RU2466840C2 - Установка для лазерной обработки материалов - Google Patents
Установка для лазерной обработки материалов Download PDFInfo
- Publication number
- RU2466840C2 RU2466840C2 RU2010126556/02A RU2010126556A RU2466840C2 RU 2466840 C2 RU2466840 C2 RU 2466840C2 RU 2010126556/02 A RU2010126556/02 A RU 2010126556/02A RU 2010126556 A RU2010126556 A RU 2010126556A RU 2466840 C2 RU2466840 C2 RU 2466840C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- laser radiation
- laser
- optical fiber
- input
- focusing
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Optical Couplings Of Light Guides (AREA)
- Laser Beam Processing (AREA)
- Lasers (AREA)
Abstract
Установка предназначена для обработки материалов лазерным излучением. Лазер (2), установленный на основании (1), содержит активный элемент (3) с выходным торцом (4) и зеркала (5, 6) резонатора, по меньшей мере, два фокусирующих объектива (7, 8), устройство (10) переключения направления лазерного излучения к фокусирующим объективам и оптическую систему ввода лазерного излучения в торец оптического волокна. Объектив (7) соединен с оптическим волокном (9). Оптическая система выполнена в виде устройства переноса изображения с торца активного элемента (4) в торец (12) оптического волокна и содержит линзу (11) и линзу (13). Устройство (10) переключения направления лазерного излучения выполнено в виде установленной подвижно относительно основания (1) платформы (14), параллельно закрепленных на платформе входного (15) и выходного (16) зеркал, и фиксатора положении платформы. Поворотное зеркало (17) установлено на основании (1) за входным зеркалом (15) с возможностью отражения лазерного излучения к первому фокусирующему объективу (7) и с возможностью прохождения отраженного луча между входным (15) и выходным (16) зеркалами. Фокусирующий объектив (8) жестко скреплен с основанием (1). Поворотное зеркало (19) размещено перед линзой (11). Достигается точность позиционирования луча на поверхности торца оптического волокна, а следовательно повышается надежность и долговечность устройства при одновременном повышении точности лазерной обработки материалов. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.
Description
Изобретение относится к области машиностроения, а именно к устройствам, обеспечивающим обработку материалов лазерным излучением.
Известна установка для лазерной обработки материалов, включающая основание, установленный на основании лазер, содержащий активный элемент и зеркала резонатора, по меньшей мере, два фокусирующих объектива, первый из которых соединен с оптическим волокном, устройство переключения направления лазерного излучения к фокусирующим объективам, оптическую систему ввода лазерного излучения в торец оптического волокна, содержащую линзу, фокусирующую лазерное излучение во входной торец оптического волокна, причем устройство переключения направления лазерного излучения выполнено в виде установленной подвижно относительно основания платформы, параллельно закрепленных на платформе входного и выходного зеркал и фиксатора положении платформы, [1].
В известном устройстве лазерный луч проходит через размещенные на подвижной платформе поворотные зеркала, помещенные перед системой фокусирующих линз. Юстировкой поворотных зеркал обеспечивается совмещение оси лазерного пучка с оптической осью системы линз.
Недостатком известного устройства является то, что повышение точности позиционирования луча на входном торце оптического волокна ограничивается точностью установки линз и точностью юстировки поворотных зеркал. Диаметр оптического волокна намного меньше диаметра пучка излучения твердотельного лазера, поэтому при прохождении пучка через систему линз, уменьшающих диаметр пучка в М раз, угол α отклонения оси лазерного пучка от оптической оси на входе в систему линз на выходе увеличивается в М раз. Такое отклонение приводит к перемещению положения сфокусированного луча по поверхности торца оптического волокна, расположенного в фокальной плоскости линзы, и к разрушению волокна в случае выхода излучения за границы рабочей апертуры.
В известном устройстве каждый из двух фокусирующих объективов соединен с соответствующим оптическим волокном, что обеспечивает определенную гибкость при лазерной обработке материалов, однако в определенных случаях не обеспечивается необходимая точность.
Результат, на достижение которого направлено данное техническое решение, заключается в повышении точности позиционирования луча на поверхности торца оптического волокна, а следовательно в увеличении надежности и долговечности устройства при одновременном повышении точности лазерной обработки материалов.
