RU134839U1

RU134839U1 - LASER MARKING DEVICE WITH LASER RADIATION COLLIMATOR

Info

Publication number: RU134839U1
Application number: RU2013111628/28U
Authority: RU
Inventors: Валерий Николаевич Соколов; Владимир Александрович Елохин; Владимир Абович Готлиб; Игорь Николаевич Коржавин; Артем Андреевич Саканцев; Сергей Евгеньевич Саховский
Original assignee: Закрытое акционерное общество "Научные приборы"; Общество с ограниченной ответственностью "ВА Инструментс"
Priority date: 2013-03-07
Filing date: 2013-03-07
Publication date: 2013-11-27

Abstract

Устройство для лазерной маркировки, включающее источник лазерного излучения с оптоволокном для вывода лазерного излучения и коллиматор лазерного излучения с системой фокусирующих линз, отличающееся тем, что в качестве источника лазерного излучения использован полупроводниковый лазерный диод непрерывного действия, оптоволокно размещено в защитном кожухе с фланцем для соединения соосно с коллиматором, а коллиматор выполнен в виде осесимметричного полого корпуса, в котором размещена соосно подвижная вставка с системой линз, одна из которых является положительным мениском, а другая - двояковыпуклой линзой.Device for laser marking, including a laser source with optical fiber for outputting laser radiation and a laser collimator with a focusing lens system, characterized in that the laser source is a continuous semiconductor laser diode, the optical fiber is housed in a protective casing with a flange for connecting coaxially with a collimator, and the collimator is made in the form of an axisymmetric hollow body in which a coaxially movable insert with a lens system is placed, one of which of which is a positive meniscus, and the other is a biconvex lens.

Description

Полезная модель относится с средствам маркировки/гравировки изделий из различных материалов с использованием лазера.The utility model relates to means for marking / engraving products from various materials using a laser.

В основе лазерной маркировки изделий (точечной, прочерчиванием) лежит эффект взаимодействия материала изделия с оптическим излучением (импульсным или непрерывным), которое сопровождается деструкцией материала (карбонизацией, испарением) в заданных областях поверхности изделия на заданную глубину. В силу большого разнообразия используемых типов лазеров и обусловленных ими режимов обработки изделий основными задачами такой обработки являются точность нанесения маркеров (штрих-коды, изображения, графические символы и пр.) повторяемость изображения и стабильность во времени в течение производственного цикля, а также производительность оборудования, и в том числе, повышение полезной излучаемой мощности источников лазерного излучения за счет оптимизации условий вывода излучения.The laser marking of products (by spotting, by drawing) is based on the effect of the interaction of the product material with optical radiation (pulsed or continuous), which is accompanied by the destruction of the material (carbonization, evaporation) in predetermined areas of the product surface to a given depth. Due to the wide variety of types of lasers used and the processing modes of the products that they determine, the main tasks of such processing are the accuracy of marking (barcodes, images, graphic symbols, etc.), image repeatability and time stability during the production cycle, as well as equipment performance, including, increasing the useful radiated power of laser radiation sources by optimizing the conditions for radiation output.

В системах лазерной маркировки нашли применение твердотельные, лазеры, лазерные диоды, оптоволоконные лазеры, в которых оптическое излучение выводится из области генерации по оптическому волноводу, при этом излучение проходит через границы раздела сред с различными показателями преломления - от излучателя в волновод и из волновода в свободное пространство для подачи на маркируемое изделие. Отражения и рассеяние на неоднородностях способны многократно снизить эффективность вывода излучения, что может быть скомпенсировано использованием собирающих линз на поверхности оптоволокна для преобразования падающего на него пучка лучей в параллельный пучок или аналогичных систем линз, с последующей фокусировкой излучения в коллиматоре до размеров пятна, удовлетворяющих задачам обработки изделия.In laser marking systems, solid-state, lasers, laser diodes, fiber-optic lasers have been used, in which optical radiation is extracted from the generation region by an optical waveguide, while the radiation passes through the interface between media with different refractive indices - from the emitter to the waveguide and from the waveguide to the free space for supply to the marked product. Reflections and scattering by inhomogeneities can repeatedly reduce the efficiency of radiation output, which can be compensated by using collecting lenses on the surface of the optical fiber to convert the incident beam of rays into a parallel beam or similar lens systems, followed by focusing the radiation in the collimator to spot sizes that satisfy the processing tasks products.

