ES2313155T3 - Sistema para influir sobre la polarizacion de una radiacion laserica. - Google Patents

Abstract

Sistema (1; 1''; 1'''') para influir sobre la polarización de una radiación lasérica con ayuda de un espejo desfasador (5; 5''; 5'''') y un elemento (7; 7''; 7'''') que desvía la radiación lasérica, estando instalados el espejo desfasador (5; 5''; 5'''') en un lado exterior (4) de un primer cuerpo parcial (2; 2''; 2'''') y el elemento de desviación (7; 7''; 7'''') en un lado exterior (6) de un segundo cuerpo parcial (3; 3''; 3''''), y pudiendo girarse el primer cuerpo parcial (2; 2''; 2'''') y el segundo cuerpo parcial (3; 3''; 3'''') mediante un conjunto de giro alrededor de un eje común de giro (14) en un ángulo (alfa) que se puede predeterminar, caracterizado porque otros dos lados exteriores (8, 9; 8''''; 9'''') de los dos cuerpos parciales (2, 3; 2'', 3''; 2'''', 3'''') están dispuestos de modo desplazable uno enfrente del otro.

Description

Sistema para influir sobre la polarización de una radiación lasérica.

La presente invención se refiere a un sistema para influir sobre la polarización de una radiación lasérica con ayuda de un espejo desfasador y un elemento de desviación de la radiación lasérica, estando montados el espejo desfasador en el lado exterior de un primer cuerpo parcial y el elemento de desviación en un lado exterior de un segundo cuerpo parcial y pudiendo girar el primer y segundo cuerpo parcial por medio de una unidad de giro alrededor de un eje de giro común un ángulo de giro que se puede predefinir.

Un sistema de este tipo se conoce por la US-B1-6 342 981. Según la misma, una radiación incidente es reflejada por un reflector que tiene una capa de desfase aplicada sobre un sustrato, sobre un prisma también aplicado sobre el sustrato, prisma que sirve para desviar la radiación reflejada. La disposición de reflector y prisma puede girarse con ayuda de una unidad de giro alrededor de un eje de giro común.

Para un mecanizado de piezas independiente de la dirección, durante el corte por láser es necesario un alto grado de polarización circular de la radiación lasérica en el cabezal de corte de equipos de corte por láser. Sin embargo, la radiación lasérica que emerge de un resonador sin la utilización de elementos ópticos adicionales, normalmente está polarizada linealmente.

Por la DE 31 49 004 A1 se conoce el método de transformar una radicación lasérica de polarización lineal en una radiación lasérica de polarización circular. Para este fin se ha de utilizar una placa \lambda/4. La misma función también puede realizarla un espejo desfasador. Un espejo desfasador ideal genera con un ángulo de incidencia adecuado un desfasaje de 90º entre un componente de polarización (polarización s) orientado perpendicularmente a un plano de incidencia y un componente de polarización (polarización p) orientado paralelamente al plano de incidencia. Como plano de incidencia se entiende un plano formado por la normal a la superficie del espejo desfasador y un rayo láser incidente. Por el desfasaje de 90º se puede generar desde una polarización lineal una polarización circular (y viceversa).

La radiación lasérica de polarización circular generada con ayuda del elemento desfasador se refleja en un elemento que desvía la radiación lasérica, por ejemplo un espejo de desviación, antes de que la misma abandone el sistema para influir sobre la polarización. El espejo de desviación sirve, normalmente, para la orientación de la radiación lasérica emitida desde el sistema.

Entre la fuente láser y el cabezal de mecanizado se ha interpuesto un número cualquiera de elementos de desviación del rayo (espejos) en el recorrido del rayo, pudiendo posicionarse este sistema en este recorrido del rayo en un punto cualquiera. Los espejos tienen frecuentemente un recubrimiento dieléctrico que ha de impedir que se produzca en los mismos un desfasaje durante la reflexión. Sin embargo, no se puede evitar por completo que se presente un desfasaje de manera que la radiación lasérica recibida por el cabezal de corte ya no está polarizada circularmente en su totalidad.

Por la DE 4434504 se conoce un equipo de corte por láser en el que un primer espejo de desviación es un espejo desfasador de polarización circular y en el que un segundo hasta quinto espejo de desviación están dispuestos en el recorrido del rayo de manera que se pueden compensar desfasajes específicos para el espejo de desviación. Para compensar los desfasajes son necesarios aquí cuatro espejos de desviación.

