RU1593057C

RU1593057C - Способ лазерной обработки

Info

Publication number: RU1593057C
Authority: RU
Inventors: В.Н. Глебов; Г.И. Мананкова
Original assignee: Научно-исследовательский центр по технологическим лазерам РАН
Priority date: 1988-12-29
Filing date: 1988-12-29
Publication date: 1994-11-15

Abstract

Изобретение относится к способам лазерной обработки материалов, в частности к лазерной резке, и может быть использовано для создания систем передачи луча на объект обработки в лазерных комплексах резки. Цель изобретения - снижение себестоимости и улучшение эксплуатационных свойств зеркал. Осуществляют передачу системой поворотных под углом 90° зеркал линейно поляризованного горизонтального излучения лазера. Преобразуют излучение в вертикальное с круговой поляризацией с помощью фазосдвигающего покрытия последнего из зеркал и фокусировки его на поверхность обрабатываемого материала. Обеспечивают одинаковые по абсолютной величине фазовые сдвиги, равные 22,5°, при отражении от четырех зеркал с фазосдвигающими покрытиями, число слоев в которых снижено до двух. Поэтому снижается общая себестоимость зеркал за счет упрощения их конструкции и улучшаются эксплуатационные свойства за счет снижения потерь на поглощение излучения в зеркалах на 0,7 - 2,7%. Зеркала имеют фазовые сдвиги Ψ

\binom{-}{1}

(Ψ

\binom{+}{1}

), , Ψ

\binom{-}{2}

(Ψ

\binom{+}{2}

), Ψ

\binom{-}{3}

(Ψ

\binom{+}{3}

), Ψ

\binom{-}{4}

(Ψ

\binom{+}{4}

) , если первое и второе из них по ходу от лазера сохраняют направление луча в вертикальной плоскости, или фазовые сдвиги Ψ

\binom{-}{1}

(Ψ

\binom{+}{1}

), Ψ

\binom{-}{2}

(Ψ

\binom{+}{2}

), Ψ

\binom{-}{3}

(Ψ

\binom{+}{3}

), Ψ

\binom{-}{4}

(Ψ

\binom{+}{4}

) , если второе зеркало меняет направление луча в перпендикулярную плокость, где Ψ

\binom{-}{n}

(Ψ

\binom{+}{n}

) - фазовые сдвиги между P- и S- отраженными компонентами луча соответственно для n-го по ходу от лазера зеркала. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Description

Изобретение отноcитcя к cпоcобам лазерной обработки материалов, в чаcтноcти лазерной резки лиcтовых материалов.

Целью изобретения являетcя cнижение cебеcтоимоcти и улучшение экcпллуатаци-онных cвойcтв зеркал.

Hа фиг. 1 предcтавлена принципиальная оптичеcкая cхема лазерного комплекcа резки; на фиг.2 и 3 - принципиальные cхемы разновидноcтей зеркальных cиcтем передачи луча лазера портального типа для лазерного комплекcа резки, cоcтоящих по крайней мере из четырех выcокоотражаю-щих зеркал, c помощью которых cоздают фазовые cдвиги, равные - 22,5^о или + 22,5^о, отражающего под углом 90^о от каждого из зеркал излучения лазера.

Способ заключается в передаче системой поворотных под углом 90^озеркал линейно поляризованного горизонтального излучения лазера 1, преобразовании его в вертикальное с круговой поляризацией с помощью по крайней мере четырех зеркал 2, 3, 4, и 5 с фазосдвигающими покрытиями, обеспечивающими одинаковые по абсолютной величине фазовые сдвиги излучения, равные 22,5^о, которые в сумме создают фазовый сдвиг в ±90^о, и последующей фокусировкой излучения фокусирующей системой 6 на поверхность обрабатываемого материала 7 для проведения обработки излучением, в частности резки материала 7 по сложному контуру.