Помимо влияния физических характеристик сред полезная мощность излучателя снижается при разных ориентациях оптической оси волокна и коллиматора, а также при дефектах торцевой поверхности оптоволокна, которые способны рассеивать выходящее излучение.In addition to the influence of the physical characteristics of the media, the useful power of the emitter decreases with different orientations of the optical axis of the fiber and the collimator, as well as with defects in the end surface of the optical fiber, which can scatter the output radiation.

Известно применение в устройстве для лазерной маркировки линзы-экспандера, которая представляет собой зеркало на основании с поверхностью в форме параболоида, отражающая поверхность которого выполнена из зеркально отражающего слоя (на 99%) с защитной пленкой, нанесенных на основание /CN 202025130//. Такая линза преобразует падающий на нее расходящийся пучок лучей в параллельный пучок, направляемый далее для исполнения маркировки. При всех достоинствах такого элемента - надежности, низкой стоимости и пр., параллельный пучок лучей способен обеспечивать маркировку относительно широкими линиями определенных материалов из-за невысокой плотности лазерной энергии в области обработки.It is known to use the device for laser marking of the expander lens, which is a mirror on the base with a surface in the shape of a paraboloid, the reflective surface of which is made of a mirror-reflecting layer (99%) with a protective film deposited on the base / CN 202025130 //. Such a lens converts the diverging beam of rays incident on it into a parallel beam, which is then sent for marking. With all the advantages of such an element - reliability, low cost, etc., a parallel beam of rays is able to provide marking with relatively wide lines of certain materials due to the low density of laser energy in the processing area.

Известно устройство для лазерной обработки изделий - маркировки, сварки и др., включающее источник лазерного излучения, коллиматор, средства оптической фокусировки лазерного луча, гальванометрический сканатор в составе двух зеркал для двумерного сканирования изделия, блок управления на основе компьютера с программными средствами и микроконтроллером, дополнительный источник света в качестве целеуказателя - датчика положения изделия, а также интерфейс оператора и основание для размещения изделия /US 2008067251/ В устройстве в качестве источника лазерного излучения использован, в частности, твердотельный лазер с диодной накачкой за счет сфокусированного излучения лазерного диода, которое поступает по оптоволокну в блок генерации лазерного излучения, а из него в экспандер - коллиматор для формирования луча и фокусировки его до нужных размеров, и далее на гальванометрическое сканирующее устройство, зеркала которого отклоняют сформированный луч лазера с обеспечением сканирования изделия по двум координатам в горизонтальной плоскости. Коллиматор составлен оптически сопряженными переустанавливаемой подвижной и неподвижной линзами.. Подвижная линза установлена в держателе с возможностью аксиального перемещения посредством привода по сигналу сканирующего устройства, изменение расстояния между линзами приводит к изменению размеров пучка лазерного излучения. Далее сформированный пучок лазерного излучения после развертки луча зеркалами гальванометрического сканера фокусируется линзой и маркирует изделие. При уменьшении расстояния между линзами коллиматора луч фокусируется на большем удалении от выходной линзы, при увеличении расстояния между линзами коллиматора - на меньшем расстоянии от нее. Такое свойство системы линз позволяет устанавливать заданную глубину обработки изделия. Однако при использовании оптоволокна для ввода лазерного излучения в коллиматор торец оптоволокна из-за своих малых размеров может быть размещен не соосно с оптической осью коллиматора или иметь дефекты, такие как сколы, срезы или нарушения сплошности материала оптоволокна. Все это может привести к изменению направления пучка излучения, отклонению его от оптической оси, обратному рассеянию излучения в материале оптоволокна, изменению распределения интенсивности излучения на выходе из оптоволокна, что эквивалентно снижению мощности излучателя. В коллиматоре при фокусировке лучей наклонного пучка возникают аберрации изображения (астигматизм) вследствие зависимости углов преломления лучей от углов их падения на преломляющую поверхность. В результате возникают ошибки в задании требуемого размера пучка для фокусирования в нужной точке изделия при обработке.A device for laser processing of products is known - marking, welding, etc., including a laser source, a collimator, means for optical focusing of a laser beam, a galvanometric scanner consisting of two mirrors for two-dimensional scanning of a product, a control unit based on a computer with software and a microcontroller, additional a light source as a target indicator - a product position sensor, as well as an operator interface and a base for placing the product / US 2008067251 / In the device as a source The laser radiation was used, in particular, a solid-state laser with diode pumping due to the focused radiation of the laser diode, which passes through the optical fiber to the laser radiation generation unit, and from it to the expander, a collimator for beam formation and focusing to the desired size, and then to a galvanometric scanning device, the mirrors of which deflect the formed laser beam to ensure scanning of the product in two coordinates in the horizontal plane. The collimator is made up of optically conjugated resettable movable and fixed lenses. The movable lens is mounted in the holder with the possibility of axial movement by means of a drive according to the signal of the scanning device, changing the distance between the lenses leads to a change in the size of the laser beam. Further, the generated laser beam after the beam is scanned by the mirrors of the galvanometric scanner is focused by the lens and marks the product. With a decrease in the distance between the collimator lenses, the beam focuses at a greater distance from the output lens, with an increase in the distance between the collimator lenses at a shorter distance from it. This property of the lens system allows you to set a given depth of processing of the product. However, when using optical fiber to introduce laser radiation into the collimator, the end face of the optical fiber due to its small size may not be aligned with the optical axis of the collimator or may have defects such as chips, cuts or discontinuities in the material of the optical fiber. All this can lead to a change in the direction of the radiation beam, its deviation from the optical axis, backscattering of radiation in the material of the optical fiber, a change in the distribution of radiation intensity at the exit from the optical fiber, which is equivalent to a decrease in the power of the emitter. In the collimator, when focusing the rays of an inclined beam, image aberrations (astigmatism) occur due to the dependence of the refraction angles of the rays on their angles of incidence on the refracting surface. As a result, errors occur in setting the required beam size for focusing at the desired point in the product during processing.