Указанный результат достигается за счет того, что установка для лазерной обработки материалов, включающая основание, установленный на основании лазер, содержащий активный элемент и зеркала резонатора, по меньшей мере, два фокусирующих объектива, первый из которых соединен с оптическим волокном, устройство переключения направления лазерного излучения к фокусирующим объективам, оптическую систему ввода лазерного излучения в торец оптического волокна, содержащую линзу, фокусирующую лазерное излучение во входной торец оптического волокна, причем устройство переключения направления лазерного излучения выполнено в виде установленной подвижно относительно основания платформы, параллельно закрепленных на платформе входного и выходного зеркал, и фиксатора положении платформы, снабжена дополнительным поворотным зеркалом, установленным на основании за входным зеркалом устройства переключения на оптической оси лазерного излучения с возможностью отражения лазерного излучения к первому фокусирующему объективу при переключении устройства переключения в направлении лазерного излучения к торцу волоконо-оптического кабеля, второй фокусирующий объектив жестко скреплен с основанием, а оптическая система ввода лазерного излучения выполнена в виде устройства переноса изображения с торца активного элемента на входной торец оптического волокна. Дополнительное поворотное зеркало установлено с возможностью прохождения отраженного луча между входным и выходным зеркалами в положении устройства переключения в направлении лазерного излучения к торцу волоконо-оптического кабеля.
Указанный результат достигается за счет того, что она снабжена установленным на основании вторым дополнительным поворотным зеркалом, размещенным перед линзой, фокусирующей лазерное излучение во входной торец оптического волокна.
Изобретение поясняется чертежами; где на фиг, 1 представлен пример выполнения заявленного устройства, на фиг.2 - то же при переключении оптических каналов, на фиг.3 - схема, поясняющая работу устройства.
Установка для лазерной обработки материалов включает основание 1, установленный на основании лазер 2, содержащий активный элемент 3 с выходным торцом 4 и зеркала 5, 6 резонатора, по меньшей мере, два фокусирующих объектива 7, 8 первый из которых 7 соединен с оптическим волокном 9, устройство 10 переключения направления лазерного излучения к фокусирующим объективам, оптическую систему ввода лазерного излучения в торец оптического волокна, содержащую линзу 11, фокусирующую лазерное излучение во входной торец 12 оптического волокна и линзу 13.
Устройство 10 переключения направления лазерного излучения выполнено в виде установленной подвижно относительно основания 1 платформы 14, параллельно закрепленных на платформе входного 15 и выходного 16 зеркал, и фиксатора положении платформы (на чертеже не показан). Дополнительное поворотное зеркало 17 установлено на основании 1 за входным зеркалом 15 устройства 10 переключения на оптической оси 18 лазерного излучения с возможностью отражения лазерного излучения к первому фокусирующему объективу 7. Фокусирующий объектив 8 жестко скреплен с основанием 1, а оптическая система ввода лазерного излучения выполнена в виде устройства переноса изображения с торца активного элемента 4 на входной торец 12 оптического волокна.
Дополнительное поворотное зеркало 17 установлено с возможностью прохождения отраженного луча между входным 15 и выходным 16 зеркалами. Установка снабжена установленным на основании вторым дополнительным поворотным зеркалом 19, размещенным перед линзой 11, фокусирующей лазерное излучение во входной торец 12 оптического волокна.
Пример выполнения оптической системы ввода лазерного излучения в торец оптического волокна в виде устройства переноса изображения с торца активного элемента на входной торец оптического волокна.
Прохождение лазерного луча через оптическую систему, содержащую линзы, описывается с помощью матричной оптики, где матрица передачи луча ABCD соответствует заданной системе [2]. Рассматривая распространение луча от первой опорной плоскости, соответствующей выходному торцу активного элемента, до второй опорной плоскости, соответствующей входному торцу оптического волокна, обозначим поперечную координату луча на первой плоскости через y1, на второй -через y2, а углы наклона луча к оптической оси - через α1 и α2, соответственно. В этом случае параметры луча на входе и выходе оптической системы связаны соотношениями
y2=Ay1+Bα1; α2=Cy1+Dα1.
Если элемент В матрицы передачи луча равен нулю, то соответствующая данной матрице оптическая система осуществляет перенос изображения из первой опорной плоскости во вторую с увеличением А. В этом случае все лучи, вышедшие с произвольными углами из точки с координатой y1, сойдутся в точке с координатой y2. При этом для всех матриц передачи луча выполняется условие AD-ВС=0.
Таким образом, система ввода лазерного излучения выполняется таким образом, чтобы при переносе изображения с торца активного элемента на торец оптического волокна, отношение диаметров лазерного пучка на выходе и входе системы равнялось численному значению элемента А матрицы передачи луча данной системы, а численное значение элемента В равнялось нулю.