Для реализации способа использовали устройство, содержащее лазер 1 с горизонтальной главной оптической осью, оптическую зеркальную систему передачи излучения лазера 1, состоящую по крайней мере из четырех высокоотражающих поворотных зеркал 2, 3, 4 и 5 для изменения направления при каждом отражении луча излучения лазера 1 на 90^о и преобразования его из горизонтального плоскополяризованного под углом 45^о к вертикальной плоскости в вертикальный с круговой поляризацией, фокусирующую систему 6. Зеркала 2, 3, 4 и 5 снабжены фазосдвигающими покрытиями для обеспечения одинаковых по абсолютной величине фазовых сдвигов между Р и S-компонентами поляризованного излучения лазера 1, лежащими соответственно в плоскости падения и перпендикулярно ей для каждого зеркала 2, 3, 4 и 5 и равных 22,5^о.

Причем, если отражающие поверхности зеркал 2 и 3 параллельны между собой, перпендикулярны вертикальной плоскости, проходящей через главную оптическую ось лазера и эти зеркала, и обращены друг к другу, то фазовые сдвиги на зеркалах 2, 3 и 5 должны быть отрицательными (положительными), а на зеркала 4 фазовый сдвиг должен быть положительным (отрицательным) (cм. фиг.1 и 3). А если отражающая поверхность зеркала 3 перпендикулярна отражающей поверхности зеркала 2 и составляет угол 45^о с проходящей через главную оптическую ось лазера и зеркала 2 и 3 вертикальной плоскостью, то фазовые сдвиги на зеркалах 2 и 4 должны быть отрицательными (положительными), а на зеркалах 3 и 5 - положительными (отрицательными) (см.фиг.1 и 2).

Зеркала 2, 3, 4 и 5 оптически связаны с лазером 1 и фокусирующей системой 6, причем зеркало 2 расположено на главной оптической оси лазера 1, а зеркало 3 - на вертикальной оси, пересекающей главную оптическую ось лазера 1. Зеркала 3, 4 и 5 расположены в одной горизонтальной плоскости с возможностью совместного с системой 6 перемещения вдоль общей оси зеркал 2 и 3. Зеркало 5 установлено с возможностью перемещения вдоль их общей с зеркалом 4 оптической оси и с возможностью перемещения совместно с зеркалом 4 вдоль общей оси зеркал 3 и 4. А фокусирущая система 6 установлена с возможностью перемещения вдоль вертикальной общей для зеркала 5 и системы 6 оси.

Рассмотрим распространение линейно поляризованной электромагнитной (оптической) волны по системе передачи луча, в которой каждое из зеркал изменяет направление распространения волн на 90^о, причем плоская электромагнитная волна от лазера распространяется вдоль оси OY. Обозначим римской цифрой вверху амплитудные коэффициенты отражения, набег фазы и другие характеристики, относящиеся к процессу отражения волны от соответствующего зеркала. Амплитуду падающей волны обозначим верхним индексом П.

Зеркало 2 расположено под углом 45^о к оси OY, плоскость падения волны ZY. Волна поляризована так, что плоскость поляризации составляет угол 45^о к плоскости падения. При рассмотрении процесса отражения представим электромагнитную волну как суперпозицию двух поляризаций

(Р - поляризованная компонента, ее вектор электрической напряженности лежит в плоскости падения) и

(S - поляризованная волна, ее вектор электрической напряженности перпендикулярен плоскости падения).

Рассмотрим распространение волны в системе передачи луча по схеме на фиг.2. В падающей на первое зеркало 2 волне

= {O,O,U₀},

= {U₀,O₁O₁} . После отражения от зеркала 2 волна движется в отрицательном направлении оси O_z, вектор электрической напряженности падающей волны перпендикулярен направлению распространения, а значит вместо Z - компоненты в

появится Y-компонента, S - компонента направления своего не меняет, следовательно

= {O,U₀r

\binom{I}{P}

,O} ;
(1)

= { U₀r

\binom{I}{S}

, O,O} , где r_p, r_s - амплитудные комплексные коэффициенты отражения Р- и S-поляризованных волн,
r_P=

r

e^iφp,
r_S=

r

e^iφs.