Устройство для лазерной маркировки, включающее источник лазерного излучения с оптоволокном для вывода лазерного излучения и коллиматор лазерного излучения с системой фокусирующих линз выбрано в качестве наиболее близкого аналога заявляемой полезной модели.A device for laser marking, including a laser source with optical fiber for outputting laser radiation and a laser collimator with a system of focusing lenses, is selected as the closest analogue of the claimed utility model.

Задача полезной модели состоит в улучшении эксплуатационных характеристик устройства для лазерной маркировки за счет исключения влияния качества оптоволокна на фокусировку пучка лазерного излучения вдоль оптической оси, а также в расширении арсенала средств лазерной маркировки изделий..The objective of the utility model is to improve the operational characteristics of the laser marking device by eliminating the influence of the quality of the optical fiber on focusing the laser beam along the optical axis, as well as expanding the arsenal of laser marking products ..

Задача решена тем, что в устройстве для лазерной маркировки, включающем источник лазерного излучения с оптоволокном для вывода лазерного излучения и коллиматор лазерного излучения с системой фокусирующих линз, в соответствии с полезной моделью, в качестве источника лазерного излучения использован полупроводниковый лазерный диод непрерывного действия, оптоволокно размещено в защитном кожухе с фланцем для соединения соосно с коллиматором, а коллиматор выполнен в виде осесимметричного полого корпуса, в котором размещена соосно подвижная вставка с системой линз, одна из которых является положительным мениском, а другая - двояковыпуклой линзой.The problem is solved in that in the device for laser marking, which includes a laser source with optical fiber for outputting laser radiation and a laser collimator with a focusing lens system, in accordance with a useful model, a continuous semiconductor laser diode is used as a laser source, the optical fiber is placed in a protective casing with a flange for connection coaxially with the collimator, and the collimator is made in the form of an axisymmetric hollow body, in which it is coaxially movable A third insert with a lens system, one of which is a positive meniscus and the other a biconvex lens.

Технический результат полезной модели заключается в том, что достигается исключение аберраций и астигматизма изображения пучка лучей при прохождении ими системы линз, а перемещением вставки с линзами возможно обеспечить минимальную расходимость фокусируемого пучка лучей на выходе из коллиматора, обеспечивая совмещение сечения перетяжки пучка лучей с задним фокусом менисковой системы.The technical result of the utility model consists in the elimination of aberrations and astigmatism of the image of the beam of rays when they pass through the lens system, and by moving the insert with the lenses it is possible to ensure the minimum divergence of the focused beam of rays at the exit of the collimator, ensuring that the cross section of the waist beam with the rear focus of the meniscus system.

