RU2725685C1 - Tunable optical shaper of scalable flat homogeneous laser beam - Google Patents
Tunable optical shaper of scalable flat homogeneous laser beam Download PDFInfo
- Publication number
- RU2725685C1 RU2725685C1 RU2019126988A RU2019126988A RU2725685C1 RU 2725685 C1 RU2725685 C1 RU 2725685C1 RU 2019126988 A RU2019126988 A RU 2019126988A RU 2019126988 A RU2019126988 A RU 2019126988A RU 2725685 C1 RU2725685 C1 RU 2725685C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- divergence
- optical
- cylindrical lens
- laser
- caustic
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B19/00—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics
- G02B19/0033—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the use
- G02B19/0047—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the use for use with a light source
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
- G02B27/0927—Systems for changing the beam intensity distribution, e.g. Gaussian to top-hat
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/24—Coupling light guides
- G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
- G02B6/4296—Coupling light guides with opto-electronic elements coupling with sources of high radiant energy, e.g. high power lasers, high temperature light sources
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/005—Optical devices external to the laser cavity, specially adapted for lasers, e.g. for homogenisation of the beam or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
Изобретение относится к оптическому устройству из области лазерной оптики для формирования лазерного пучка, а именно - вывода лазерного излучения в направлении обрабатываемого тела и формирования на нем сфокусированного резкого изображения однородного плоского лазерного пучка.The invention relates to an optical device from the field of laser optics for forming a laser beam, namely, the output of laser radiation in the direction of the processed body and the formation on it of a focused sharp image of a uniform flat laser beam.
Уровень техникиState of the art
Оптические формирователи (конфигураторы, преобразователи) лазерного излучения используют для преобразования неоднородного по сечению лазерного пучка в однородное. При этом используют различные оптические устройства, содержащие линзы, дифракционные решетки или матричные элементы. Наиболее удобным для преобразования лазерным пучком является пучок с гауссовым распределением мощности в сечении. После оптического преобразования можно получить однородное распределение мощности на поверхности мишени в виде пятна различной формы: круглое, прямоугольное, квадратное, плоское. Однородность в пределах пятна позволяет достичь более высокого качества обработки материала. Так, например, при лазерной наплавке порошкового материала по большой площади выгодно применять прямоугольный пучок большой мощности, а еще лучше плоский. Известные конфигураторы являются статическими устройствами в составе лазерных оконечных устройств (головок) мощных лазеров и не способны изменять или перестраивать линейные размеры однородного лазерного пятна без ухудшения однородности распределения плотности мощности излучения в его пределах.Optical shapers (configurators, converters) of laser radiation are used to convert an inhomogeneous laser beam into a uniform beam. In this case, various optical devices containing lenses, diffraction gratings, or matrix elements are used. The most convenient laser beam for conversion is a beam with a Gaussian power distribution in the cross section. After optical conversion, you can get a uniform power distribution on the target surface in the form of spots of various shapes: round, rectangular, square, flat. The uniformity within the stain allows to achieve a higher quality of material processing. So, for example, when laser surfacing of powder material over a large area, it is advantageous to use a rectangular beam of high power, and even better flat. Known configurators are static devices in the composition of the laser terminal devices (heads) of powerful lasers and are not able to change or rearrange the linear dimensions of a homogeneous laser spot without deteriorating the uniformity of the distribution of the radiation power density within it.
В настоящем изобретении предлагается перестраиваемое оптическое устройство, которое способно масштабировать изображение сконфигурированного лазерного пятна без заметного ухудшения однородного распределения плотности мощности в пределах пятна в виде отрезка прямой линии разной длины с резкими границами.The present invention provides a tunable optical device that is capable of scaling an image of a configured laser spot without noticeable deterioration of the uniform distribution of power density within the spot in the form of a straight line segment of different lengths with sharp boundaries.