Далее волна падает на зеркало 3, отразившись от которого распространяется вдоль оси О_х. Это значит, что плоскость падения волны на зеркало 3 перпендикулярна плоскости падения волны на зеркало 4. Поэтому Р- и S-компонентавми падающей на зеркало 3 волны будут соответственно S- и Р-компоненты, отраженные первым зеркалом 2

=

;

=

(2)
После отражения от второго зеркала 3 амплитуды Р- и S-компонент электромагнитной волны будут соответственно равны

= {O,O,U₀r

\binom{I}{S}

r

\binom{I}{P}

^I};
(3)

= {O,U₀r

\binom{I}{P}

r

\binom{I}{S}

^I,O}.

Зеркало 4 направляет отраженную волну вдоль оси О_у, Х_у - плоскость падения волны на зеркало 4 - при этом также перпендикулярна к плоскости падения электромагнитной волны на зеркало 3, поэтому Р-компонентной падающей на зеркало 4 волны будет S-компонента волны, отраженной от второго зеркала 3 и наоборот

=

;

=

(4)
Амплитуды отраженных волн связаны с амплитудой падающей волы через комплексные коэффициенты отражения r_p ^III и r_s ^III.

= {U₀r

\binom{I}{P}

r

\binom{I}{S}

^Ir

\binom{I}{P}

^II, O,O} ,
(5)

= {O,O,U₀r

\binom{I}{S}

r

\binom{I}{P}

^Ir

\binom{I}{S}

^II}.

Зеркало 5 направляет отраженную волну вдоль отрицательного направления оси OZ. Здесь также плоскость падения YZ перпендикулярна к предыдущей плоскости падения XY и Р-компонента отраженной от зеркала 4 волны будет S-компонентой в падающей на зеркало 5 волне и наоборот. Амплитуды отраженных волн записываются через амплитуды падающих волн и соответствующие комплексные коэффициенты отражения r_p ^IV и r_s ^IV

= {O,U₀r

\binom{I}{S}

r

\binom{I}{P}

^Ir

\binom{I}{S}

^IIr

\binom{I}{P}

^V,O},
(6)

= {U₀r

\binom{I}{P}

r

\binom{I}{S}

^Ir

\binom{I}{P}

^IIr

\binom{I}{S}

^V,O,O}.

Результирующая разность фаз после прохождения волнового фpонта составит
ΔΨ= аrg(r_s ^I ˙ r_p ^II ˙ r_s ^III˙r_p ^IV) - arg(r_p ^I, r_s ^II, r_p ^III r_s ^IV), (7)
argW - аргумент комплексного числа W.

Преобразовав эти выражения, можно получить
ΔΨ= ( Ψ_s ^I + Ψ_p ^II + Ψ_s ^III + Ψ_p ^IV) - ( Ψ_p ^I + Ψ_s ^II + Ψ_p ^III + Ψ_s ^IV)
или
ΔΨ= -(Ψ_p ^I- Ψ_s ^I)+(Ψ_p ^II- Ψ_s ^II)-(Ψ_p ^III- Ψ_s ^III)+(Ψ_p ^IV- Ψ_s ^IV) (8)
Если зеркала 2 и 4 будут создавать разность фаз между Р- и S-отраженными компонентами (+22,5^о), а зеркала 3 и 5 (-22,5^о), то результирующая разность фаз ΔΨ составит 90^о. Аналогично, если зеркала 2 и 4 создают разность фаз (-22,5^о), а зеркала 3 и 5 (+22,5^о), то результирующая разность фаз ΔΨ составит +90^о, что в обоих случаях равноценно с точки зрения создания круговой поляризации на объекте обработки.

