PL172007B1

PL172007B1 - Sposób i urzadzenie do grawerowania walcowych szablonów PL PL PL

Info

Publication number: PL172007B1
Application number: PL93300516A
Authority: PL
Inventors: Jakob Achreiner
Original assignee: Schablonentechnik Kufstein Ag
Priority date: 1992-09-28
Filing date: 1993-09-27
Publication date: 1997-07-31
Also published as: US5443676A; CZ282088B6; PL300516A1; ATE134927T1; JP2506556B2; ES2086039T3; EP0591559B1; CN1085157A; CN1031123C; HU217492B; JPH06206295A; US5378509A; HUT65959A; EP0591559A1; HU9302301D0; DE59205616D1; CZ196993A3

Abstract

1. Sposób grawerowania walcowych szablonów za p o- moca promienia laserowego, przy którym warstwa lakieru znaj- dujaca s i e na pow ierzchni obracajacego sie m etalow ego rurowego cylindra, usuwana jest w okreslonych obszarach wzoru, znam ienny tym, ze warstwe lakieru (8a) usuwa sie na obsza- rach wzoru przy ciagle wlaczonym prom ieniowaniu laserowym (4), przy czym promien laserowy (4) przy koncu kazdego ob - szaru wzoru wylacza sie na okres czasu 12 µ s do 30 µ s, a prom ieniow anie odbite od m etalowego cylindra (8) na droge przebiegu promienia laserowego (4) odprowadza sie z tej drogi promienia laserowego. 6. U rzadzenie do grawerowania walcowych szablonów ze stanowiskiem obróbkowym, które zawiera co najmniej jedno urzadzenie mocujace do czolowego ulozyskowania metalowego cylindra oraz urzadzenie napedowe do obrotu metalowego cylin- dra wokól jego osi, a takze obróbkowy zespól posuwowy po- ruszajacy s ie rów n olegle do osi cylindra, który zawiera zwierciadlo odchylajace, laser gazowy do wytwarzania promienia laserowego odchylanego przez zwierciadlo odchylajace, oraz ma urzadzenie sterujace do sterowania urzadzeniem napedowym, przesuwu zespolu posuwowego i lasera gazowego, znam ienne tym, ze na drodze promienia, pomiedzy polaiyzatorem (3 ,3 8 ) i zwierciadlem odchylajacym (6), umieszczony jest przesuwnik fazowy (25) obracajacy plaszczyzne drgan promieniowania od- bitego od metalowego cylindra (8) o kat 90 wzgledem plaszczy- zny drgan promienia laserowego (4) wysylanego przez laser gazowy (1).Sposób i urzadzenie do grawerowania walcowych szablonów PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób i urządzenie do grawerowania walcowych szablonów za pomocą promienia laserowego.

Szablony grawerowane sposobem według wynalazku służą do drukowania tekstylnych lub papierowych taśm zabezpieczających. W tym celu do wnętrza szablonu doprowadzana jest kolorowa pasta, która za pomocą rakli przeciskana jest przez otwory wygrawerowane w powierzchni szablonu.

Przy wytwarzaniu walcowych szablonów wychodzi się zwykle z metalowego rurowego cylindra, który na swej zewnętrznej powierzchni pokryty jest cienką warstwą organicznego lakieru i ma bardzo cienką ściankę. Metalowy cylinder posiada wielką ilość małych i blisko siebie położonych przelotowych otworów, które są szczelnie zamknięte organicznym lakierem. Dla wytworzenia wzoru, metalowy cylinder, który ma postać metalowego sita, mocujące się na obu końcach w urządzeniu podobnym do tokarki, i obraca się w nim dokładnie wokół jego osi wzdłużnej. Promień laserowy wprowadza się równolegle do osi wzdłużnej cylindra, dzięki czemu jest on tak odchylony przez zwierciadło odchylające poruszane równolegle do osi, że przebiega następnie prostopadłe do powierzchni bocznej cylindra. Promień laserowy jest tak ogniskowany za pomocą układu soczewek, że punkt ogniskowy o bardzo małej średnicy powstaje dokładnie na powierzchni bocznej cylindra. Gdy promień laserowy zostaje włączony, to organiczny lakier usuwany jest przez odparowanie, odpowiednio do zadanego wzoru, przy czym promień laserowy prowadzony jest w kierunku osiowym cylindra, a jednocześnie cylinder obraca się. W obszarach gdzie lakier został usunięty, a które będą nazywane obszarami wzoru, przelotowe otwory w rurowym cylindrze są odsłonięte tak, że w późniejszym stadium, można przez nie przeciskać lepki ośrodek, na przykład barwnik drukarski w postaci pasły.

Do wytwarzania promienia laserowego stosuje się zwykle gazowy laser mocy, który na ogół jako ośrodek laserujący zawiera dwutlenek węgla. Gdy tego rodzaju laser zostaje wyłączony, to stosownie do długości czasu wyłączania uzyskuje się różne przebiegi energii promienia laserowego. Długość czasu wyłączania zależy przy tym głownie od składu gazu ośrodka laserującego. Przy nieprawidłowym doborze czasu wyłączania istnieje duże niebezpieczeństwo, że powstanie wzór o strukturze krawędzi, których ostrość nie odpowiada dzisiejszym wymaganiom.

