RU2113332C1 - Laser treatment plant - Google Patents
Laser treatment plant Download PDFInfo
- Publication number
- RU2113332C1 RU2113332C1 RU96124789A RU96124789A RU2113332C1 RU 2113332 C1 RU2113332 C1 RU 2113332C1 RU 96124789 A RU96124789 A RU 96124789A RU 96124789 A RU96124789 A RU 96124789A RU 2113332 C1 RU2113332 C1 RU 2113332C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- lens
- laser
- plane
- section
- radiation
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к лазерной технике. The invention relates to laser technology.
Известна установка для лазерной обработки, выбранная за прототип. Она состоит из мощного быстропроточного газового лазера с устойчивым одномодовым резонатором, системы транспортировки и фокусировки лазерного пучка, включающей линзовый объектив и выходное окно из прозрачного на длине волны материала [1]. A known installation for laser processing, selected for the prototype. It consists of a powerful fast-flowing gas laser with a stable single-mode resonator, a system for transporting and focusing the laser beam, which includes a lens and an exit window of material transparent at a wavelength [1].
К достоинству прототипа можно отнести высокое качество лазерной резки, обеспечиваемое за счет минимального размера сфокусированного пучка, обеспечиваемого линзой и узкой высоконапорной струей режущего газа, вырывающегося из сопла в зону фокального пятна. Недостатком известной установки является низкая предельно возможная мощность лазерного луча, определяемая высокими термическими искажениями и напряжениями в выходном окне и в линзе, вызываемыми небольшой, но существенной долей мощности пучка, поглощенной в линзе и выходном окне. Следствием этого является относительно низкая производительность процессов лазерной обработки. The advantage of the prototype can be attributed to the high quality of laser cutting, ensured by the minimum size of the focused beam provided by the lens and a narrow high-pressure jet of cutting gas escaping from the nozzle into the focal spot zone. A disadvantage of the known installation is the low maximum possible power of the laser beam, determined by high thermal distortions and voltages in the output window and in the lens, caused by a small but significant fraction of the beam power absorbed in the lens and the output window. The consequence of this is the relatively low productivity of laser processing processes.
Задачей изобретения является повышение производительности процесса лазерной обработки за счет увеличения выходной мощности лазерного пучка без существенных термодеформаций и аберраций в выходном окне и линзе. The objective of the invention is to increase the productivity of the laser processing process by increasing the output power of the laser beam without significant thermal deformations and aberrations in the output window and lens.
Задача изобретения решается тем, что оптический резонатор быстропроточного лазера формирует выходной пучок эллиптического сечения, причем большая ось эллипса ориентирована поперек газового потока в разрядной камере и в этом направлении излучение заполняет почти весь зазор разрядной камеры. В направлении вдоль газового потока размер выходного пучка существенно ограничивается. Обычно размер пучка вдоль потока выбирается таким, чтобы пучок менялся незначительно при изменении длины системы транспортировки луча. В случае мощных CO2-лазеров длиной волны 10,6 мкм удобными параметрами являются минимальный размер пучка приблизительно 15 - 20 мм, а размер пучка в максимальном сечении примерно 60 мм.The objective of the invention is solved in that the optical resonator of a high-speed laser forms an output beam of elliptical cross section, with the large axis of the ellipse oriented transversely to the gas flow in the discharge chamber and in this direction radiation fills almost the entire gap of the discharge chamber. In the direction along the gas stream, the size of the output beam is significantly limited. Usually, the size of the beam along the flow is chosen so that the beam changes slightly when the length of the beam transport system changes. In the case of high-power CO 2 lasers with a wavelength of 10.6 μm, convenient parameters are the minimum beam size of approximately 15–20 mm, and the beam size in the maximum section of approximately 60 mm.
На фиг. 1 представлена конструкция и работа предложенного устройства, где 1 - газовый быстропроточный лазер с поперечной прокачкой газового потока; 1.1 - оптический резонатор лазера, включающий концевые зеркала 1.1.1 и 1.1.2; 1.2 - канал разрядной камеры, через который с помощью вентиляторов 1.4 прокачивается поток газа 1.3. In FIG. 1 shows the design and operation of the proposed device, where 1 is a gas fast-flow laser with transverse pumping of the gas stream; 1.1 - optical laser cavity, including end mirrors 1.1.1 and 1.1.2; 1.2 - channel of the discharge chamber, through which with the help of fans 1.4 a gas stream 1.3 is pumped.