Выполним аналогичные рассуждения для оптической схемы на фиг.3. Зеркало 3 направляет отраженную волну вдоль оси OY и при этом плоскость падения остается той же. Отраженная первым зеркалом 2 Р-компонента будет и Р-компонентной падающей на второе зеркало 3 волны, аналогично для S-компоненты. Поэтому амплитуды Р- и S-компонент выходящей из системы передачи луча волны будут равны

= {O,U₀r

\binom{I}{P}

r

\binom{I}{P}

^Ir

\binom{I}{S}

^IIr

\binom{I}{P}

^V,O};
(9)

= {U₀r

\binom{I}{S}

r

\binom{I}{S}

^Ir

\binom{I}{P}

^IIr

\binom{I}{S}

^V,O,O}, результирующая разность фаз составит
ΔΨ= (Ψ_p ^I- Ψ_s ^I)+(Ψ_p ^II- Ψ_s ^II)-(Ψ_p ^III- Ψ_s ^III)+(Ψ_p ^IV- Ψ_s ^IV) (10) Для получения результирующего сдвига фаз +90^о между Р- и S-отраженными компонентами необходимо, чтобы зеркала 2, 3 и 5 создавали сдвиг фаз +22,5^о, а зеркало 4 - (-22,5^о) или (что эквивалентно) для -90^о зеркала 2, 3 и 5 создавали сдвиг фаз (-22,5^о) а зеркало 4 (+22,5^о).

Как показали расчеты, для отражателей-фазосдвигателей с Ψ= +22,5^o и Ψ = -22,5^о с покрытиями из одних и тех же пленкообразующих материалов при одинаковом числе слоев (два интерференционных слоя), их энергетические коэффициенты отражения равны для соответствующих компонент отраженной волны, т.е. ρ_s ⁺ = ρ_s ^-, а ρ_р ⁺ = ρ_р ^-. Имея в виду также, что
ρ =

r

=

с учетом выражений (6) и (9) получим результирующие значения энергетических коэффициентов отражения ρ_рез и эллиптичности ε_рез
ρ_S _рез= ρ_P.рез=

r

= ρ

\binom{2}{P}

· ρ

\binom{2}{S}

(11) для схемы на фиг.2,
ε_рез=

= 1 (12)
ρ_S _рез=

r

= ρ

\binom{3}{S}

·ρ_P; (13)
ρ_P.рез=

r

= ρ

\binom{3}{P}

·ρ_S для схемы на фиг.3,
ε_рез =

=

≠ 1 (14)
Система передачи луча лазеpа портального типа по схеме (см.фиг.2) принципиально обеспечивает ε_рез = 1, в то время как для схемы (см.фиг.3), как правило, ε_рез > 1, так как ρ_s > ρ_p.

Были рассчитаны и реализованы отражатели-фазосдвигатели с Ψ=+ 22,5^ои Ψ = -22,5^о при угле падения луча 45^о для системы передачи луча СО₂технологического лазера. Отражатели-фазосдвигатели были изготовлены на подложках из кремния, на оптически полированную поверхность которых были нанесены термическим испарением в вакууме отражающе-фазосдвигающие покрытия вида:
П Ме 1,11 Н 1,55 В - для Ψ= -22,5^о и
П Ме 0,984 Н 0,69 В - для Ψ = +22,5^о где П - подложка, Ме - высокоотражающий слой меди, Н и В - диэлектрические четвертьволновые на длине волны 10,6 мкм слои с низким (n = 1,35-1,40 BaF₂) и высоким (n = 2,4 ZnSe, значениями показателя преломления. Причем, использовали пленкообразующие материалы отечественного производства марки "r".

Расчетные значения коэффициентов отражения для обоих видов отражателей-фазосдвигателей при принятых значениях κ= 1˙10^-3 составили ρ_р = 98,6% и ρ_s = 99,5%, а при κ= 1˙10^-4 составили ρ_р = 99,1% и ρ_s = 99,7%. Практически были получены величины ρ_р = 98,5-98,7% и ρ_s = 99,2-99,4%. Фазовые характеристики Ψ= +22,5^о и Ψ =-22,5^о были реализованы с погрешностью 1-2^о. Измерения коэффициентов отражения отражетелей-фазосдвигателей и их фазовых сдвигов проводились на лабораторном лазерном гониофотометре на рабочей длине волны. Hужно отметить, что аналогичные фазосдвигающие покрытия можно создать и из других прозрачных на рабочей длине волны пленкообразующих материалов со значениями показателя преломления 1,25-6,0.