В изобретении US 20090032511 А1 однородность в виде гомогенизации излучения в каустике пучка была реализована конфигуратором пучка, который преобразует распределение излучения гауссового пучка в излучение с другим более однородным пространственным распределением поля засветки. В изобретении однородность поля засветки достигается применением множества микрооптических элементов для гомогенизации излучения. Система разработана для невысоких мощностей лазерного излучения, она не перестраиваемая и не может быть использована при больших мощностях излучения в силу значительных потерь на элементах микрооптики.In the invention US 20090032511 A1, uniformity in the form of radiation homogenization in the beam caustic was realized by the beam configurator, which converts the radiation distribution of the Gaussian beam into radiation with another more uniform spatial distribution of the illumination field. In the invention, uniformity of the illumination field is achieved by using a plurality of micro-optical elements to homogenize the radiation. The system is designed for low laser radiation powers, it is not tunable and cannot be used at high radiation powers due to significant losses on the elements of microoptics.
Известна не перестраиваемая статическая оптическая ахроматическая система, ЕР 1998215 (А1), преобразующая лазерный пучок с коаксиальной симметрией и гауссовым распределением интенсивности по сечению пучка в однородное распределение по сечению за счет использования двух групп линз с различной ахроматической дисперсией. Трансформация пучка достигается применением асферических линз. Понятно, что стоимость оптической системы с таким конфигуратором будет слишком высокой из-за наличия асферических поверхностей оптических элементов, которые значительно более трудоемки в изготовлении по сравнению с традиционными сферическими поверхностями. Кроме того, для монохроматичного лазерного излучения требования ахроматичного исполнения оптики также излишние.A known non-tunable static optical achromatic system, EP 1998215 (A1), converts a laser beam with coaxial symmetry and a Gaussian intensity distribution over the beam section into a uniform distribution over the section through the use of two groups of lenses with different achromatic dispersion. Beam transformation is achieved by using aspherical lenses. It is clear that the cost of an optical system with such a configurator will be too high due to the presence of aspherical surfaces of the optical elements, which are much more laborious to manufacture compared to traditional spherical surfaces. In addition, for monochromatic laser radiation, the requirements for achromatic optics are also unnecessary.
Известен патент на изобретение US 7400457 B1, в котором для формирования прямоугольного пятна на мишени используют две асферические астигматические цилиндрические линзы с ортогонально ориентированными осями. Понятно, что и в этом случае, стоимость оптической системы с таким конфигуратором будет слишком высокой из-за наличия астигматических цилиндрических поверхностей оптических элементов, которые значительно более трудоемки в изготовлении по сравнению с традиционными цилиндрическими поверхностями. Кроме того, описанная система не позволяет масштабировать размеры изображения лазерного пятна.A patent for the invention is known to US 7400457 B1, in which two aspherical astigmatic cylindrical lenses with orthogonally oriented axes are used to form a rectangular spot on the target. It is clear that in this case, the cost of an optical system with such a configurator will be too high due to the presence of astigmatic cylindrical surfaces of optical elements, which are much more laborious to manufacture compared to traditional cylindrical surfaces. In addition, the described system does not allow scaling the image size of the laser spot.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является изобретение WO 2012071050 A1, в котором для формирования однородного профиля пучка мощного лазера используют комбинацию цилиндрической линзы и линзы Френеля. Однако, ввиду дискретного набора статических оптических элементов, отсутствует возможность масштабирования изображения пятна.The closest in technical essence to the present invention is the invention WO 2012071050 A1, in which a combination of a cylindrical lens and a Fresnel lens is used to form a uniform beam profile of a high-power laser. However, due to the discrete set of static optical elements, there is no possibility of scaling the image of the spot.
Предлагаемое настоящее изобретение лишено указанных выше недостатков известных ранее оптических лазерных конфигураторов распределения мощности и позволяет решить задачу масштабирования и вывода лазерного излучения в направлении обрабатываемого тела с формированием на нем сфокусированного резкого изображения однородного пятна в виде перестраиваемой линии заданной длины и с однородным распределением плотности лазерной мощности в ее пределах.The present invention is devoid of the above disadvantages of previously known optical laser power distribution configurators and allows solving the problem of scaling and outputting laser radiation in the direction of the body being processed with the formation of a focused sharp image of a uniform spot on it in the form of a tunable line of a given length and with a uniform distribution of laser power density in its limits.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
В основу настоящего изобретения положена задача разработать оптическое устройство, не содержащее асферических оптических элементов, способное осуществлять требуемое масштабирование изображения однородного плоского лазерного пучка на мишени. При этом изображение получают в виде линии требуемой длины от лазерного источника с гауссовым профилем выходного пучка большой мощности, достаточной для металлообработки.The present invention is based on the task of developing an optical device that does not contain aspherical optical elements, capable of performing the required scaling of the image of a uniform plane laser beam on the target. The image is obtained in the form of a line of the required length from a laser source with a Gaussian profile of the output beam of high power, sufficient for metal processing.