В качестве примера выполнения оптической системы ввода лазерного излучения в торец оптического волокна, содержащей линзу, фокусирующую лазерное излучение во входной торец оптического волокна, рассмотрим показанную на фиг.3 систему из двух линз 11 и 13 с фокусным расстоянием f2 и f1, расстояние между которыми равно S. Расстояние между торцом 4 активного элемента и линзой 13 с фокусным расстоянием f1 составляет 11, а расстояние между линзой 11 с фокусным расстоянием f2 и торцом 12 оптического волокна составляет 12. Соответствующая матрица передачи луча ABCD между торцами активного элемента и волокна имеет вид:
При диаметре активного элемента 6,3 мм и диаметре волокна - 0,5 мм численное значение элемента А матрицы передачи луча равняется отношению диаметров лазерного пучка на выходе и входе системы, то есть А=0,5/6,3=0,08. Чтобы линза с фокусным расстоянием f2 фокусировала лазерное излучение во входной торец 12 оптического волокна, торец размещают в фокальной плоскости линзы на расстоянии l2=f2, при этом значение фокусного расстояния выбрано равным f2=30 мм.
Подставляя заданные значения в формулу (1) и приравнивая А=0,08, получим величину фокусного расстояния f1=l2/0,08=375 мм.
Подставляя полученные значения в формулу для (2) и приравнивая В=0, получим величину расстояния l1=375 мм.
Преобразование гауссовых пучков в линзовой системе описывается формулой 
где q1 и q2 - соответственно параметры пучка на входе и выходе системы. Подставляя в данную формулу значения А, D, С, D - элементов матрицы для рассмотренного случая, получаем С=0. Следовательно, расстояние между линзами составляет S=f1+f2=405 мм.
Работает устройство следующим образом.
В процессе генерации лазерного излучения диаметр торца цилиндрического активного элемента 3 выполняет роль диафрагмы, ограничивающей поперечный размер пучка лазерного излучения в резонаторе, образованном зеркалами 5 и 6. Лазерное излучение выводится из резонатора через зеркало 5 и последовательно проходит поворотное зеркало 17, линзу 13, поворотное зеркало 19 и линзу 11, фокусирующую лазерное излучение во входной торец 12 оптического волокна. Выполненные в соответствии с представленным выше расчетом линзы 13 и 11 установлены на расстоянии, обеспечивающем перенос изображения выходного торца 4 активного элемента на торец оптического волокна 12. Изображение торца активного элемента 4 на торце оптического волокна 12 является границей, в пределах которой пучок лазерного излучения входит в оптическое волокно.
За счет такого технического решения повышается точность позиционирования луча на поверхности торца оптического волокна, а следовательно, увеличивается надежность и долговечность устройства.
Установка дополнительного поворотного зеркала с возможностью прохождения отраженного луча между входным и выходным зеркалами устройства переключения позволяет снизить габариты устройства и обеспечить необходимую жесткость основания без увеличения его массы, что позволяет получить необходимую точность при обработке материалов.
Таким образом, предложенное техническое решение позволит:
- повысить точность позиционирования луча на входной торец волоконо-оптического кабеля;
- обеспечить увеличение надежности и долговечности работы устройства;
- уменьшить массогабаритные параметры устройства.
Источники информации
1. Патент США №6008469, МКИ B23K 26/06, 1999.
2. Справочник по лазерам в 2-х т. М.Ф.Стельмах, Г.Когельник, В.П.Быков и др.; Под ред. A.M.Прохорова. - М.: Сов. радио, 1978. Т.2. - 400 с.
Claims (3)
1. Установка для лазерной обработки материалов, включающая основание, установленный на основании лазер, содержащий активный элемент и зеркала резонатора, по меньшей мере, два фокусирующих объектива, первый из которых соединен с оптическим волокном, устройство переключения направления лазерного излучения к фокусирующим объективам, оптическую систему ввода лазерного излучения в торец оптического волокна, содержащую линзу, фокусирующую лазерное излучение во входной торец оптического волокна, причем устройство переключения направления лазерного излучения выполнено в виде установленной подвижно относительно основания платформы, параллельно закрепленных на платформе входного и выходного зеркал и фиксатора положения платформы, отличающаяся тем, что она снабжена дополнительным поворотным зеркалом, установленным на основании за входным зеркалом упомянутого устройства переключения на оптической оси лазерного излучения с возможностью отражения лазерного излучения к первому фокусирующему объективу, второй фокусирующий объектив жестко скреплен с основанием, а оптическая система ввода лазерного излучения выполнена в виде устройства переноса изображения с торца активного элемента на входной торец оптического волокна.
2. Установка для лазерной обработки материалов по п.1, отличающаяся тем, что дополнительное поворотное зеркало установлено с возможностью прохождения отраженного луча между входным и выходным зеркалами.