Сделаем расчетную оценку результирующих характеристик систем передачи луча портального типа в соответствии со схемами на фиг.2 и 3 в случае применения отражателей-фазосдвигателей с Ψ= +22,5^о и Ψ =-22,5^оисходя из практически реализованных коэффициентов отражения ρ_р = 98,7% и ρ_s = 99,4%, тогда ρ_р = ρ_s = 96,2%, ε= 1 для схемы на фиг.2 и ρ_р = 95,6%, ρ_s = 96,9%, ε= = 1,014 для схемы на фиг.3. Результирующие параметры для отечественного аналога были ρ_р = 93%, ρ_s = 94%, ε= 1,009, а результирующие параметры для прототипа и базового объекта ρ_р = 95%, ρ_s = 96%, ε= 1,009.

Результирующие оптические характеристики ρ и ε систем передачи луча лазерного комплекса резки портального типа с четырьмя высокоотражающими зеркалами-фазосдвигателями с Ψ= +22,5^o и Ψ = -22,5^оока- зались не хуже отечественного аналога и прототипа. Уменьшение стоимости предложенного технического решения достигнуто за счет упрощения конструкции фазосдвигающего интерференционного покрытия до 2 слоев (не считая металлического слоя) вместо 8-10 слоев аналогов и прототипа и за счет применения доступных недорогих пленкообразующих материалов отечественного производства. Эксплуатационные характеристики улучшены за счет того, что уменьшены потери на поглощение в отражателях-фазосдвигателях на 2,7% для отечественного аналога и на 0,7% для прототипа и базового объекта, в результате чего снижен нагрев поверхности зеркал при работе в мощных пучках и следовательно повышен ресурс их эксплуатации. Дополнительно эксплуатационные характеристики (термомеханическая устойчивость покрытия, улучшены за счет упрощения покрытия.

Claims

1. СПОСОБ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ, преимущественно с помощью лазерного комплекса резки портального типа, заключающийся в передаче от лазера и преобразовании с помощью оптической системы высокоотражающих поворотных под углом 90^o зеркал, на одно из которых нанесено фазосдвигающее покрытие, горизонтального линейно поляризованного под углом 45^o к вертикальной плоскости, проходящей через главную оптическую ось лазера, излучения в вертикальное с круговой поляризацией и последующей его фокусировке на поверхности обрабатываемого материала, отличающийся тем, что, с целью снижения себестоимости и улучшения эксплуатационных свойств зеркал при отражении излучения лазера с помощью по крайней мере четырех зеркал фазосдвигающими покрытиями дополнительно снабжены другие три зеркала, на каждом из четырех зеркал излучению придают одинаковые по абсолютной величине фазовые сдвиги между P- и S-компонентами отраженного излучения лазера, лежащими соответственно в плоскости падения и перпендикулярно ей для каждого из зеркал, по сравнению с падающим на них излучением, равные 22,5^o.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в случае, когда отражающие поверхности первого и второго от лазера зеркал параллельны между собой, перпендикулярны вертикальной плоскости, проходящей через главную оптическую ось лазера, и центры этих зеркал обращены друг к другу, фазовые сдвиги излучения лазера на первом, втором и четвертом зеркалах создают отрицательными или положительными, а на третьем зеркале фазовый сдвиг - положительным или отрицательным.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в случае, когда отражающая поверхность второго зеркала перпендикулярна отражающей поверхности первого и составляет 45^o с проходящей через центры первого и второго от лазера зеркал вертикальной плоскостью, фазовые сдвиги излучения на первом и третьем зеркалах создают отрицательными или положительными, а на втором и четвертом - положительными или отрицательными.