Техническим результатом является возможность плавной перестройки размера сфокусированного лазерного пучка с сохранением однородности плотности мощности лазерного излучения киловаттного диапазона в пределах изображения пятна на мишени в виде отрезка прямой линии, причем, в пределах линии, излучение не только однородно, но и имеет ярко выраженные резкие очертания, поэтому достигается максимально возможная плотность мощности излучения на обрабатываемой поверхности материала.The technical result is the possibility of smoothly adjusting the size of the focused laser beam while maintaining the uniformity of the power density of the laser radiation in the kilowatt range within the image of the spot on the target in the form of a straight line segment, and, within the line, the radiation is not only uniform, but also has pronounced sharp outlines, therefore, the maximum possible radiation power density on the treated surface of the material is achieved.
Для решения поставленной задачи предлагается использовать оптическое устройство - оптический формирователь пучка, которое выполняется в жестком корпусе, имеет оптический вход и выход, подвижные оптические элементы (линзы). Своим оптическим входом стыкуется с выходом лазерного устройства. Для мощных волоконных лазеров киловаттного диапазона мощности апертура излучения исходящего гауссового пучка определяется размером сердцевины волокна (более 14 мкм) и в виде расходящегося пучка поступает на вход оптического формирователя пучка и далее на оптический формирователь расходимости пучка, который обеспечивает требуемую расходимость пучка в соответствии с требуемым масштабированием изображения лазерного пятна на обрабатываемой поверхности (экране, мишени) за счет подвижности внутри корпуса оптического формирователя. Формирователь расходимости пучка способен формировать сходящийся, коллимированный и расходящийся пучок, в зависимости от размера масштабирования выходного пучка. Сам же выходной пучок испытывает трансформацию интенсивности в поперечнике (в сечении, в профиле) исходного гауссового пучка пройдя через преобразователь интенсивности пучка, который выполняют в виде пары оптических элементов - цилиндрической линзы и бипризмы Френеля. Наличие подвижного формирователя расходимости пучка обеспечивает плавную настройку масштабирования плоского пучка без ущерба для его однородности в пределах пятна изображения на мишени, которое представляется в виде линии как проекции плоского лазерного пучка.To solve this problem, it is proposed to use an optical device - an optical beam former, which runs in a rigid case, has an optical input and output, and movable optical elements (lenses). Its optical input is connected to the output of the laser device. For high-power fiber lasers of the kilowatt power range, the radiation aperture of the outgoing Gaussian beam is determined by the size of the fiber core (more than 14 μm) and in the form of a diverging beam is fed to the input of the optical beam former and then to the optical beam divergence beam, which provides the required beam divergence in accordance with the required scaling images of the laser spot on the treated surface (screen, target) due to mobility inside the body of the optical shaper. The beam divergence shaper is capable of forming a convergent, collimated and diverging beam, depending on the size of the output beam scaling. The output beam itself undergoes a transformation of the intensity across the cross section (in the profile) of the original Gaussian beam passing through the beam intensity transducer, which is performed as a pair of optical elements - a cylindrical lens and Fresnel biprism. The presence of a movable beam divergence shaper provides smooth adjustment of the scaling of a plane beam without affecting its uniformity within the image spot on the target, which is presented in the form of a line as a projection of a plane laser beam.
Другие преимущества и отличительные особенности предложенного изобретения станут очевидными из нижеследующего описания предпочтительных вариантов осуществления, приведенных со ссылкой на прилагаемые чертежи.Other advantages and features of the proposed invention will become apparent from the following description of preferred embodiments given with reference to the accompanying drawings.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
Фиг. 1 Известная (традиционная) оптическая схема формирователя однородного линейного профиля из коллимированного гауссового пучка: 1 - бипризма Френеля, 2 - цилиндрическая линза, 3 - лазерный источник излучения, 10 - оптический коллиматор пучка, 100 - оптический конфигуратор интенсивности пучка, М - мишень (экран или плоскость детали).FIG. 1 Known (traditional) optical scheme of a uniform linear profile former from a collimated Gaussian beam: 1 - Fresnel biprism, 2 - cylindrical lens, 3 - laser radiation source, 10 - optical beam collimator, 100 - optical beam intensity configurator, M - target (screen or part plane).