Frente a esto, el objetivo de la presente invención consiste en desarrollar un sistema del tipo arriba mencionado en el sentido de que se puede conseguir una compensación de desfasajes con utilización de la menor cantidad posible de elementos ópticos.

Este objetivo se alcanza según la invención con un sistema del tipo arriba mencionado en el que otros dos lados exteriores de los dos cuerpos parciales están dispuestos enfrentados entre sí de modo desplazable. Los cuerpos parciales pueden ser cuerpos enteros, por ejemplo de aluminio, con aberturas y canales de conducción del rayo o cuerpos transparentes.

Con el sistema según la invención se puede optimizar esencialmente el grado de polarización circular sin que sean necesarios elementos ópticos adicionales. Especialmente es posible corregir los desfases de los espejos de desviación pre- y posconectados (en su suma).

Según el ángulo de incidencia de la radiación lasérica que impacta sobre el espejo desfasador, el mismo provoca un desplazamiento de fases según el tipo del recubrimiento de desfasaje de manera que con una radiación lasérica incidente de polarización lineal se puede obtener una radiación lasérica emergente de polarización circular. La compensación de la desviación de fases de los distintos espejos de desviación que conduce a que el cabezal de corte no recibe una radiación lasérica de polarización circular total, se realiza a través del ajuste del ángulo de giro de todo el sistema según la invención.

Con el tipo constructivo del sistema se asegura que con el giro siguen constantes las direcciones de la radiación lasérica incidente y emergente. Para compensar una desalineación del rayo se produce un desplazamiento del primer cuerpo parcial con relación al segundo cuerpo parcial. Así se garantiza que la radiación lasérica emergente mantiene tanto su dirección como también su posición si la optimización de la polarización se realiza mediante el giro. Los canales conductores del rayo existentes en los cuerpos parciales para la radiación lasérica pueden tener aquí un recorrido paralelo para la radiación lasérica incidente y emergente y estar desplazados en una magnitud predeterminable, o pueden estar dispuestos mutuamente con un ángulo de 90º para la radiación lasérica incidente y emergente.

La invención también se realiza en una instalación de mecanizado por láser con una conducción para el rayo láser en la que se ha dispuesto un sistema según se describe más arriba.

En un tipo de ejecución ventajoso, el eje de giro está orientado perpendicularmente a un plano de incidencia de la luz del espejo de desfasaje. El plano de incidencia de la luz queda determinado por la dirección de la radiación lasérica incidente y la dirección de la normal al espejo de desfasaje. Mediante esta disposición del ángulo de giro se asegura que la radiación lasérica sigue en el plano de incidencia del espejo de desfasaje incluso después de la reflexión también con un giro alrededor del eje de giro.

En un tipo de ejecución ventajoso, el espejo de desviación y el espejo desfasador están dispuestos de manera que la radiación lasérica incidente y emergente se producen paralelamente y con un desplazamiento mutuo en una magnitud predeterminable.

En un desarrollo preferido de este tipo de ejecución, el espejo de desviación y el espejo desfasador están dispuestos de modo que la radiación lasérica incidente y emergente se producen paralelamente pero en dirección opuesta.

En un tipo de ejecución alternativo, el espejo de desviación y el espejo desfasador están dispuestos de forma que se produce una desviación de la radiación lasérica emergente de 90º si se compara con la radiación lasérica incidente.

Con ayuda de los dibujos esquemáticos, se explican tres ejemplos de ejecución preferidos de la invención. Los dibujos muestran:

Las figuras 1a y 1b, un primer tipo de ejecución de un sistema para la optimización de la polarización con un espejo de desviación dispuesto paralelamente a un espejo desfasador, visto desde el frente y visto desde el lado.

La figura 2, un segundo tipo de ejecución de un sistema para la optimización de la polarización con un espejo de desviación dispuesto perpendicularmente a un espejo desfasador.

Las figuras 3a y 3b, un tercer tipo de ejecución de un sistema para la optimización de la polarización con un espejo de desviación dispuesto en ángulo frente al espejo desfasador, visto desde el frente y visto desde el lado.

La figura 4, un equipo de corte por láser.

