прозрачную дифракционную решетку 15 с симметричным профилем штрихов, показанную на фиг. 11. Эта дифракционная решетка разделяет нормально падающее на нее излучение на спектральные составляющие, отклоняя их под разными углами в плоскости, перпендикулярной широким граням пластины, и они распространяются вдоль оптической оси активного ядра в виде симметричных волноводных мод благодаря полному внутреннему отражению от широких граней. Дифракционная решетка может быть выгравирована непосредственно на торцевых гранях пластины или на этой поверхности может быть установлена внешняя прозрачная решетка. Выгравированная дифракционная решетка работает в одном порядке дифракции, примерно также, как решетка типа эшелетт, только не в отраженных, а в проходящих лучах.

Для снижения поляризационных потерь при последовательном проходе через решетки с ортогональной ориентацией штрихов на четных и нечетных пластинах, дифракционные решетки должны быть устроены только на части пластин с одинаковой ориентацией граней или между четными и нечетными пластинами должны быть установлены кварцевые пластинки, поворачивающие плоскость поляризации на 90 градусов.

Один из вариантов реализации устройства для обработки материалов с помощью предлагаемого многолучевого источника лазерного излучения показан на фиг. 12. Устройство имеет в своем составе станину 100 с базовой поверхностью 101, сканирующие лазерные головки 9 с фокусирующей оптикой и многолучевой источник лазерного излучения, состоящий из задающего генератора 1, расширителя лазерного пучка 3 и многолучевого лазерного усилителя 7. С выхода усилителя 7 лазерное излучение в виде большого числа пучков 5 через отражательные призмы 8 поступает на входные окна лазерных сканирующих головок 9, аналогичные головкам типа L2H14X2 фирмы Cambridge Technology. Выходное излучение 6 этих головок направляется на базовую поверхность 101. Выходные окна лазерных головок устанавливаются над базовой поверхностью с перекрытием областей сканирования, обеспечивающим обработку материала, по крайней мере, двумя лучами 6. Например, сканирующие головки могут быть установлены над вершинами воображаемых квадратов или прямоугольников, условно разделяющих базовую поверхность на сектора по числу лучей лазерного источника, на высоте, определяемой по формуле h=d/tgα, где d - длина диагонали сектора, α - максимальный угол сканирования.

Предлагаемая установка лазерной обработки материалов при использовании, например, для лазерного спекания металлических порошков работает следующим образом.

Металлический порошок в количестве, необходимом для спекания одного слоя, насыпается на базовую поверхность 101, затем этот слой выравнивается и уплотняется. Формируется массив лазерных пучков 6, одновременно используемых для спекания различных участков обрабатываемого слоя. Происходит это следующим образом.

Задающий генератор лазерного излучения 1 формирует тонкий слабо расходящийся пучок электромагнитного излучения 2 с хорошим показателем качества. Это излучение поступает на вход расширителя 3. Широкий пучок излучения 4 с выхода расширителя 3 разделяется на фрагменты, проходя на вход многоканального усилителя 7 через диафрагмы 25 в первом коллекторе охлаждающей жидкости 22. Усиленные многоканальной активной средой пучки излучения 5 выводятся через диафрагмы 25 во втором коллекторе охлаждающей жидкости 22.

Сформированный таким образом многолучевой массив лазерных пучков 5 направляется на входные окна лазерных сканирующих головок 9 с помощью отражательных призм 8. Выходные окна сканирующих головок расположены над вершинами квадратных или прямоугольных секторов, которые условно разделяют базовую поверхность на отдельные сегменты, на высоте, определяемой по формуле: h=d/tgα, где d - длина диагонали сектора, α - максимальный угол сканирования. Как видно из фиг. 8, при таком расположении область сканирования 91 каждого луча 6 накрывает по четыре сектора, исключая лучи 6, выходящие из сканирующих головок, расположенных над внешней границей базовой поверхности 101.

В другом варианте установки для лазерной обработки материалов, показанном на фиг. 9, дополнительно используется жесткая координатная рама 103, с установленными на ее ребрах датчиками координатной сетки 104, позволяющими корректировать ошибки юстировки сканирующих головок, при этом ребра координатной рамы проходят над центрами квадратных секторов в периферийной зоне сканирования, не используемой для обработки материалов. В качестве чувствительной поверхности этих датчиков может быть использовано оптоволокно, сердцевина которого имеет размеры, обеспечивающие достаточную точность компенсации. Компенсация ошибок осуществляется программным способом с использованием методов триангуляции, например, так, как предложено в патентном источнике [7].