Фиг. 2 Известное (традиционное) распределение интенсивности излучения по оси Z после преобразования коллимированного гауссового пучка радиусом W0. По направлению оси X распределение размером W0. По направлению оси Y в сечении пучка - гауссов профиль, размер которого w (по уровню е-2) равен размеру точечного источника излучения, умноженного на коэффициент увеличения оптической системы (отношение фокусов цилиндрической линзы 2 и коллиматора 10 в схеме на фиг. 1).FIG. 2 Known (traditional) distribution of radiation intensity along the Z axis after the conversion of a collimated Gaussian beam of radius W 0 . In the direction of the X axis, a distribution of size W 0 . In the direction of the Y axis in the beam - Gaussian section, a profile whose size w (at the level of e -2 ) is equal to the size of a point radiation source multiplied by the magnification factor of the optical system (the ratio of the foci of the
Фиг. 3 Схема перестраиваемого оптического формирователя пучка для масштабирования плоского однородного расходящегося лазерного пучка с подвижным формирователем расходимости пучка, смещаемого на расстояние х от его главной фокальной плоскости Fc.FIG. 3 Scheme of a tunable optical beam former for scaling a plane homogeneous diverging laser beam with a movable beam divergence former shifted by a distance x from its main focal plane F c .
Фиг. 4 Схема перестраиваемого оптического формирователя пучка для масштабирования плоского однородного расходящегося лазерного пучка с подвижным формирователем расходимости пучка и с взаимно ортогональными менисками на его выходе, Fc совпадает с fc.FIG. 4 Diagram of a tunable optical beam former for scaling a plane homogeneous diverging laser beam with a movable beam divergence former and mutually orthogonal menisci at its output, F c coincides with f c .
Фиг. 5 Неравномерность профиля интенсивности пучка при минимально возможном параметре d = 5 мм (х = 60 мм). Выходная апертура лазерного источника принята - 50 мкм. Размер профиля L = 50 мм. Потеря мощности ΔW = 0.5%, неравномерность δ = 12.6%. Полная шкала по оси X равна удвоенной длине профиля L. Полная шкала по оси Y - 10 мм.FIG. 5 Uneven beam intensity profile with the smallest possible parameter d = 5 mm (x = 60 mm). The output aperture of the laser source is accepted - 50 microns. Profile size L = 50 mm. Power loss ΔW = 0.5%, non-uniformity δ = 12.6%. The full scale along the X axis is equal to twice the length of the L profile. The full scale along the Y axis is 10 mm.
Фиг. 6 Зависимость размера плоского пучка L от смещения х в схеме на фиг. 3 (d = 45 мм).FIG. 6 The dependence of the size of a planar beam L on the displacement x in the circuit of FIG. 3 (d = 45 mm).
Фиг. 7 Зависимость эмпирическая коэффициента αр (от коэффициента масштабирования m), необходимого при точном расчете радиуса корректирующего мениска Rp бипризмы Френеля для уменьшения потери мощности и неоднородности прямолинейного профиля пучка.FIG. 7 Dependence of the empirical coefficient α p (on the scaling factor m), which is necessary for the exact calculation of the radius of the correcting meniscus R p of the Fresnel biprism to reduce the power loss and heterogeneity of the straight beam profile.