Выходное излучение лазера 3.1 выводится через окно 1.5 эллиптического сечения. Выходное излучение 3.1 имеет так же эллиптическое сечение (фиг.3), как и окно, но меньшего размера. The output radiation of the laser 3.1 is output through the window 1.5 of the elliptical cross section. The output radiation 3.1 has the same elliptical cross section (Fig. 3) as the window, but of a smaller size.
После отражения от поворотного зеркала 3 или системы поворотных зеркал излучение направляется на фокусирующий объектив 4, представляющий собой линзу 4.1 из прозрачного для длины волны лазера материала также эллиптического сечения (фиг. 3, позиция 4.1), включающего в себя сопло 4.2. After reflection from the rotary mirror 3 or the system of rotary mirrors, the radiation is directed to a focusing lens 4, which is a lens 4.1 made of a material transparent to the laser wavelength and also of an elliptical cross section (Fig. 3, position 4.1), including a nozzle 4.2.
Сфокусированное линзой 4.1 излучение проходит через сопло 4.2, одновременно со струей режущего газа направляется на поверхность разрезаемого материала с возможностью перемещения в X-Y плоскости на столе 2. The radiation focused by the lens 4.1 passes through the nozzle 4.2, simultaneously with the jet of cutting gas is directed to the surface of the material being cut with the possibility of moving in the X-Y plane on the table 2.
Как показано в [2], термодеформации в прозрачных диэлектриках круглого сечения практически не зависят от плотности мощности проходящего через них пучка, а зависят лишь от полной, проходящей через них, мощности. As shown in [2], thermal deformations in transparent circular dielectrics practically do not depend on the power density of the beam passing through them, but depend only on the total power passing through them.
В случае же окна или линзы эллиптической формы теплоотвод, термодеформации, термоискажения существенно уменьшаются из-за относительного увеличения границы теплоотвода, боковой поверхности линзы или выходного окна. Практически для эллипсов с отношением длины осей ≈ 3 имеет место двукратное увеличение предельных нагрузок или уменьшение термоискажений - при тех же лучевых нагрузках, т.е. можно по крайней мере в два раза увеличить производительность процесса лазерной обработки. In the case of an elliptical window or lens, the heat sink, thermal deformation, and thermal distortion are significantly reduced due to the relative increase in the heat sink boundary, the side surface of the lens, or the exit window. In practice, for ellipses with an axis length ratio of ≈ 3, there is a twofold increase in ultimate loads or a decrease in thermal distortions at the same radial loads, i.e. it is possible to at least double the productivity of the laser processing process.
В результате того, что большая ось эллипса каустики резонатора пересекает почти все сечение газоразрядной камеры 1.2 в быстропроточном газовом лазере 1 с поперечной прокачкой 1.3, то при этом не уменьшается существенно КПД и выходная мощность лазера. As a result of the fact that the major axis of the cavity caustic ellipse intersects almost the entire cross section of the gas discharge chamber 1.2 in a fast flowing gas laser 1 with transverse pumping 1.3, the laser efficiency and output are not significantly reduced.
Эллиптическое сечение каустики резонатора и выходного луча можно реализовать несколькими вариантами. Эти варианты изображены на фиг. 2. The elliptical section of the caustic of the resonator and the output beam can be implemented in several ways. These options are depicted in FIG. 2.
