RU2024040C1

RU2024040C1 - Mirror with variable focal distance

Info

Publication number: RU2024040C1
Authority: RU
Inventors: Г.А. Мишаков; А.И. Родионов; В.М. Аполлонов
Original assignee: Нижегородский государственный технический университет
Priority date: 1991-02-07
Filing date: 1991-02-07
Publication date: 1994-11-30

Abstract

FIELD: optics. SUBSTANCE: in mirror with variable focal distance reflecting element is manufactured in the form of metallized plate of monocrystalline silicon or sapphire with nonrigid fitting over contour line. EFFECT: improved quality of focusing. 1 dwg

Description

Изобретение относится к зеркалам для фокусировки излучений. The invention relates to mirrors for focusing radiation.

Известны зеркала с переменным фокусным расстоянием [1, 2], содержащие отражающий элемент и электромагнит. Однако они не обеспечивают стабильной работы при фокусировке мощного, например лазерного излучения. Known mirrors with variable focal length [1, 2], containing a reflecting element and an electromagnet. However, they do not provide stable operation when focusing powerful, for example, laser radiation.

Известно зеркало с переменным фокусным расстоянием [3], содержащее отражающий элемент, закрепленный по контуру на корпусе, управляющий электромагнит и жидкость между отражающим элементом и электромагнитом. Отражающий элемент выполнен в виде мембраны с зеркальным слоем, жестко закрепленной по контуру. Known mirror with variable focal length [3], containing a reflective element mounted on a contour on the housing, a control electromagnet and a fluid between the reflective element and the electromagnet. The reflecting element is made in the form of a membrane with a mirror layer rigidly fixed along the contour.

Однако такое выполнение не дает возможности использовать устройство для фокусировки мощного, например лазерного, излучения, так как жесткая заделка мембраны по контуру не обеспечивает качества фокусировки. However, this embodiment does not make it possible to use the device for focusing high-power, for example, laser radiation, since rigid sealing of the membrane along the contour does not ensure the quality of focusing.

Цель изобретения - повышение качества фокусировки. The purpose of the invention is improving the quality of focusing.

Цель достигается тем, что в зеркале с переменным фокусным расстоянием, содержащем отражающий элемент, закрепленный по контуру на корпусе, управляющий электромагнит и жидкость между отражающим элементом и электромагнитом, в корпусе установлен имеющий общий с ним объем сильфон, на свободном торце которого закреплена пластина из ферромагнитного материала, установленная с возможностью взаимодействия с электромагнитом, а отражающий элемент выполнен в виде металлизированной пластины монокристаллического кремния или сапфира с нежесткой заделкой по контуру. The goal is achieved in that in a mirror with a variable focal length, containing a reflecting element fixed along the contour on the body, a control electromagnet and a fluid between the reflecting element and the electromagnet, a common bellows volume is installed in the body with a ferromagnetic plate fixed to its free end material, installed with the possibility of interaction with an electromagnet, and the reflecting element is made in the form of a metallized plate of single-crystal silicon or sapphire with non-rigid Delco along the contour.

Пластина из кремния или сапфира обладает высокой теплопроводностью, что дает возможность фокусировать мощные излучения, а правильную сферическую форму можно обеспечить лишь при мягкой заделке пластины по контуру, что обеспечит уменьшение размеров пятна и равномерное распределение энергии в нем. A silicon or sapphire wafer has high thermal conductivity, which makes it possible to focus powerful radiation, and the correct spherical shape can only be achieved by softly embedding the wafer along the contour, which will ensure a reduction in the spot size and even distribution of energy in it.

На чертеже представлено предлагаемое зеркало. The drawing shows the proposed mirror.

Зеркало состоит из корпуса 1, в котором закреплен нежестко по периметру отражающий элемент 2. Крепление его осуществлено мягкой заделкой через прокладку 3. The mirror consists of a housing 1, in which a reflecting element 2 is fixed non-rigidly around the perimeter. It is fixed by soft sealing through the gasket 3.

Отражающий элемент 2 выполнен в виде металлизированной пластины из монокристаллического кремния или сапфира. Отражающая способность R монокристаллического кремния 98,4-99,2% , сапфира 99,1-99,6%, что выше, чем на металлических поверхностях с защитным покрытием (чем тверже материал, тем выше качество поверхности, достигаемое при полировке). The reflecting element 2 is made in the form of a metallized plate of single-crystal silicon or sapphire. The reflectivity R of single-crystal silicon is 98.4-99.2%, sapphire 99.1-99.6%, which is higher than on metal surfaces with a protective coating (the harder the material, the higher the surface quality achieved by polishing).