Условные обозначения:Legend:
W0 - радиус коллимированного гауссового пучка в оптическом формирователе;W 0 is the radius of the collimated Gaussian beam in the optical shaper;
w - размер гауссового профиля, определяемый размером апертуры (диаметром световедущей сердцевины оптического волокна) лазерного источника излучения, умноженным на коэффициент увеличения оптической системы (отношение фокусов цилиндрической линзы и коллиматора);w is the size of the Gaussian profile, determined by the size of the aperture (diameter of the light guide core of the optical fiber) of the laser radiation source, multiplied by the magnification factor of the optical system (the ratio of the foci of the cylindrical lens and collimator);
L0 - размер плоского профиля для коллимированного гауссового пучка, равный W0;L 0 is the size of the flat profile for the collimated Gaussian beam, equal to W 0 ;
L - размер плоского профиля для неколлимированного гауссового пучка;L is the size of the flat profile for a non-collimated Gaussian beam;
fc - фокусное расстояние формирователя расходимости излучения в режиме коллимации пучка;f c is the focal length of the radiation divergence former in the beam collimation mode;
Fc - положение главной плоскости формирователя расходимости;F c is the position of the main plane of the divergence former;
fl - фокусное расстояние цилиндрической линзы для коллимированного пучка;f l is the focal length of a cylindrical lens for a collimated beam;
fp - расстояние от бипризмы до перетяжки каустики пучка для коллимированного пучка;f p is the distance from the biprism to the waist of the caustic beam for a collimated beam;
Fp - расстояние от бипризмы до перетяжки каустики для неколлимированного пучка;F p is the distance from the biprism to the caustic constriction for an uncollimated beam;
Fl - расстояние от цилиндрической линзы до перетяжки каустики для неколлимированного пучка;F l is the distance from the cylindrical lens to the caustic constriction for an uncollimated beam;
d - удаленность (расстояние) от цилиндрической линзы до главной плоскости Fc формирователя расходимости;d is the distance (distance) from the cylindrical lens to the main plane F c of the divergence former;
X - смещение линзы в формирователе расходимости от его главной плоскости Fc;X is the lens shift in the divergence shaper from its main plane F c ;
dl - расстояние между цилиндрической линзой и ее корректирующим мениском;d l is the distance between the cylindrical lens and its corrective meniscus;
dp - расстояние между бипризмой и ее корректирующим мениском;d p is the distance between biprism and its correcting meniscus;
Rl- расчетный радиус кривизны корректирующего мениска для цилиндрической линзы;R l is the estimated radius of curvature of the correction meniscus for a cylindrical lens;
Rp - расчетный радиус кривизны корректирующего мениска для бипризмы Френеля;R p is the estimated radius of curvature of the correcting meniscus for Fresnel biprism;
αp - эмпирический коэффициент для пропорциональной (αp⋅Rp) коррекции расчетного радиуса кривизны Rp;α p is the empirical coefficient for the proportional (α p ⋅R p ) correction of the calculated radius of curvature R p ;
δ - относительная неоднородность интенсивности однородного профиля пучка;δ is the relative heterogeneity of the intensity of the uniform profile of the beam;
m - коэффициент масштабирования;m is the scaling factor;
ΔW - относительная потеря мощности излучения.ΔW is the relative loss of radiation power.
Осуществление изобретенияThe implementation of the invention
Типичный известный оптический преобразователь (фиг. 1), конфигуратор интенсивности пучка 100 для преобразования коллимированного гауссового лазерного пучка в плоский и однородный по сечению в перетяжке каустики, состоит из бипризмы Френеля 1 на выходе излучения и цилиндрической линзы 2 перед ней. На его вход подается коллимированное излучение от лазерного источника 3. Формирует коллимированный пучок оптический коллиматор пучка 10, который традиционно содержит одну и более линз и преобразует расходящийся лазерный пучок в коллимированный. На Мишени М (экране или в плоскости детали), в перетяжке каустики, формируют таким образом световое пятно в виде прямой линии длиной равной радиусу коллимированного гауссового пучка W0 и шириной w, определяемой размером точечного гауссового лазерного источника 3.A typical known optical transducer (Fig. 1), a
Как известно, бипризма Френеля разделяет коллимированный гауссов пучок на два сходящихся навстречу друг другу полупучка. На некотором расстоянии от бипризмы Френеля в перетяжке каустики пучка в плоскости, ортогональной оптической оси, размер изображения светового пятна будет минимальным. Это расстояние назовем «фокусом» бипризмы Френеля. Пересечение волновых фронтов, производимое бипризмой Френеля, не приводит к интерференции и соответствующей пространственной модуляции интенсивности излучения, если длина когерентности излучения существенно меньше ее фокусного расстояния. Например, для излучения мощных волоконных лазеров длина когерентности менее 0,05 см при ширине спектра излучения 2÷4 нм.As is known, Fresnel biprism divides a collimated Gaussian beam into two half-beam converging towards each other. At a certain distance from the Fresnel biprism in the constriction of the beam caustic in a plane orthogonal to the optical axis, the image size of the light spot will be minimal. This distance will be called the “focus” of the Fresnel biprism. The intersection of wave fronts produced by the Fresnel biprism does not lead to interference and the corresponding spatial modulation of the radiation intensity, if the radiation coherence length is significantly less than its focal length. For example, for radiation from high-power fiber lasers, the coherence length is less than 0.05 cm with a radiation spectrum width of 2–4 nm.