1. Неустойчивый резонатор, показанный на фиг. 2, имеет концевые сферические зеркала 1.1.1 и 1.1.2. Зеркало 1.1.1 - выпуклое, а зеркало 1.1.2 - вогнутое, причем точки фокусов этих зеркал совпадают. Выходное излучение резонатора в этом случае формируется при многократном отражении от зеркал в виде кольцевого пучка, огибающего малое выпуклое зеркало. Если зеркало 1.1.1 имеет эллиптическое сечение (незаштрихованная внутренняя часть фиг. 2a ) с меньшим размером 2a и большим размером 2b, то выходное излучение будет собой представлять эллиптическое кольцо с внешними размерами dmin = 2A и dmax = 2B и внутренними - 2a и 2b, причем A/a=B/b=M, где M - коэффициент увеличения неустойчивого резонатора, который для конфокального варианта равен, в частности, отношению радиусов M=R1.1.1./R1.1.2 кривизны концевых зеркал.1. The unstable resonator shown in FIG. 2, has end spherical mirrors 1.1.1 and 1.1.2. Mirror 1.1.1 is convex, and mirror 1.1.2 is concave, and the focal points of these mirrors coincide. The output radiation of the resonator in this case is formed upon repeated reflection from the mirrors in the form of an annular beam enveloping a small convex mirror. If the mirror 1.1.1 has an elliptical cross section (the unshaded inner part of Fig. 2a) with a
2.Устойчивый резонатор. В этом случае зеркало 1.1.1 является, как правило, плоским, полупрозрачным, по сечению подобным сечению выходного пучка. Эллиптическое сечение выходного пучка будет определяться в этом случае формой и размерами диафрагмы, находящейся перед выходным зеркалом 1.1.1. 2.Stable resonator. In this case, the mirror 1.1.1 is, as a rule, flat, translucent, in cross section similar to the section of the output beam. The elliptical cross section of the output beam will be determined in this case by the shape and size of the diaphragm located in front of the output mirror 1.1.1.
В случае, когда диафрагма имеет сечение, изображенное на фиг. 2, выходной пучок 3.1 имеет такое же сечение. In the case where the diaphragm has a cross section shown in FIG. 2, the output beam 3.1 has the same cross section.
В случае, если меньшая ось диафрагмы имеет размер 2A, несколько больший (примерно в 1,5 раза), чем размер перетяжки у основной моды 2W0, то реализуется случай, изображенный на фиг. 2г. В этом случае в плоскости меньшего сечения каустики резонатора реализуется одномодовая генерация размером dmin= 2W0, а в перпендикулярной плоскости существенна многомодовая генерация размером dmax = 2B.If the smaller axis of the diaphragm has a size of 2A, slightly larger (about 1.5 times) than the waist size of the main mode 2W 0 , then the case depicted in FIG. 2g In this case, in the plane of a smaller cross section of the cavity caustic, single-mode lasing of size d min = 2W 0 is realized, and in the perpendicular plane, multi-mode lasing of size d max = 2B is significant.
3. Возможен также резонатор, описанный в [3], который в одной плоскости, перпендикулярной потоку, является неустойчивым, а в другой, параллельной потоку, является одномодовым устойчивым резонатором. 3. A resonator described in [3] is also possible, which in one plane perpendicular to the flow is unstable, and in the other, parallel to the flow, it is a single-mode stable resonator.
В таком резонаторе реализуется либо двусторонний выход излучения (фиг. 2в), либо односторонний (фиг. 2г). В плоскости устойчивости резонатора реализуется Гауссова основная мода dmin=2W0, а в плоскости неустойчивости либо колоколообразный профиль излучения с вырезанной сердцевиной (фиг.2в) dmax= 2B, либо компактное сечение пучка (фиг.2г) dmax=2B.In such a resonator, either a two-sided radiation output is realized (Fig. 2c) or one-sided (Fig. 2d). In the cavity stability plane, the Gaussian fundamental mode d min = 2W 0 is realized, and in the instability plane either a bell-shaped radiation profile with a cut out core (Fig.2c) d max = 2B, or a compact beam section (Fig.2d) d max = 2B.
Дополнительно увеличить отношение максимального и минимального размеров пятна 3.1 на выходном окне 1.5, а значит еще более усилить теплоотвод и уменьшить тепловую нагрузку на выходное окно, можно, развернув его под углом Брюстера к направлению выходного пучка. Additionally, to increase the ratio of the maximum and minimum sizes of the spot 3.1 on the output window 1.5, which means to further strengthen the heat sink and reduce the heat load on the output window, you can expand it at a Brewster angle to the direction of the output beam.