Poza tym, zastosowana do usuwania warstwy lakieru energia promieniowania laserowego, dobierana jest zawsze nieco wyższa od tej, jaka byłaby wystarczająca do odparowania lakieru. Nadwyżka energii odbijana jest przy tym od metalowej powierzchni sitowej znajdującej się pod lakierem. Prowadzi to do tego, że laser gazowy nie może być załączany ponownie w sposób pewny.

Gazowy laser na CO2 o odpowiedniej mocy, pompowany jest najczęściej za pomocą elektrodynamicznych pól stałych lub zmiennych. W przypadku pompowania prądem stałym, elektrody umieszczone są w strumieniu gazu, a wysyłanie promienia laserowego wymuszane jest przez załączanie, względnie wyłączanie napięcia stałego o wielkości wielu kilowoltów. W przypadku pompowania prądem zmiennym, elektrody umieszczone są równolegle do strumienia gazu, poza szklaną rurą otaczającą ten gaz, a pole przenika, prostopadle do osi rury, przez jej ściankę, i to z częstotliwością od kilkuset kHz do 50 MHz.

172 007

Warunkiem powstania akcji laserowej jest to, że gaz w laserze gromadzi energię na metastabilnym poziomie energetycznym, co jednak ma tę wadę, że w gazie również po wyłączeniu elektrycznego pompowania, pozostaje zgromadzona utajona energia tak, że zwłaszcza w niniejszym przypadku, promieniowanie resztkowe odbite od powierzchni metalowego cylindra, może spowodować wyładowanie metastabilnego poziomu energetycznego już po wyłączeniu elektrycznego pompowania. Powoduje to bardziej nierównomierne wyłączanie promienia laserowego tak, że krawędzie grawury są przez to bardzo niedokładne.

Również podczas okresu elektrycznego załączenia lasera, a więc w okresie czasu elektrycznego pompowania, wspomniane odbicia prowadzą do niepożądanych wysokich i bardzo krótkich impulsów mocy promieniowania laserowego, które w pewnych warunkach mogą spowodować zniszczenie powierzchni metalowego sita. Obserwuje się również pulsujące zmiany szerokości linii grawury utworzonej przez zogniskowany promień laserowy. Ponieważ zjawiska te powodują nie tylko gorszą jakość grawury, lecz również utratę wytrzymałości podłoża bazowego, usiłuje się je wyeliminować.

Przedmiotem wynalazku jest sposób grawerowania walcowych szablonów za pomocą promienia laserowego, przy którym warstwa lakieru znajdująca się na powierzchni obracającego się metalowego rurowego cylindra, usuwana jest w określonych obszarach wzoru, który charakteryzuje się tym, że warstwę lakieru usuwa się na obszarach wzoru przy ciągle włączonym promieniowaniu laserowym, przy czym promień laserowy przy końcu każdego obszaru wzoru wyłącza się na okres czasu 12 μs do 30 μs, a promieniowanie odbite od metalowego cylindra na drogę przebiegu laserowego, odprowadza się z tej drogi promienia laserowego.

Korzystnie okres czasu służący do wyłączania promienia laserowego nastawia się poprzez zmianę składu gazu stanowiącego ośrodek laserujący lasera.

Promień laserowy wyłącza się przed osiągnięciem końca danego obszaru wzoru, wcześniej, o czas zależny od okresu czasu wyłączania, przy czy warstwę lakieru usuwa się za pomocą lasera mocy o mocy około 1 kW.

Promień laserowy najpierw polaryzuje się liniowo, następnie przepuszcza się przez następny filtr polaryzujący, po czym dzieli się na dwie składowe o jednakowej wielkości, położone względem siebie prostopadle, które przed dotarciem do warstwy lakieru przesunięte zostają względem siebie w fazie o kąt 90°.

Przedmiotem wynalazku jest również urządzenie do grawerowania walcowych szablonów ze stanowiskiem obróbkowym, które zawiera co najmniej jedno urządzenie mocujące do czołowego ułożyskowania metalowego cylindra, oraz urządzenie napędowe do obrotu metalowego cylindra wokół osi, a także obróbkowy zespół posuwowy poruszający się równolegle do osi cylindra, który zawiera zwierciadło odchylające, laser gazowy, do wytwarzania promienia laserowego, odchylanego przez zwierciadło odchylające, oraz ma urządzenie sterujące do sterowania urządzeniem napędowym przesuwu zespołu posuwowego i lasera gazowego.

Urządzenie według wynalazku charakteryzuje się tym, że na drodze promienia, pomiędzy polaryzatorem i zwierciadłem odchylającym, umieszczony jest przesuwnik fazowy obracający płaszczyznę drgań promieniowania odbitego od metalowego cylindra o kąt 90° względem drgań promienia laserowego wysyłanego przez laser gazowy.