Цилиндрическая линза сжимает коллимированный гауссов пучок в одной плоскости. В ортогональной плоскости бипризма Френеля в своем фокусе, совпадающем по положению с фокусом цилиндрической линзы, формирует суммарную однородную картину профиля интенсивности наложением двух половинок гауссового профиля шириной, равной радиусу W0 (по уровню е-2) исходного пучка. В результате такого суммирования совмещением получают однородное распределение интенсивности излучения в проекции изображения пучка на плоский экран, в виде отрезка прямой линии длиной L0=W0 и шириной w гауссового профиля (фиг. 2), определяемой размером точечного гауссового источника излучения, умноженным на коэффициент увеличения оптической системы (отношение фокусов цилиндрической линзы 2 и коллиматора 10). Для сравнения вариантов формирования плоского линейного профиля определим параметры неоднородности пучка и относительной потери мощности. Относительная неоднородность интенсивности излучения профиля пучка δ определяется формулой:A cylindrical lens compresses a collimated Gaussian beam in one plane. In the orthogonal plane of the Fresnel biprism, at its focus, which coincides in position with the focus of the cylindrical lens, forms a total homogeneous pattern of the intensity profile by superimposing two halves of a Gaussian profile with a width equal to the radius W 0 (at the level of e -2 ) of the initial beam. As a result of this summation by combining, a uniform distribution of radiation intensity in the projection of the beam image onto a flat screen is obtained, in the form of a straight line segment of length L 0 = W 0 and width w of a Gaussian profile (Fig. 2), determined by the size of a point Gaussian radiation source multiplied by a coefficient increasing the optical system (the ratio of the foci of the
где Imax равна максимальной, a Imin - минимальной интенсивности в пределах однородного профиля интенсивности пучка. Относительная потеря мощности в процентах ΔW в пучке определяется как доля мощности в крыльях распределения интенсивности вне резких краев однородного профиля.where I max is equal to the maximum, and I min is the minimum intensity within a uniform beam intensity profile. The relative power loss in percent ΔW in the beam is defined as the fraction of power in the wings of the intensity distribution outside the sharp edges of a uniform profile.
В предлагаемом изобретении (фиг. 3, 4) для управления размером изображения перетяжки каустики в виде линии L, без потери равномерности (однородности) в переделах вершины плоского распределения мощности (фиг. 2), предлагается использовать перестраиваемый оптический формирователь пучка 102 в корпусе которого имеется формирователь расходимости пучка 101, содержащий, по меньшей мере, одну подвижную линзу 4, вместо оптического коллиматора пучка 10 (фиг. 1). Формирователь расходимости на своем выходе формирует не только коллимированный, но и расходящийся (сходящийся) пучок, что и позволяет, используя преобразователь интенсивности пучка 100 достичь поставленной цели. Угол расходимости на выходе формирователя расходимости пучка может быть различным от сходящегося до расходящегося (в частности может отвечать и коллимированному случаю). Соответственно, сходящийся пучок формирует на выходе бипризмы Френеля 1 уменьшенное изображение (по сравнению с размером L0 при коллимированном пучке в лучах А, В и А', В'), а расходящийся пучок - увеличенный размер изображения линии L (в лучах A, D и A', D'), являющейся проекцией плоского пучка на экран или на обрабатываемую лазером плоскую поверхность тела.In the present invention (Fig. 3, 4) to control the image size of the caustic constriction in the form of a line L, without loss of uniformity (uniformity) in the range of the top of the flat power distribution (Fig. 2), it is proposed to use a tunable optical beam former 102 in the housing of which a
Следует отметить, что изображение линии L располагается между лучами А и А' (фиг. 3, 4). Угол между этими лучами равен 2β (β=α⋅(n-1), где α - угол при основании бипризмы Френеля, n - ее показатель преломления) и определяет расположение резких границ изображения линии L. Таким образом, ее размер строго пропорционален ее удаленности от бипризмы Френеля.It should be noted that the image of the line L is located between the rays A and A '(Fig. 3, 4). The angle between these rays is 2β (β = α⋅ (n-1), where α is the angle at the base of the Fresnel biprism, n is its refractive index) and determines the location of the sharp edges of the image of the line L. Thus, its size is strictly proportional to its distance from Fresnel biprism.