Эксплуатационная стойкость зеркала достигается тем, что пластина имеет высший коэффициент отражения излучения, и возможно удаление пыли и копоти без нарушения геометрии поверхности (за счет высокой твердости). The operational stability of the mirror is achieved by the fact that the plate has the highest reflection coefficient of radiation, and it is possible to remove dust and soot without disturbing the surface geometry (due to high hardness).

В корпусе установлен сильфон 4, имеющий с ним общий объем, заполненный охлаждающей жидкостью 5 (любая жидкость с хорошей теплопроводностью, например глицерин), сильфон 4 нижним торцом прикреплен к выступу 6 внутри корпуса, а на его верхнем свободном торце укреплена пластина 7 из ферромагнитного материала с возможностью взаимодействия с электромагнитом 8, стержень 9 которого из ферромагнитного материала подпружинен пружиной 10. Управление зеркалом осуществляется программным устройством 11. Программное устройство 11 формирует напряжение, управляющее электромагнитом в соответствии с геометрией поверхности, и состоит из системы электронных преобразователей напряжения. A bellows 4 is installed in the housing, having a common volume with it, filled with coolant 5 (any liquid with good thermal conductivity, for example glycerin), the bellows 4 is attached with the lower end to the protrusion 6 inside the housing, and a plate 7 made of ferromagnetic material is mounted on its upper free end with the possibility of interaction with an electromagnet 8, the rod 9 of which is made of ferromagnetic material spring-loaded with a spring 10. The mirror is controlled by a software device 11. The software device 11 generates a voltage, control -governing electromagnet in accordance with the geometry of the surface, and consists of a system of electronic voltage transducers.

Зеркало работает следующим образом. В исходном состоянии отражающий элемент 2 не обладает кривизной поверхности и является плоским зеркалом. Когда программное устройство выдает напряжение на обмотку электромагнита 8, пластина 7 притягивается к нему и сильфон 4 расширяется, что приводит в конечном итоге к деформации отражающего элемента 2 и формированию отражающей поверхности заданной кривизны (а значит, и фокусного расстояния). The mirror works as follows. In the initial state, the reflecting element 2 does not have a curvature of the surface and is a flat mirror. When the software device supplies voltage to the winding of the electromagnet 8, the plate 7 is attracted to it and the bellows 4 expands, which ultimately leads to deformation of the reflecting element 2 and the formation of the reflecting surface of a given curvature (and hence the focal length).

При изменении фокусного расстояния от 0,4-0,8 м прогиб в центре составит 1-0,5 мм, если радиус пластины ≈40 мм. Эксперименты показывают, что получить такой прогиб без разрушения пластины можно при ее толщине 0,4-0,6 мм. При толщине пластины <0,4 мм происходит ее растрескивание из-за термических напряжений в зоне лазерного нагрева. If the focal length is changed from 0.4-0.8 m, the deflection in the center will be 1-0.5 mm, if the radius of the plate is ≈40 mm. Experiments show that it is possible to obtain such a deflection without destroying the plate with a thickness of 0.4-0.6 mm. When the plate thickness is <0.4 mm, its cracking occurs due to thermal stresses in the laser heating zone.

Качество фокусировки излучения на поверхности сложной геометрии достигается за счет изменения геометрии отражающей поверхности зеркала и облучения на изделии лазерной дорожки, равномерной по ширине. The quality of focusing radiation on the surface of complex geometry is achieved by changing the geometry of the reflecting surface of the mirror and irradiation on the product of the laser track, uniform in width.

Достигнута эксплуатационная стойкость ≈12000 ч без замены отражающей пластины при трехразовом удалении нагара и пыли с отражающей поверхности (при норме ≈5000 ч, с металлическими зеркалами). Achieved operational resistance ≈12000 h without replacing the reflective plate with three times the removal of soot and dust from the reflective surface (at a rate of ≈5000 h, with metal mirrors).

Ширина лазерной дорожки при обработке поверхности с перепадом ≈5 см меняется не более чем на 7-8%. При изменении условий фокусировки перемещением зеркала - 10-15%. The width of the laser track when processing a surface with a difference of ≈5 cm varies by no more than 7-8%. When changing the focusing conditions by moving the mirror - 10-15%.

Все это расширяет возможность использования зеркала и повышает качество фокусировки. All this extends the ability to use mirrors and improves the quality of focusing.

Claims

A MIRROR WITH A VARIABLE FOCUS DISTANCE, comprising a reflecting element fixed along the contour to the body, a control electromagnet and a liquid between the reflecting element and the electromagnet, characterized in that a bellows having a common volume with a volume is mounted in the body, on the free end of which a plate of ferromagnetic material is fixed, installed with the possibility of interaction with an electromagnet, and the reflecting element is made in the form of a metallized plate of single-crystal silicon or sapphire with non-rigid seals nd the contour.