La figura 1a muestra una vista frontal en el plano (X,Y) y la figura 1b una vista lateral en el plano (Y, Z) del sistema 1 para influir sobre la polarización de una radiación lasérica como se puede utilizar en un equipo de corte por láser representado gráficamente en la figura 4. El sistema 1 tiene un primer cuerpo parcial 2 y un segundo cuerpo parcial 3 con canales conductores de rayos. El primer cuerpo parcial 2 tiene en su lado exterior 4 un espejo desfasador 5. El segundo cuerpo parcial 3 tiene en su lado exterior 6 un espejo de desviación 7. Un lado exterior 8 del primer cuerpo parcial 2 y un lado exterior 9 del segundo cuerpo parcial 3 están dispuestos de modo desplazable a lo largo de un plano común.

Un rayo láser 10 incide perpendicularmente a una superficie de incidencia de rayo 11 del primer cuerpo parcial 2 y es desviado 90º en dirección hacia el espejo de desviación 7 por el espejo desfasador 5 dispuesto con un ángulo de 45º con relación a la superficie de incidencia del rayo. En el espejo de desviación se desvía de nuevo el rayo láser 10 90º en el plano (X,Y) y emerge en un ángulo recto por una superficie de emergencia de rayo 12 del segundo cuerpo parcial 3, paralela a la superficie de incidencia de rayo 11 del primer cuerpo parcial 2, superficie de emergencia del rayo 12 que está dispuesta con un ángulo de 45º con relación al espejo de desviación 7. El rayo láser 10 mantiene su orientación al pasar a través del sistema 1 siendo desplazado en dirección Y en una magnitud predeterminada por el tipo constructivo del sistema 1. La disposición del espejo de desviación 7 y del espejo desfasador 5 puede también ser inversa con relación a la dirección del rayo.

En el sistema mostrado en la figura 1 el rayo láser 10 tiene (en gran medida) polarización lineal antes de la reflexión en el espejo desfasador 5, es decir con una dirección de polarización 13 orientada con un ángulo de 45º con relación al plano (X, Y). Para obtener después de la reflexión en el espejo desfasador 5 una polarización circular, la magnitud de la intensidad del campo de la fuente de luz eléctrica del rayo incidente perpendicular al plano de incidencia (polarización s) ha de ser la misma que la magnitud paralelamente al eje de incidencia (polarización p) lo que se puede garantizar por la orientación de la dirección de polarización 13 con un ángulo de 45º frente al plano de incidencia.

El espejo desfasador 5 está dispuesto con un ángulo de 45º con relación al rayo láser 10 incidente y tiene una característica de desfasaje en función del ángulo de incidencia que causa una desviación de fase de 90º con un ángulo de incidencia de 45º. El sistema 1, como se muestra en la figura 1, sirve, por lo tanto, para la transformación de un rayo láser incidente 10 de polarización lineal en un rayo láser emergente de polarización circular por la reflexión en el espejo de desfasaje 5.

La finalidad del sistema 1 consiste ahora en ajustar las desviaciones de la polarización circular del rayo láser 10 que abandona el sistema 1, de manera que junto con las desviaciones de los demás espejos de desviación de la conducción del rayo se recibe una calidad óptimamente posible de la polarización circular en el cabezal de mecanizado por láser (cabezal de corte por láser). Estas desviaciones pueden producirse, por ejemplo, por el desplazamiento de fases en los espejos de desviación. La desviación de la polarización circular puede detectarse por medio de un sensor óptico adecuado en un cabezal de corte de la instalación de corte por láser representado gráficamente en la figura 4.

Para corregir los campos de fases es necesario modificar el ángulo de incidencia con el que impacta el rayo láser 10 sobre el espejo desfasador 5. Esto pretende realizarse por un giro alrededor de un eje de giro 14 orientado perpendicularmente al plano de incidencia (plano (X, Y)) del rayo láser 10 sobre el espejo desfasador 5 (es decir en dirección Z). El eje de giro 14 discurre en la figura 1 por debajo del centro del espejo desfasador en forma de disco, sin embargo también puede desplazarse a cualquier otro punto a lo largo de la dirección Y. El eje de giro no ha de pasar forzosamente a través del centro.

Mediante el giro alrededor del eje de giro 14 se gira todo el sistema 1 en un ángulo de giro \alpha. Por el giro se modifica el ángulo de incidencia del rayo láser 10 y, por lo tanto, el desplazamiento de fase provocado por el espejo desfasador 5, desplazamiento que depende del tipo de recubrimiento. De una estimación resulta que los ángulos de giro necesarios \alpha se mueven en un rango inferior a 2º.