Korzystnie laser gazowy ustawiony jest równolegle do osi cylindra, przy czym istnieją dwa zwierciadła odchylające do odchylania promienia laserowego do zwierciadła odchylającego, a przesuwnik fazowy obracający płaszczyznę drgań umieszczony jest pomiędzy oboma zwierciadłami odchylającymi.

Zwierciadło odchylające, na które najpierw pada promień laserowy, wykonane jest jako polaryzator cienkowarstwowy, a przesuwnik obracający płaszczyznę drgań, posiada cztery zwierciadła odchylające umieszczone kolejno na drodze promienia, z których jedno wykonane jest jako przesuwnik fazowy A/4.

172 007

Przesuwnik fazowy obracający płaszczyznę drgań, na drodze ma umieszczone kolejno, dielektryczną płaską płytkę ustawioną pod kątem Brewstera, posiadającą wysoki współczynnik załamania, oraz dwójłomną krystaliczną płytkę, przy czym przesuwnik fazowy obracający płaszczyznę drgań, zamontowany jest na belce łączącej ze sobą zwierciadła odchylające, a urządzenie sterujące zawiera środki nastawcze do ustawiania składu gazu lasera gazowego.

Okazało się, że za pomocą rozwiązania według wynalazku można uzyskać wzory o bardzo ostrej strukturze krawędzi, względnie bardzo dokładnych krawędziach grawury, jeżeli prędkości powierzchniowe obracającego się metalowego sita będą znajdowały się w zakresie > 2 m/sek., maksymalnie 12 do 13 m/sek. W ten sposób dla promienia laserowego włączonego stale w obszarze wzoru, uzyskuje się bardzo dobrą stabilizację energii tak, że przy wyłączeniu promienie laserowego, na krawędzi struktury wzoru energia zawsze spada od swej wartości maksymalnej, co prowadzi do skokowej zmiany energii, a tym samym do ostrzejszej struktury krawędzi. Krótkie czasy wyłączania znajdujące się w zakresie 12 μ s do 30 μ s, powodują bardzo gwałtowny spadek energii promienia laserowego, przez co, przy wybranych prędkościach obrotowych metalowego sita o kształcie cylindra, nie powstaje wadliwie rozmywanie się struktury. Przez odprowadzania promieniowania odbijanego przez metalowy cylinder, możliwe jest również pewne wyłączanie lasera, co również przyczynia się do poprawy krawędzi grawury.

Ponieważ promieniowanie odbite od obrabianego miejsca ma być powstrzymane przez ten polaryzator (analizator) przed ponownym wejściem do rezonatora lasera, w następującym przebiegu promienia laserowego znajduje się układ przesuwnika fazowego, który zawiera dwie jednakowej wielkości i prostopadłe względem siebie składowe liniowo spolaryzowanego promieniowania laserowego, przy każdym przejściu przesuwu w fazie względem siebie o ćwierć długości fali. Polaryzator w odniesieniu do kierunku promieniowania i położenia płaszczyzny polaryzacji promieniowania wychodzącego z lasera i kierowanego do miejsca obróbczego, tak jest umieszczony przestrzennie, że promieniowanie to dociera do miejsca obróbki bardzo mało osłabione. Ten ostatni warunek odnosi się również do wszystkich kolejnych elementów konstrukcyjnych urządzenia, które uczestniczą w dalszym prowadzeniu względnie przesyłaniu promienia laserowego. Warunki te mogą być spełnione szczególnie dobrze, gdy stosuje się elementy zbudowane z cienkich warstw dielektrycznych. Takie elementy mogą być wytwarzane zarówno dla polaryzacji jak i dla przesyłania i odbijania i mają tę zaletę, że bardzo dobry stopień przesyłania i odbijania uzyskuje się wtedy, gdy znajdują się one we właściwym położeniu przestrzennym względem kierunku padania promieniowania i względem kierunku polaryzacji.

Układ przesuwnika fazowego znajdujący się za polaryzatorem, składa się z wielu zwierciadeł odchylających, które posiadają różniącą się budowę warstwową. Pierwsze zwierciadło odchylające układu tak jest umieszczone, że płaszczyzna padania utworzona przez kierunek promienia i kierunek normalny do powierzchni zwierciadła, tworzy z płaszczyzną polaryzacji promienia laserowego kąt azymutalny korzystnie wynoszący 45°C. W ten sposób kierunek polaryzacji promienia laserowego został rozszczepiony na falę świetlną (fala r) równoległą do płaszczyzny padania, i na falę świetlną (fala p) prostopadłą do niej. Przez różniące się grubości poszczególnych cienkich warstw uzyskuje się różne przesunięcia fazowe fali r i fali p przy odbijaniu się ich od zwierciadeł odchylających. W przykładzie wykonania stosuje się kombinację zwierciadła A/4 z trzema zwierciadłami A/0. Przy odbijaniu od zwierciadła A/4, fala r zostaje przesunięta w czasie względem fali p o kąt fazowy 90°, to znaczy o ćwierć długości fali. Odbicie na zwierciadle A/0 zachodzi w ten sposób, że nie występuje żadne przesunięcie fazowe pomiędzy falą r i falą p. Geometryczna lub konstrukcyjna kolejność, w jakiej u mieszczone są z^wii^it^iat^ła A/0 i zwierciadło A/4, nie ma znaczenia. Zamiast zwierciadła A/4 można użyć dwóch zwierciadeł A/8, z których każde powoduje wzajemne przesunięcie fazowe wspomnianych rodzajów fal o jedną ósmą długości fali, przez co uzyskuje się całkowite przesunięcie o jedną czwartą długości fali.