Необходимым условием получения однородного распределения интенсивности в профиле пучка при работе оптического преобразователя интенсивности 100 с формирователем расходимости пучка 101, настроенным на коллимированный режим работы с пучком является совпадение расположений перетяжек каустик от цилиндрической линзы 2 и бипризмы Френеля 1, причем формирователь расходимости 101 удален от источника 3 на расстояние равное фокусному расстоянию fc, определяемом как для случая коллимированного пучка на выходе устройства 101.A prerequisite for obtaining a uniform intensity distribution in the beam profile when the
Если на преобразователь интенсивности 100 падает параллельный гауссов пучок, то после него в перетяжке каустики пучка, в фокусе от цилиндрической линзы 2 и по существу софокусной с ней бипризмой Френеля 1 имеем фиксированное неперестраиваемое распределение интенсивности излучения, приведенное на фиг.2, что соответствует ходу лучей В, А и В', А' на фиг. 3. Если на преобразователь 100 падает неколлимированный, например, расходящийся гауссов пучок, то расположения фокусов бипризмы Френеля и цилиндрической линзы Fp и Fl не будут совпадать (фиг. 3). В этом случае фокус бипризмы Френеля Fp находится на пересечении лучей A, D и A', D', а фокус цилиндрической линзы Fl заметно больше. Поскольку самое четкое изображение находится в фокусе цилиндрической линзы, а его расположение может заметно отличаться от положения фокуса бипризмы Френеля, то не выполняется условие строгого наложения половинок гауссового пучка друг на друга, образуется заметный провал в распределении интенсивности излучения в центре изображения линии L (фиг. 5).If a parallel Gaussian beam is incident on the
Для уменьшения величины провала (неравномерности) необходимо уменьшать углы расхождения между лучами А и D, и, соответственно, между А' и D', определяющими расположение фокуса бипризмы Френеля (изменением параметра х), а также увеличивать расстояние d (фиг. 3), позволяющего уменьшать фокус цилиндрической линзы. Такая настройка приводит к меньшему расхождению расположений перетяжек пучков от бипризмы Френеля и цилиндрической линзы. В результате неравномерность в плоском пучке будет уменьшаться по мере увеличения размера изображения L вследствие дальнейшего уменьшения углов расхождения между лучами A, D и A', D', соответственно.To reduce the magnitude of the dip (unevenness), it is necessary to reduce the divergence angles between the rays A and D, and, accordingly, between A 'and D', which determine the location of the focus of the Fresnel biprism (by changing the parameter x), and also increase the distance d (Fig. 3), allowing to reduce the focus of a cylindrical lens. Such a setup leads to a smaller discrepancy between the locations of the constrictions of the beams from the Fresnel biprism and the cylindrical lens. As a result, the unevenness in the plane beam will decrease as the image size L increases due to a further decrease in the divergence angles between the rays A, D and A ', D', respectively.
Приближать формирователь расходимости 101 к источнику мощного излучения 3, можно до некоторых разумных пределов. Ограничение возникает по предельно допустимой плотности мощности на его входе. И если требуется дальнейшее увеличение размера изображения, то используют две менисковые цилиндрические линзы 5 и 6 (фиг. 4) с взаимно ортогональными оптическими осями, соответствующими положению цилиндрической линзы 2 и бипризмы Френеля 1, устанавливаемые между исходной цилиндрической линзой 2, на выходе формирователя расходимости 101. Одна линза изменяет положение фокусировки цилиндрической линзы 2, другая положение фокусировки бипризмы Френеля 1. Эти дополнительные линзы обеспечивают совпадение расположений перетяжек каустик от цилиндрической линзы и бипризмы Френеля в неколлимированном гауссовом пучке при построении изображения L для плоского однородного пучка (фиг. 4).It is possible to approximate the
Использование двух менисковых ортогонально ориентированных цилиндрических линз 5 и 6 в составе оптического формирователя позволяет значительно увеличить линейный размер плоского пучка в области фокусировки изображения цилиндрической линзы, не вызывая нежелательное увеличение плотности мощности на входных линзах формирователя. Однако, при этом следует учитывать, что увеличение линейного размера изображения в m раз приводит к уменьшению интенсивности излучения в пятне в m2 раз.The use of two meniscus orthogonally oriented
Таким образом далее, в изобретении предлагается следующее устройство для достижения поставленной выше цели.Thus, further, the invention proposes the following device to achieve the above objectives.