Por la orientación paralela del espejo desfasador 5 y del espejo de desviación 7, la dirección del rayo láser 10 en la salida del sistema 1 es idéntica a la dirección en la entrada. Un desplazamiento del rayo, como el que existe en el sistema sin giro 1, que sobrepasa el desplazamiento en dirección Y, es provocado por el giro alrededor del ángulo de giro \alpha. Este desplazamiento del rayo puede compensarse por un desplazamiento del primer cuerpo parcial 2 relativo al segundo cuerpo parcial 3 a lo largo de un plano en dirección (X, Z) formado por los dos lados exteriores 8, 9 adyacentes del sistema 1. Así se garantiza que se produce una optimización de la polarización sin que se modifique la posición y la orientación del rayo láser 10 emergente.

Queremos señalar, además, que, naturalmente, se pueden intercambiar las direcciones de incidencia y emergencia del rayo, y que también es posible una configuración especular del sistema 1.

La figura 2 muestra un sistema 1' que corresponde en su diseño y modo funcional al sistema 1. Un primer cuerpo parcial 2' tiene un espejo desfasador 5', un segundo cuerpo parcial 3' un espejo de desviación 7'. Una superficie de impacto del rayo 11' del primer cuerpo parcial 2' y una superficie de emisión del rayo 12' del segundo cuerpo parcial 3' están situadas en un plano común. La dirección de salida de un rayo láser 10' del sistema es aquí opuesta a la dirección de entrada del rayo.

La figura 3a muestra una vista frontal en el plano (X, Z) y la figura 3b una vista lateral en el plano (Y, Z) de un sistema 1'' para la optimización de la polarización en el que la dirección de incidencia de un rayo láser 10'' está dispuesta perpendicularmente a una dirección de entrada del rayo. La entrada del rayo láser 10'' en un primer cuerpo parcial 2'' del sistema 1'' se produce en dirección X perpendicularmente a la superficie de entrada del rayo 11'' del primer cuerpo parcial. El rayo láser 10'' tiene una polarización linear antes de la reflexión en un espejo de desfasaje 5'', es decir con una orientación de polarización 13'' en dirección Z. Como alternativa, el rayo láser 10'' también podría estar polarizado en dirección Y (según se indica por la flecha doble entre paréntesis). La normal a la superficie del espejo desfasador 5'' está girada un ángulo de 45º con relación al plano (Y, Z). El rayo láser 10'' que impacta sobre el espejo desfasador 5'' en dirección X es reflejado por el mismo al plano (Y, Z) e impacta sobre un espejo de desviación 7'' instalado en un lado exterior de un segundo cuerpo parcial 3''. El rayo láser 10'' es desviado por el espejo de desviación 7'', cuya normal de superficie también queda situada en el plano (Y, Z), en dirección Z y sale del sistema 1'' por una superficie de salida del rayo 12'' del segundo cuerpo parcial 3''.

El giro alrededor del ángulo \alpha se produce de modo análogo al de las figuras 1 y 2 alrededor de un eje de giro 14'' orientado perpendicularmente al plano de incidencia del espejo desfasador 5'', no estando prefijada la posición del eje de giro. En un plano formado por un lado exterior 8'' del primer cuerpo parcial 2'' y un lado exterior 9'' adyacente del segundo cuerpo parcial 3'' es posible desplazar el primer cuerpo parcial 2'' con relación al segundo cuerpo parcial 3'' para corregir un desplazamiento del rayo producido por el giro alrededor del ángulo \alpha.

Naturalmente, también es posible realizar sistemas que ajustan un grado de polarización diferente al circular en el cabezal de corte, operando el espejo desfasador bajo otro ángulo de incidencia. Mediante los equipos de medición óptica adecuados en la posición del cabezal de corte acabado es posible ajustar por primera vez al iniciar el servicio de la instalación de corte por láser el desplazamiento de fases provocado por espejos de desviación. Como alternativa, también es posible utilizar el resultado de medición para el ajuste del desplazamiento de fases en un circuito de regulación de manera que se pueden compensar los desplazamientos de fase que se originan durante la operación de la instalación de corte por láser, por ejemplo por cambios de temperatura. El giro del sistema alrededor del eje de giro y el desplazamiento mutuo de los cuerpos parciales se realizan mediante adecuadas unidades de giro y unidades de desplazamiento respectivamente, como las conocidas por el especialista en el campo de la óptica.