172 007

Przesuwnik fazowy, z promienia laserowego spolaryzowanego liniowo wytwarza promień laserowy spolaryzowany kołowo lub eliptycznie. Jest on następnie kierowany na grawerowaną powierzchnię szablonu przez zwierciadła λ/0, przewidziane w dowolnej liczbie i ogniskowany jest na niej za pomocą układu optycznego. Promień odbity ewentualnie prostopadle od metalowej powierzchni, przechodzi ponownie przez przesuwnik fazowy, a przy tym skierowanym wstecznie przechodzeniu przez przesuwnik fazowy następuje dalsze przemieszczenie położenia fazowego fali r względem fali p, ponownie 0 kąt fazowy 90° względnie o ćwierć długości fali. Na skutek występującego teraz przesunięcia fazowego wynoszącego 180°, wsteczny promień jest znowu spolaryzowany liniowo, a jego płaszczyzna polaryzacji jest obrócona o kąt 90° względem płaszczyzny polaryzacji promienia biegnącego do miejsca obróbki. Promień o takim kierunku polaryzacji nie jest już kierowany przez polaryzator od lasera lecz jest od niego odchylany, co zapobiega wejściu tego promienia do rezonatora lasera.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładzie na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia perspektywiczny widok ogólny laserowego urządzenia do grawerowania, fig. 2 - widok z góry na urządzenie podobne do fig. 1, fig. 3 - urządzenie z przesuwnikiem fazowym według pierwszego przykładu wykonania, a fig. 4 przedstawia urządzenie z przesuwnikiem fazowym według drugiego przykładu wykonania.

W przykładowym wykonaniu sposobu według wynalazku, okres czasu dla wyłączenia promieniowania laserowego nastawia się w odpowiedni sposób poprzez zmianę składu gazu w laserze. Dotyczy to w laserach CO 2 składników gazowych w postaci CO2, N 2 i He. Gdy gazy te zostaną dobrane na przykład w składzie odpowiednio 14%, 18% i 68% to mamy do czynienia ze stosunkowo powolną mieszaniną gazów, przy której okres czasu wyłączania znajduje się w zakresie 25 do 30 us przy stuprocentowej mocy lasera 1. Natomiast gdy stosuje się szybszą mieszaninę gazów przy wykorzystaniu 65% mocy lasera przy składzie CO2, 4% H2 i 80% He uzyskuje się okres wyłączania w zakresie 12 μs do 15 μs.

Na figurze 1 przedstawione jest urządzenie według wynalazku z laserem mocy 1, który w tym przypadku jest laserem gazowym na CO2, i który przez otwór wylotowy 2 wysyła promień laserowy 4 padający na pierwsze zwierciadło odchylające 3, a który spolaryzowany jest liniowo w kierunku pionowym. Pierwsze zwierciadło 3 odchyla promień laserowy 4 o kąt 90° tak, że po przejściu przez przesuwnik fazowy, trafia on na drugie zwierciadło odchylające 5, gdzie ponownie odchylony zostaje o kąt 90° tak, że teraz przebiega on w kierunku przeciwnym do swego początkowego kierunku. Za pomocą trzeciego zwierciadła odchylającego 6 dokonuje się jeszcze raz odchylenie promienia laserowego 4 o kąt 90°, w kierunku do lasera mocy 1. Promień laserowy 4 wychodzący z trzeciego zwierciadła odchylającego 6 ogniskowany jest za pomocą urządzenia ogniskującego, w tym przypadku za pomocą soczewki 7 tak, że ognisko znajduje się na zewnętrznej powierzchni bocznej rurowego cylindra 8, który pokryty jest na przykład cienką warstwą organicznego lakieru. Rurowy cylinder 8 wykonany jest z bardzo cienkiej, równomiernie perforowanej metalowej siatki i utrzymywany jest pomiędzy dwoma obrotowo ułożyskowanymi stożkowymi końcówkami 9 i 10. Stożkowa końcówka 9 wprawiana jest w obrót przez nie przedstawiony napęd, we wrzeciemuku 11. Również stożkowa końcówka 10 ułożyskowana jest obrotowo w koniku 12. Konik 12 na prowadnicach 13, może być dociskany do cylindra 8 w kierunku osi 14 tego cylindra, przy czyn dociska on wtedy cylinder 8 do stożkowej końcówki 9. Na skutek spowodowanego tym zamocowania siłą tarcia, cylinder 8 i stożkowa końcówka 10 obracają się wraz z ruchem obrotowym końcówki 9. Ze względu na bardzo niewielki opór tarcia, jaki ma do pokonania końcówka 10 ułożyskowana w łożysku kulkowym znajdującym się w koniku 12, a również na skutek bardzo stałej prędkości obrotowej stożkowej końcówki 9, bardzo niewielkie osiowe siły mocujące pomiędzy cylindrem 8 i końcówkami 9 i 10 wystarczają, ażeby cylinder 8 napędzać bez poślizgu, a więc z prędkością obrotową stożkowej końcówki 9.