Сущность полезной модели иллюстрирует фиг., на которой представлена схема вывода лазерного излучения по оптоволокну в коллиматор. На фиг обозначено: 1 - собственно оптоволокно, отводящее лазерное излучение (полупроводниковый лазерный диод не показан на фиг.), 2 - защитный кожух оптоволокна, 3 - фланец для присоединения кожуха оптоволокна к коллиматору, 4 - коллиматор (корпус), 5 - элемент крепежа для соединения фланца и корпуса коллиматора (винт), 6 - подвижная вставка, 7 - мениск, 8 - двояковыпуклая линза.The essence of the utility model is illustrated in Fig., Which shows a diagram of the output of laser radiation through optical fiber into the collimator. In FIG. It is indicated: 1 - the fiber itself, the laser radiation (a semiconductor laser diode is not shown in Fig.), 2 - the protective cover of the fiber, 3 - the flange for attaching the fiber cover to the collimator, 4 - the collimator (body), 5 - the fastener element for connecting the flange and the collimator body (screw), 6 - movable insert, 7 - meniscus, 8 - biconvex lens.

Светосила (фокусное расстояние) менисковой системы может быть рассчитана исходя из геометрии устройства для лазерной обработки в целом с учетом фокусных расстояний мениска 7 и линзы 8 по известным формулам геометрической оптики. При выходе лучей лазера из оптоволокна, расходящимся пучком, они попадают на мениск (7), который преломляет лучи, собирая их на выпуклую поверхность линзы (8), которая фокусирует лучи.. Для обеспечения минимального размера пятна засветки в фокальной плоскости менисковой системы (7-8) необходимо обеспечить положение выхода оптоволокна (1) от менисковой системы (7-8) на расстоянии, много большим, чем удвоенное фокусное расстояние системы, что достигается заданием пределов перемещения вставки (6) внутри корпуса коллиматора (4). При достижении минимально возможных размеров пятна засветки лазерный луч с такой шириной пучка поступает на отклоняющие зеркала сканатора и далее сканирует поверхность обрабатываемого изделия, определяя ширину скана. При практическом опробовании установки для лазерной маркировки на базе полупроводникового лазерного диода, работающего на длине волны 940 нм для многомодового оптоволокна с диаметром световедущей жилы 600 мкм получен после коллимирования при фокусном расстоянии менисковой системы порядка 15 мм размер сфокусированного пятна порядка 0,3 мм, что удовлетворяет требованиям к лазерной маркировке. Использование лазерного диода непрерывного действия снижает вероятность случайных флуктуации мощности излучения и связанных с ними дополнительных тепловых нагрузок на оптические элементы, что обеспечивает постоянство оптических характеристик фокусирующей системы коллиматора.The aperture (focal length) of the meniscus system can be calculated based on the geometry of the laser processing device as a whole, taking into account the focal lengths of the meniscus 7 and lens 8 according to well-known formulas of geometric optics. When the laser beams exit the fiber, diverging beam, they fall on the meniscus (7), which refracts the rays, collecting them on the convex surface of the lens (8), which focuses the rays .. To ensure the minimum size of the spot light in the focal plane of the meniscus system (7 -8) it is necessary to ensure the position of the output of the optical fiber (1) from the meniscus system (7-8) at a distance much greater than twice the focal length of the system, which is achieved by setting the limits of movement of the insert (6) inside the collimator body (4). When the smallest possible spot size is reached, a laser beam with such a beam width enters the deflecting mirrors of the scanner and then scans the surface of the workpiece, determining the width of the scan. In practical testing of a laser marking installation based on a semiconductor laser diode operating at a wavelength of 940 nm for a multimode optical fiber with a light guide core diameter of 600 μm, a focused spot size of about 0.3 mm was obtained after collimation at a meniscus system focal length of about 0.3 mm, which satisfies laser marking requirements. The use of a continuous diode laser reduces the likelihood of random fluctuations in the radiation power and associated additional thermal loads on the optical elements, which ensures the constancy of the optical characteristics of the focusing system of the collimator.

Claims

Device for laser marking, including a laser source with optical fiber for outputting laser radiation and a laser collimator with a focusing lens system, characterized in that the laser source is a continuous semiconductor laser diode, the optical fiber is housed in a protective casing with a flange for connecting coaxially with a collimator, and the collimator is made in the form of an axisymmetric hollow body in which a coaxially movable insert with a lens system is placed, one of which of which is a positive meniscus, and the other is a biconvex lens.