En la figura 4 se puede ver la configuración de una instalación de mecanizado por láser 21 para el corte con rayo láser de CO_{2} 22, un cabezal de mecanizado por láser 24 y un apoyo de pieza a mecanizar 25. Un rayo láser 26 generado es conducido con ayuda de espejos de desviación hasta el cabezal de mecanizado por láser 24 y dirigido hacia una pieza a mecanizar 28 con ayuda de espejos. El sistema según la invención puede instalarse en cualquier punto dentro de la conducción del rayo láser 26.

Antes de que se produzca una línea de corte continua es necesario que el rayo láser 26 penetre a través de la pieza a mecanizar 28. La chapa ha de fundirse u oxidarse en un punto y es necesario limpiar la masa fundida mediante soplado.

Al punzonar lentamente con una rampa es posible aumentar y reducir poco a poco y mantener constante durante un determinado período la potencia del láser hasta haber realizado el agujero de punzonado. Tanto el punzonado como también el corte por láser son apoyados por el aporte de un gas. Como gases para el corte 29 pueden utilizarse oxígeno, nitrógeno, aire comprimido y/o gases específicos para la finalidad. El gas que se utiliza finalmente depende de los materiales que se han de cortar y de las exigencias de calidad de la pieza a mecanizar.

En el punto en el que impacta el rayo láser 26 sobre la chapa se funde el material y se oxida en su mayor parte. La masa fundida producida es eliminada por soplado junto con los óxidos de hierro. Las partículas y gases que se producen pueden aspirarse con ayuda de un dispositivo de aspiración 30 desde una cámara de aspiración.

Claims (8)

1. Sistema (1; 1'; 1'') para influir sobre la polarización de una radiación lasérica con ayuda de un espejo desfasador (5; 5'; 5'') y un elemento (7; 7'; 7'') que desvía la radiación lasérica, estando instalados el espejo desfasador (5; 5'; 5'') en un lado exterior (4) de un primer cuerpo parcial (2; 2'; 2'') y el elemento de desviación (7; 7'; 7'') en un lado exterior (6) de un segundo cuerpo parcial (3; 3'; 3''), y pudiendo girarse el primer cuerpo parcial (2; 2'; 2'') y el segundo cuerpo parcial (3; 3'; 3'') mediante un conjunto de giro alrededor de un eje común de giro (14) en un ángulo (\alpha) que se puede predeterminar, caracterizado porque otros dos lados exteriores (8, 9; 8''; 9'') de los dos cuerpos parciales (2, 3; 2', 3'; 2'', 3'') están dispuestos de modo desplazable uno enfrente del otro.

2. Sistema según la reivindicación 1, caracterizado porque existen canales de conducción del rayo en los cuerpos parciales (2, 3; 2', 3') para la radiación lasérica de impacto y emergente (10, 10') que tienen un recorrido paralelo y desplazado entre sí una magnitud que se puede especificar.

3. Sistema según la reivindicación 1, caracterizado porque se han dispuesto canales de conducción del rayo en los cuerpos parciales (2''; 3'') para radiación lasérica (10'') impactante y emergente formando un ángulo de 90º entre sí.

4. Instalación de mecanizado por láser (21) con una conducción para un rayo láser (26), en la que se ha dispuesto un sistema según una de las reivindicaciones 1 a 3.

5. Instalación de mecanizado por láser según la reivindicación 4, caracterizada porque el eje de giro (14; 14'') está orientado perpendicularmente a un plano de impacto de la luz del espejo desfasador (5; 5'; 5'').

6. Instalación de mecanizado por láser según la reivindicación 4 ó 5, caracterizada porque el elemento de desviación (7) y el espejo desfasador (5) están dispuestos de manera que la radiación lasérica (10, 10') incidente y emergente tienen un recorrido paralelo y desplazado entre sí una magnitud que se puede predeterminar.

7. Instalación de mecanizado por láser según una de las reivindicaciones 4 a 6, caracterizada porque el elemento de desviación (7') y el espejo desfasador (5') están dispuestos de manera que la radiación lasérica incidente y emergente (10') tiene un recorrido paralelo mutuo y en dirección opuesta.

8. Instalación de mecanizado por láser según la reivindicación 4 ó 5, caracterizada porque el elemento de desviación (7'') y el espejo desfasador (5'') están dispuestos de manera que se consigue una desviación de la radiación lasérica emergente en 90º si se compara con la radiación lasérica incidente.