В третьем варианте установки для лазерной обработки материалов над вершинами квадратов, на которые разделена базовая поверхность, установлено по две или более сканирующих головок, как показано на фиг. 10, выходное излучение которых с помощью зеркал 92 направляется в общую зону базовой поверхности. При этом число секторов, на которые условно разделяется базовая поверхность, уменьшается пропорционально числу сканирующих головок, стоящих над каждой вершиной, и форма базовой поверхности может быть квадратной или прямоугольной.

Использованные источники

1. US 201301112672

2. US 7443903

3. US 6270604

4. US 5846638

5. US 6025060

6. US 6511571

7. US 7916375

8. Koechner, W., Solid-State Laser Engineering, Sixth Revised and Updated Edition, 2006, W.T. Rhodes et al., eds., Springer Science + Business Media.

1. Многолучевой источник лазерного излучения, содержащий задающий генератор и многоканальный усилитель, отличающийся тем, что

- между задающим генератором и многоканальным усилителем установлен расширитель, который увеличивает сечение лазерного пучка задающего генератора до размеров входной апертуры многоканального усилителя;

- многоканальный усилитель состоит из параллельных рядов, которые составлены из последовательно расположенных лазерных пластин;

- в каждом ряду лазерные пластины совмещены так, что их продольные оси лежат на одной прямой, образующей оптическую ось одного из каналов усиления;

- ряды лазерных пластин расположены с одинаковым шагом в вертикальном и горизонтальном направлениях;

- каждая лазерная пластина выполнена в форме прямоугольного параллелепипеда и содержит вытянутое вдоль продольной оси пластины ядро из активного материала и окружающую его с боковых сторон неактивную оболочку из оптического материала с показателем преломления, равным или близким показателю преломления активного материала;

- поперечный размер проекции ядра на широкую грань лазерной пластины меньше толщины упомянутой пластины;

- широкие грани нечетных пластин во всех рядах расположены горизонтально, широкие грани четных пластин расположены вертикально, а продольные узкие грани пластин, обращенные друг к другу в соседних рядах, оптически соединены между собой.

2. Многолучевой источник по п. 1, отличающийся тем, что активное ядро каждой лазерной пластины в каждом ряду выполнено с поперечным сечением, увеличивающимся по мере приближения к выходу усилителя

3. Многолучевой источник по п. 1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, часть лазерных пластин, одинаково ориентированных в пространстве, имеют на каждой поперечной узкой грани прозрачную дифракционную решетку с симметричным профилем штрихов с возможностью разделения нормально падающего на нее излучения на спектральные составляющие с отклонением их в плоскости, перпендикулярной широким граням пластины, и распространением их вдоль оптической оси активного ядра в виде симметричных волноводных мод за счет полного внутреннего отражения от широких граней, при этом в каждом ряду между пластинами, имеющими дифракционные решетки и по разному ориентированными в пространстве, установлены оптические элементы, выполненные с возможностью поворота плоскости поляризации усиливаемого излучения на 90 градусов.

4. Устройство для лазерной обработки материалов, содержащее:

- станину с базовой поверхностью;

- многолучевой источник лазерного излучения;

- сканирующие лазерные головки со встроенной фокусирующей оптикой, работающие под управлением компьютерной программы;

- зеркала или призмы, расположенные с возможностью направления одного из лучей многолучевого лазерного источника на упомянутые сканирующие лазерные головки,

отличающееся тем, что:

- многолучевой источник лазерного излучения выполнен в соответствии с п. 1;

- базовая поверхность станины поделена на квадратные или прямоугольные сектора в компьютерной программе, управляющей сканирующими лазерными головками;

- выходные окна сканирующих лазерных головок размещены над вершинами этих секторов на высоте h=d/tgα, где d - длина диагонали сектора, α - максимальный угол сканирования.

5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что оно снабжено координатной рамой со сквозными проемами, размещенной между базовой поверхностью станины и выходными окнами сканирующих лазерных головок, при этом сквозные проемы выполнены в форме секторов, а на ребрах координатной рамы установлены датчики координатной сетки, выполненные с возможностью корректировки ошибок юстировки лазерных сканирующих головок, при этом ребра координатной рамы расположены над центрами секторов и размещены в периферийной зоне сканирования, не используемой при обработке материала.