172 007

Trzecie zwierciadło odchylające 6 i soczewka 7 zamontowane są na obróbkowym zespole posuwowym 15 (sanki) poruszającym się w kierunku osi cylindra 8. Mówiąc dokładniej zespół posuwowy 15 posiada sanie poprzeczne 16, na których umieszczone są trzecie zwierciadło odchylające 6 i soczewka 7, za pomocą których możliwa jest dokładna promieniowa regulacja ogniska wytwarzanego przez soczewkę 7, na powierzchni rurowego cylindra 8. Gdy zespół posuwowy 15 za pomocą wrzeciona 17 porusza się wzdłuż drążków prowadzących 18 w kierunku osi 14 cylindra, i gdy jednocześnie rurowy cylinder 8 obraca się, to ognisko soczewki 7, względnie skupiony w nim promień laserowy 4 opisuje na powierzchni cylindra 8 linię śrubową. Wrzeciono 17 napędzane jest przez silnik krokowy 19. Dla załączania i wyłączania promienia laserowego 4 wysyłanego przez laser 1 jak i sterowania silnikiem krokowym 19 konieczne jest, aby w każdej chwili czasowej znać dokładne położenie obrotowe cylindra 8. Z tego względu z wałem stożkowej końcówki 9 połączony jest dekoder 20 położenia obrotowego, który podczas obrotu cyllndra 8 wysyła wiele tysięcy impulsów dla określenie położenia obrotowego. Uwzględniając ustalone położenie obrotowe cyllndra 8 i pozycję zespołu posuwowego 15, kodowana jest elektroniczna pamięć, do której wprowadzony został uprzednio żądany wzór. Zakodowana wartość zawiera informację, czy w danym miejscu warstwa lakieru na cylindrze 8 ma być usunięta czy nie, a więc czy włączenie lasera 1 jest konieczne czy nie. Elektroniczna pamięć znajduje się w urządzeniu sterującym 21, które połączone jest przewodami 22, 23 i 24 z laserem 1, z silnikiem krokowym 19 i dekoderem 20 położenia obrotowego.

Jak już wspomniano, pomiędzy pierwszym, zwierciadłem odchylającym 3 i drugim zwierciadłem odchylającym 5 znajduje się przesuwnik fazowy oznaczony liczbą 25. Przesuwnik fazowy 25 zamontowany jest na belce poprzecznej 28 łączącej ze sobą dwa wsporniki 26 i 27, przy czym na wspornikach 26, 27 umieszczone są zwierciadła odchylające 3 i 5. Przy wsporniku 27 znajdują się poza tym dwa chwytacze promienia, które dalej zostają opisane dokładniej. Poza tym przesuwnik fazowy 25 posiada obudowę 31, w której wnętrzu znajdują się cztery dalsze zwierciadła odchylające 32, 33, o których również jeszcze będzie mowa. Na przeciwległych stronach obudowy 31 znajdują się przelotowe otwory 34 tworzące przejście dla promienia laserowego.

Na figurze 2 przedstawione jest urządzenie do grawerowania walcowych sz.ablonów, podobne do urządzenia z fig. 1, jednak tutaj obróbkowy zespół posuwowy 15 przesuwany jest od strony cyllndra 8 zwróconej do lasera 1. Te same elementy co na fig. 1 oznaczone są tymi samymi oznaczeniami i nie będą ponownie omawiane.

Wspomniane urządzenie sterujące 21, posiada, według fig. 2, pewną liczbę odpowiednich przycisków 41, za pomocą których nastawia się żądany skład napełnienia lasera mocy 1, zgodnie z żądanym przedziałem czasowym dla wyłączania promienia laserowego 4. Odpowiednie zawory dozujące 42, 43, 44 sterowane są przy tym bezpośrednio w zależności od uruchamianych przycisków, umożliwiając doprowadzanie do lasera 1 poprzez układ przewodów 48, gazów CO2, N2 i He z odpowiednich zbiorników 45, 46, 47. W tym celu urządzenie sterujące 21 połączone jest elektrycznymi przewodami 49, 50, 51 z odpowiednimi zaworami dozującymi 42, 43, 44.