Для многих технологических операций лазерной обработки достаточно в фокусе объектива иметь эллиптическое пятно. Например, это относится к лазерной резке, сварке и термообработке, которые проводятся только в одном направлении. В этом случае, как правило в фокусе, также реализуется пятно с эллиптическим сечением. Если минимальную ось эллипса ориентировать перпендикулярно направлению лазерной сварки или лазерной резки, то реализуется минимальный КПД и производительность процесса. For many laser operations, it’s enough to have an elliptical spot in the focus of the lens. For example, this applies to laser cutting, welding and heat treatment, which are carried out in only one direction. In this case, as a rule, in focus, a spot with an elliptical section is also realized. If the minimum axis of the ellipse is oriented perpendicular to the direction of laser welding or laser cutting, then the minimum efficiency and productivity of the process are realized.
Однако для таких технологических операций, как лазерная резка и сварка по произвольному контуру, желательно иметь фокальное пятно круглого сечения. В этом случае ширина реза или ширина шва (особенно в совокупности с круговой поляризацией излучения) будут постоянны и не будут зависеть от направления реза или сварки. However, for such technological operations as laser cutting and welding along an arbitrary contour, it is desirable to have a focal spot of circular cross section. In this case, the width of the cut or the width of the seam (especially in combination with the circular polarization of the radiation) will be constant and will not depend on the direction of the cut or welding.
В предложенном устройстве возможно получение круглого фокального пятна, несмотря на то, что пучок, направляемый на линзу, имеет эллиптическое сечение. Это связано с тем, что размер пятна в фокусе линзы определяется суммой двух факторов [2]:
1) произведением расходимости излучения θ и фокусного расстояния F;
2) сферической аберрацией, которая пропорциональна третьей степени размера пучка и обратно пропорциональна квадрату фокусного расстояния объектива.In the proposed device, it is possible to obtain a round focal spot, despite the fact that the beam directed to the lens has an elliptical cross section. This is due to the fact that the spot size at the focus of the lens is determined by the sum of two factors [2]:
1) the product of the divergence of the radiation θ and the focal length F;
2) spherical aberration, which is proportional to the third power of the beam size and inversely proportional to the square of the focal length of the lens.
Для того, чтобы в фокусе объектива получить круглое пятно, необходимо приравнять сферическую аберрацию в плоскости большого диаметра пучка, пропорциональную 
dF= θmin•F ,
где
A - аберрационный коэффициент, изменяющийся с изменением показателя преломления линзы;
dmax - диаметр пучка в максимальном сечении;
F - фокусное расстояние линзы.In order to get a round spot in the focus of the lens, it is necessary to equate the spherical aberration in the plane of the large diameter of the beam, proportional
d F = θ min • F,
Where
A is the aberration coefficient, changing with a change in the refractive index of the lens;
d max - the diameter of the beam in the maximum section;
F is the focal length of the lens.
Пятно, которое получится в фокусе, благодаря дифракции пучка малого размера dF= θmin•F, приравнивают к пятну аберрации
где
θmin - расходимость в плоскости минимального размера пучка.The spot that will be in focus due to the diffraction of a small-sized beam d F = θ min • F is equated to the spot of aberration
Where
θ min is the divergence in the plane of the minimum beam size.
Зная dmin, ε , А и θmin можно определить оптимальное значение фокусного расстояния Fопт, при котором фокальное пятно будет круглого сечения
Пример. CO2 - лазер, dmin = 12мм.Example. CO 2 - laser, d min = 12mm.
Линза из хлорида калия (KCl) с показателем преломления h=1,45
θmin= 1,5•10-3, ε = 3, A = 0,08 [2] .Potassium chloride lens (KCl) with a refractive index of h = 1.45
θ min = 1.5 • 10 -3 , ε = 3, A = 0.08 [2].
Тогда оптимальное фокусное расстояние, при котором реализуется в фокусе пятно круглого сечения будет
Источники информации
1. Технологические лазеры. Справочник в 2-х томах под ред. Г.А.Абильсиитова. М. : Машиностроение. 1991, т. 1. Гл. 5 23. Быстропроточные лазеры фирмы "Спектра физикс", с. 142-148.Sources of information
1. Technological lasers. Handbook in 2 volumes, ed. G.A.Abilsiitova. M.: Engineering. 1991, v. 1. Ch. 5 23. High-speed lasers of the Spectra Physics company, p. 142-148.
2. В. С. Голубев, Ф.В. Лебедев "Инженерные основы технологических лазеров". М.: Высшая школа. 1987. 2. V.S. Golubev, F.V. Lebedev "Engineering fundamentals of technological lasers". M .: Higher school. 1987.