3. Установка для лазерной обработки материалов по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена установленным на основании вторым дополнительным поворотным зеркалом, размещенным перед линзой, фокусирующей лазерное излучение во входной торец оптического волокна.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010126556/02A RU2466840C2 (ru) | 2010-06-30 | 2010-06-30 | Установка для лазерной обработки материалов |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010126556/02A RU2466840C2 (ru) | 2010-06-30 | 2010-06-30 | Установка для лазерной обработки материалов |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2010126556A RU2010126556A (ru) | 2012-01-10 |
| RU2466840C2 true RU2466840C2 (ru) | 2012-11-20 |
Family
ID=45783310
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010126556/02A RU2466840C2 (ru) | 2010-06-30 | 2010-06-30 | Установка для лазерной обработки материалов |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2466840C2 (ru) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE4140182A1 (de) * | 1991-12-05 | 1993-06-09 | Carl Baasel Lasertechnik Gmbh, 8130 Starnberg, De | Vorrichtung zum ueberwachen der laserbearbeitung eines werkstuecks |
| DE4435531A1 (de) * | 1994-10-05 | 1995-04-20 | Bernhard Albert Dipl Ing | Nd:YAG-Laser-Fokussiereinrichtung zum Schweißen, insbesondere von Blechen |
| WO1999059764A1 (en) * | 1998-05-07 | 1999-11-25 | Permanova Lasersystem Ab | An apparatus for determining the position of the focal point in a laser machining system |
| US6008469A (en) * | 1997-03-27 | 1999-12-28 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Laser beam branching apparatus |
| WO2003081287A2 (en) * | 2002-03-18 | 2003-10-02 | Mississippi State University | Fiber optic laser-induced breakdown spectroscopy sensor for molten material analysis |
-
2010
- 2010-06-30 RU RU2010126556/02A patent/RU2466840C2/ru active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE4140182A1 (de) * | 1991-12-05 | 1993-06-09 | Carl Baasel Lasertechnik Gmbh, 8130 Starnberg, De | Vorrichtung zum ueberwachen der laserbearbeitung eines werkstuecks |
| DE4435531A1 (de) * | 1994-10-05 | 1995-04-20 | Bernhard Albert Dipl Ing | Nd:YAG-Laser-Fokussiereinrichtung zum Schweißen, insbesondere von Blechen |
| US6008469A (en) * | 1997-03-27 | 1999-12-28 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Laser beam branching apparatus |
| WO1999059764A1 (en) * | 1998-05-07 | 1999-11-25 | Permanova Lasersystem Ab | An apparatus for determining the position of the focal point in a laser machining system |
| WO2003081287A2 (en) * | 2002-03-18 | 2003-10-02 | Mississippi State University | Fiber optic laser-induced breakdown spectroscopy sensor for molten material analysis |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2010126556A (ru) | 2012-01-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US20200355801A1 (en) | Transmitting device for a lidar scanner having a scanning mirror covered by a cover element | |
| KR101609029B1 (ko) | 광 전달 매질의 투과 특성을 측정하는 방법 및 이를 이용한 이미지 획득 장치 | |
| US20170214839A1 (en) | Active imaging systems and method | |
| JP7355171B2 (ja) | 光学装置、これを用いた距離計測装置、及び移動体 | |
| US5850310A (en) | Zoom device | |
| KR101659391B1 (ko) | 노광 헤드 및 노광 장치 | |
| JP5244611B2 (ja) | レーザビームのプロファイルを形成するための光学系および方法 | |
| RU100938U1 (ru) | Установка для лазерной обработки материалов | |
| RU2466840C2 (ru) | Установка для лазерной обработки материалов | |
| JP2022523598A (ja) | 明るい縁または暗い縁を伴う均質強度分布を形成するための装置 | |
| JP5092159B2 (ja) | 光学装置及び光学設計方法 | |
| WO2003012525A1 (en) | Optical system and method for producing focused and defocused images | |
| KR102524153B1 (ko) | 레이저 방사선의 선형 강도 분포를 발생시키는 장치 | |
| CN105980933B (zh) | 射束曝光装置 | |
| JP7354451B2 (ja) | 光学ホモジナイザを備える送信ユニットおよびｌｉｄａｒデバイス | |
| CN112462384B (zh) | 一种高分辨率固态面阵激光雷达系统、控制方法及装置 | |
| KR20210116369A (ko) | 간단한 대물렌즈위치 순차제어를 통한 2차원 주사광학시스템 | |
| CN208921064U (zh) | 一种激光相机及其光学成像系统 | |
| TWI485431B (zh) | 用於均質同調輻射的設備 | |
| JP5416707B2 (ja) | 均質化された光線を形成するための装置及び方法 | |
| CN113260893A (zh) | 光学系统 | |
| JP4944325B2 (ja) | 結像システム | |
| KR102654876B1 (ko) | Doe 설계를 통한 텔레센트릭 에프세타 송수신 광학계 시스템 | |
| CN219590577U (zh) | 光学成像器件 | |
| CN112629680B (zh) | 基于夏克-哈特曼波前传感的航空相机检焦装置及方法 |