Na figurze 3 przedstawiona jest zasada odprowadzania promieniowania laserowego odbitego wstecznie od metalowego cylindra 8. Laser 1 wytwarza, jak już wspomniano, promień laserowy 4 spolaryzowany liniowo w kierunku pionowym, przy czym na fig. 3 kierunek pionowy oznaczony jest liczbą 35. Polaryzację promienia laserowego 4 uzyskuje się w rezonatorze lasera 1 za pomocą układu 36 zwierciadeł odchylających. W tym celu powierzchnie tych zwierciadeł wykonane są ze złota, przy czym dwa z tych zwierciadeł umieszczone są pod kątem 45° względem kierunku promienia. Złoto ma nieco wyższą zdolność odbijania fali typu p niż fali typu r. Wskutek tego z rezonatorze lasera uprzywilejowana jest fala typu p. Wystarcza to, ażeby promień laserowy 4 wychodził w punkcie 2 w znacznym stopniu spolaryzowany pionowo. Promień laserowy 4 trafia następnie na zwierciadło odchylające 3, wykonane jako polaryzator cienkowarstwowy.

172 007

Promień laserowy 4 posiada, jak już wspomniano, kierunek polaryzacji zasadniczo pionowy, a więc w odniesieniu do płaszczyzny padania polaryzatora cienkowarstwowego 3 składa się tylko ze składowej typu p, która jest przez ten polaryzator w znacznym procencie odbijana i bardzo niewiele przepuszczana. Ze względu na możliwość, że laser emituje jednak w niewielkim stopniu promieniowanie typu r, ze względów bezpieczeństwa umieszczony jest chwytacz promieniowania 30.

Polaryzator cienkowarstwowy 3 składa się z siedmiu do dziewięciu warstw dielektrycznych, które utworzone są na przemian z materiałów o niskim współczynniku załamania (n=1,5) i wysokim współczynniku załamania (n=2,4). Grubość poszczególnych warstw dobiera się tak, że długość drogi czynnej optycznie dla fal przebiegających skośnie w warstwach, wynosi jedną czwartą, długości fali. Przy długości fali lasera wynoszącej 10,6 μ m i kierunku padania promienia laserowego na powierzchnię tego polaryzatora 3 tworzącym kąt 45°, odpowiada to grubości materiału 1,06 μ m, przy jego współczynniku załamania wynoszącym 2,4, a grubości 1,56 μ m, dla materiału o współczynniku załamania 1,5. Przy takiej budowie warstwowej składowa typu p spolaryzowanego odbijania jest w 99.8%, natomiast składowa typu r tego promieniowania, może przechodzić w tym samym procencie. W miejscu układu polaryzującego należy uważać, aby spowodowane jego przestrzennym układem, promieniowanie laserowe wychodzące z lasera, w odniesieniu do płaszczyzny padania polaryzatora 3, składało się prawie wyłącznie ze składowej typu p. Dlatego też promieniowanie to odbijane jest prawie całkowicie i kierowane jest w tym samym stopniu do przesuwnika fazowego 25. Promieniowanie laserowe trafia tu na pierwsze zwierciadło odchylające 32, które tak jest umieszczone przestrzennie, że kierunek polaryzacji promienia laserowego 4, w odniesieniu do istniejącej teraz płaszczyzny padania promienia, posiada jednakowej wielkości składowe typu r. i typu p. To pierwsze zwierciadło odchylające 32 jest tak wykonane, że nie występuje żadne względne opóźnienie pomiędzy falami typu r i p. To samo odnosi się do obu pozostałych zwierciadeł odchylających 32 znajdujących się w przesuwniku fazowym 25. Zwierciadła 32 jak już wyjaśniano w związku z polaryzatorem 3, posiadają bardzo wysoką zdolność odbijania. Również tutaj wysoką zdolność odbijania i zerowe przesunięcie pomiędzy składowymi typu r i p promienia laserowego uzyskuje się za pomocą układu wielu cienkich warstw dielektrycznych o dokładnie dobranej grubości.

Zwierciadło odchylające 33, odnośnie grubości warstw dielektrycznych tak jest wykonane, że występuje względne przesunięcie fazowe pomiędzy składowymi r i p promienia laserowego 4, wynoszące 90°, a więc o wielkości ćwierci długości fali. Liczba warstw dobierana jest zawsze tak duża, że przez wymuszone, przez poszczególne warstwy, nakładanie się odbijanych względnie przesyłanych fal, uzyskuje się wysoką sumaryczną zdolność odbijania. W obu zwierciadłach odchylających 32 i 33 ostatnią warstwę odbijającą może stanowić warstwa metalowa. Ma to miejsce również wtedy, gdy korpus zwierciadła jest też metalowy, co poza tym daje korzyść intensywnego odprowadzania ciepła.