3. М.Г. Галушкин, В. С. Голубев, В.В. Дембовецкий, А.М. Забелин. Исследование физических и технических факторов, определяющих качество излучения промышленных CO2 - лазеров киловаттного уровня мощности. Известия Академии наук. Серия Физическая, т.60, N 12, 1996, с. 157 - 164.3. M.G. Galushkin, V.S. Golubev, V.V. Dembovetsky, A.M. Zabelin. The study of physical and technical factors determining the radiation quality of industrial CO 2 - lasers of kilowatt power level. News of the Academy of Sciences. Physical Series, vol. 60, N 12, 1996, p. 157 - 164.
Claims (5)
где dmin - диаметр пучка в плоскости минимального сечения, мм;
dmax - диаметр пучка в плоскости максимального сечения пучка; мм;
F - фокусное расстояние линзы; мм.5. Installation according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the lens lens is made with a focal length determined by the following ratio:
where d min is the diameter of the beam in the plane of the minimum section, mm;
d max is the beam diameter in the plane of the maximum beam section; mm;
F is the focal length of the lens; mm
A - аберрационный коэффициент линзы.θ min is the divergence of radiation in the plane of the minimum beam section;
A is the aberration coefficient of the lens.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU96124789A RU2113332C1 (en) | 1996-12-31 | 1996-12-31 | Laser treatment plant |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU96124789A RU2113332C1 (en) | 1996-12-31 | 1996-12-31 | Laser treatment plant |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2113332C1 true RU2113332C1 (en) | 1998-06-20 |
| RU96124789A RU96124789A (en) | 1998-12-27 |
Family
ID=20188768
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU96124789A RU2113332C1 (en) | 1996-12-31 | 1996-12-31 | Laser treatment plant |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2113332C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU192565U1 (en) * | 2019-04-18 | 2019-09-23 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" (СГУГиТ) | Laser welding device with laser radiation |
-
1996
- 1996-12-31 RU RU96124789A patent/RU2113332C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Технологические лазеры. Справочник. /Под ред. А.И.Абильсинтова. М.: Машин остроение, 1991, т.1, с.142-148. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU192565U1 (en) * | 2019-04-18 | 2019-09-23 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" (СГУГиТ) | Laser welding device with laser radiation |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US3909744A (en) | Unstable resonator system producing a high irradiance beam in the far field | |
| US5586139A (en) | Laser system | |
| JP3089017B2 (en) | High power laser device with combination of focusing mirrors | |
| US5305345A (en) | Zigzag laser with reduced optical distortion | |
| US5052017A (en) | High power laser with focusing mirror sets | |
| US6512781B1 (en) | Gas laser with mode control | |
| US5125001A (en) | Solid laser device | |
| Yasui et al. | An unstable resonator with a phase‐unifying output coupler to extract a large uniphase beam of a filled‐in circular pattern | |
| KR100659438B1 (en) | Apparatus and method for laser processing | |
| KR0149771B1 (en) | Solid state laser for highpower laser beam generation | |
| Yasui et al. | Unstable resonator with phase‐unifying coupler for high‐power lasers | |
| JPH0530312B2 (en) | ||
| RU2113332C1 (en) | Laser treatment plant | |
| US3825856A (en) | Laser generator for single transverse mode operation | |
| US7280577B2 (en) | Pumping method for laser equipment | |
| US5293395A (en) | Stimulated raman laser of amplifier using axicon pumping | |
| US4255718A (en) | Transversely pumped dye laser having improved conversion efficiency | |
| US5764680A (en) | Folded internal beam path for gas stable/unstable resonator laser | |
| US5151916A (en) | Electric discharge tube for gas laser | |
| EP3510678B1 (en) | Wavelength discriminating slab laser | |
| Seyedzamani et al. | Simple highly efficient pumping configuration in high-power thin-disk laser | |
| US5761224A (en) | Miniature stimulated raman shifting cell | |
| Galushkin et al. | Physical and technical factors, determining beam quality of high-power industrial fast transverse flow CO2 lasers | |
| JPH0637368A (en) | Laser and beam expander | |
| US7315562B2 (en) | Stable/unstable optical cavity resonator for laser |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20100101 |