Promień laserowy-4 wychodzi z przesuwnika fazowego 25 jako promień o polaryzacji kołowej i trafia wtedy, poprzez ogniskujący układ optyczny 7, na grawerowany szablon. Szablon ten, jak już powiedziano, składa się z cienidej warstwy lakieru 8a i położonego pod nią cienkościennego metalowego cylindra 8. Warstwa lakieru 8a odparowywana jest za pomocą promienia laserowego 4, przy czym stosowana jest do tego energia promieniowania. Ze względu na to, że aby mieć pewność usunięcia warstwy lakieru 8a, należy mieć do dyspozycji zawsze więcej energii promienistej niż jest to koniecznie potrzebne do tego usunięcia, więc część promieniowania laserowego dociera do metalowej powierzchni i jest przez nią w znacznej części z powrotem odsyłana, ze względu na jej dużą zdolność odbiciową. O ile to promieniowanie rozpraszane jest przez małe nierówności tak, że nie zbiega się ponownie współliniowo z pierwotnym kierunkiem promienia, to nie ma to znaczenia dla prawidłowego przeprowadzania całego procesu. Jednakże te części promieniowania, które zbiegają się dokładnie z dawnym kierunkiem

172 007 promieniowania, przechodzą ponownie przez przesuwnik fazowy 25. Stwierdzone jest, że promieniowanie odbite dokładnie prostopadle od metalowej powierzchni, nie doznaje, jak zwykle, przesunięcia fazowego pomiędzy pierwotnymi składowymi r i p. Oznacza to, że pierwotne przesunięcie fazowe o 90° pozostaje utrzymane również przy powrocie promieniowania resztkowego, aż do zwierciadła 32 w przesuwniku fazowym 25. Tutaj wymuszone zostaje przez zwierciadło odchylające 33, jeszcze jedno przesunięcie fazowe, w tym samym kierunku co do czasu i w tej samej wielkości, a więc o kąt 90°. Biegnące teraz dalej wstecz promieniowanie laserowe posiada przesunięcie fazowe pomiędzy składowymi r i p wynoszące w sumie 180°. Oznacza to, że promieniowanie ponownie spolaryzowane jest liniowo, a płaszczyzna polaryzacji w stosunku do swego poprzedniego położenia doznała obrotu o kąt 90°. Powracający promień, opuszczający przesuwnik fazowy 25, jest teraz ustawiony prostopadle na płaszczyźnie polaryzacji promieniowania wysyłanego pierwotnie przez laser. Z tego względu, wsteczne promieniowanie, w odniesieniu do płaszczyzny padania polaryzatora cienkowarstwowego 3, jest falą typu r, przy czym przez polaryzator 3 nie jest ono odbijane lecz jest przepuszczane.Trafia ono następnie do chłodzonego chwytacza promieniowania 29, który pochłania energię promieniowania i przetwarza na ciepło odpadowe. Celowo chwytacz promieniowania 29 posiada możliwie nieodbijającą względnie czarną powierzchnię i chłodzony jest na przykład wodą.

Na figurze 4 przedstawiona jest inna postać wykonania urządzenia do odprowadzania wstecznego promieniowania. Podobne składowe co na fig. 3 posiadają te same oznaczenia. Polaryzacja promienia laserowego 4 następuje tu za pomocą dwóch okienek Brewstera 37, we wnętrzu rezonatora lasera 1. Po wyjściu promieniowania laserowego z lasera 1 przez okienko wyjściowe 2, promień laserowy 4 przechodzi na zwierciadło odchylające 3, które nie powoduje żadnego przemieszczenia fazowego pomiędzy składowymi promieniowania spolaryzowanego liniowo, i przechodzi dalej przez płaską płytkę 38 dielektryczną ustawioną pod kątem Brewstera, o wysokim współczynniku załamania. Następnie promień laserowy 4 przechodzi przez dwójlomną płytkę krystaliczną 39, która powoduje względne przesunięcie fazowe o kąt 90°, a więc o jedną czwartą długości .fali, pomiędzy dwoma składowymi skierowanymi prostopadle do siebie i o tej samej wielkości. Są to składowe promienia zwyczajnego i nadzwyczajnego. Mogą być one dobrane jako jednej wielkości, gdy kryształ posiada właściwe położenie względem kierunku polaryzacji promienia laserowego 4. Względne przemieszczenie obu składowych promieniowania zależy wówczas tylko od długości drogi optycznej przez kryształ 39 i od rodzaju kryształu. Dlatego też długość kryształu 39 jest dobrana o takiej wielkości, że zachodzi pożądane przesunięcie fazowe. Promień laserowy po pierwszym przejściu przez kryształ 39 spolaryzowany jest kołowo, a po drugim przejściu przez niego lub lepiej po powrocie, na skutek dokonanego wtedy drugiego przesunięcia, tak samo skierowanego i o tej samej wielkości, jest ponownie spolaryzowany liniowo. Kierunek polaryzacji jest wtedy prostopadły do kierunku polaryzacji przy pierwszym przejściu.

W dalszym przebiegu, promień laserowy 4 trafia ponownie na płaską płytkę 38 dielektryczną ustawioną pod kątem Brewstera, która powracające promieniowanie odbija w znacznym stopniu do chwytacza promieniowania 29, z powodu innego kierunku polaryzacji tego promieniowania tak, że tylko niewielka część tego promieniowania dochodzi do rezonatora laserowego, gdzie na skutek umieszczonych tu dwóch okienek Brewstera 37 i ze względu na swój kierunek polaryzacji, nie może wyzwolić akcji laserowej. W celu zwiększenia zdolności odbijania płytki 38 może być ona pokryta cienką warstwą lub kombinacją wielu cienkich warstw.

Należy wskazać na to, że zamiast przedstawionego cienkowarstwowego polaryzatora 3 lub wykorzystanego do polaryzacji okienka Brewstera 38, można zastosować polaryzator dwubarwny, lub przy stosunkowo długofalowym promieniowaniu laserowym, polaryzator z siatki drucianej. Jako przesuwnik fazowy 25 można zastosować romb Fresnela zwany także równoleglościanem Fresnela.

172 007

Ό

OJ

I

172 007

1/ i

8α 8

Fig. 4

172 007

Fig. 1 co co

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 4,00 zł

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób grawerowania walcowych szablonów za pomocą promienia laserowego, przy którym warstwa lakieru znajdująca się na powierzchni obracającego się metalowego rurowego cylindra, usuwana jest w określonych obszarach wzoru, znamienny tym, że warstwę lakieru (8a) usuwa się na obszarach wzoru przy ciągle włączonym promieniowaniu laserowym (4), przy czym promień laserowy (4) przy końcu każdego obszaru wzoru wyłącza się na okres czasu 12 μs do 30 μs, a promieniowanie odbite od metalowego cylindra (8) na drogę przebiegu promienia laserowego (4) odprowadza się z tej drogi promienia laserowego.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że okres czasu służący do wyłączania promienia laserowego (4) nastawia się przez zmianę składu gazu stanowiącego ośrodek laserujący lasera.
3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że promień laserowy (4) wyłącza się przed osiągnięciem końca danego obszaru wzoru, wcześniej, o czas zależny od okresu czasu jego wyłączania.
4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że warstwę lakieru (8a) usuwa się za pomocą lasera mocy (1), o mocy około 1 kW.
5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że promień laserowy (4) najpierw polaryzuje się liniowo, a następnie przepuszcza się przez następny filtr polaryzujący (3, 38), po czym dzieli się go na dwie składowe o jednakowej wielkości, położone względem siebie prostopadle, które przed dotarciem do warstwy lakieru (8a) przesunięte zostają względem siebie w fazie o kąt 90°.
6. Urządzenie do grawerowania walcowych szablonów ze stanowiskiem obróbkowym, które zawiera co najmniej jedno urządzenie mocujące do czołowego ułożyskowania metalowego cylindra oraz urządzenie napędowe do obrotu metalowego cylindra wokół jego osi, a także obróbkowy zespół posuwowy poruszający się równolegle do osi cylindra, który zawiera zwierciadło odchylające, laser gazowy do wytwarzania promienia laserowego odchylanego przez zwierciadło odchylające, oraz ma urządzenie sterujące do sterowania urządzeniem napędowym, przesuwu zespołu posuwowego i lasera gazowego, znamienne tym, że na drodze promienia, pomiędzy polaryzatorem (3,38) i zwierciadłem odchylającym (6), umieszczony jest przesuwnik fazowy (25) obracający płaszczyznę drgań promieniowania odbitego od metalowego cylindra (8) o kąt 90° względem płaszczyzny drgań promienia laserowego (4) wysyłanego przez laser gazowy (1).
7. Urządzenie według zastrz. 6, znamienne tym, że laser gazowy (1) ustawiony jest równolegle do osi (14) cylindra, przy czym istnieją dwa zwierciadła odchylające (3, 5) do odchylania promienia laserowego (4) do zwierciadła odchylającego (6), a urządzenie (25) obracające płaszczyznę drgań, umieszczone jest pomiędzy oboma zwierciadłami odchylającymi (3, 5).
8. Urządzenie według zastrz. 6, znamienne tym, że zwierciadło odchylające (3) wykonane jest jako polaryzator cienkowarstwowy, a urządzenie (25) obracające płaszczyznę drgań, posiada cztery zwierciadła odchylające (32, 33), umieszczone kolejno w drodze promienia, z których jedno (33) wykonane jest jako przesuwnik fazowy λ/4.
9. Urządzenie według zastrz. 6, znamienne tym, że- urządzenie (25) obracające płaszczyznę drgań, w drodze promieni (4) ma umieszczone¹ ^olejno, dielektryczną płaską płytkę (38) ustawioną pod kątem Brewstera, posiadającą wysoki współczynnik załamania, oraz dwójłomną krystaliczną płytkę (39).

172 007
10. Urządzenie według zastrz. 6 albo 7 albo 8, znamienne tym, że urządzenie (25) obracające płaszczyznę drgań, zamontowane jest na belce (28) łączącej ze sobą zwierciadła odchylające (3, 5).
11. Urządzenie według zastrz. 6 albo 7, znamienne tym, że urządzenie sterujące (21) zawiera środki nastawcze (40) do ustawiania składu gazu lasera gazowego (l).