Перестраиваемый оптический формирователь масштабируемого плоского однородного лазерного пучка в области его перетяжки в каустике, характеризуемый наличием корпуса 102, оптического входа и выхода, и содержащий, по ходу пучка, на входе перестраиваемый формирователь расходимости пучка 101 для ввода расходящегося лазерного пучка от источника 3 с гауссовым профилем интенсивности излучения и вывода этого пучка к оптическому преобразователю интенсивности 100, расположенному на выходе оптического формирователя, за которым и формируется в каустике по существу плоский участок перетяжки пучка, вытянутый в поперечном направлении к оптической оси; в котором:A tunable optical shaper of a scalable flat homogeneous laser beam in its caustic constriction region, characterized by the presence of a
- преобразователь интенсивности пучка 100 содержит цилиндрическую линзу 2 и бипризму Френеля 1;- the
- формирователь расходимости 101 (фиг. 3) содержит, по меньшей мере, одну подвижную в направлении его оптической оси положительную линзу 4, смещением которой осуществляют плавную настройку размеров вытянутой перетяжки пучка в каустике на выходе оптического формирователя 102, причем поперечное сечение пучка в перетяжке представляет собой по существу отрезок прямой линии длиной L, кратной величине радиуса гауссового пучка в случае коллимированного режима работы формирователя расходимости, и с гауссовой шириной линии, кратной выходной апертуре точечного лазерного источника;- divergence shaper 101 (Fig. 3) contains at least one
- масштабирование по существу плоской перетяжки каустики пучка осуществляют за счет угловой расходимости пучка на выходе формирователя расходимости 101 с фокусным расстоянием fc (определяемым в соответствии с коллинеарным ходом лучей в пучке), а именно за счет смещения линзы формирователя расходимости к лазерному источнику на расстояние X от главной фокусной плоскости Fc формирователя расходимости, при заданной удаленности (fc+d) цилиндрической линзы от источника лазерного излучения, причем величину L рассчитывают по формуле:- scaling of the essentially planar waist of the caustic beam is carried out due to the angular divergence of the beam at the output of the
гдеWhere
d - удаленность цилиндрической линзы от главной фокусной плоскости Fc формирователя расходимости пучка;d is the remoteness of the cylindrical lens from the main focal plane F c of the beam divergence former;
fl - фокусное расстояние цилиндрической линзы;f l is the focal length of the cylindrical lens;
L0 - значение L при коллинеарном ходе лучей в пучке на входе преобразователя интенсивности.L 0 is the value of L during the collinear path of the rays in the beam at the input of the intensity transducer.
Зависимость L(x) для d = 45 мм, fc = 120 мм, fl = 200 мм, fp = 185 мм приведена на фиг. 6.The dependence L (x) for d = 45 mm, f c = 120 mm, f l = 200 mm, f p = 185 mm is shown in FIG. 6.
Фокусные расстояния цилиндрической линзы 2 и бипризмы Френеля 1 Fl(x,d) и Fp(x,d), соответственно, в расходящемся пучке рассчитывают по формулам:The focal lengths of a
Существенно, что на выходе формирователя расходимости пучка имеются две сменные взаимно ортогонально ориентированные цилиндрические менисковые линзы 5 и 6 с показателем преломления n и радиусами кривизны Rl и Rp для коррекции цилиндрической линзы 2 и бипризмы Френеля 1, соответственно, обеспечивающие требуемое масштабирование в m раз размера изображения линии на мишени, по сравнению с коллинеарным ходом лучей в пучке на входе цилиндрической линзы в отсутствии менисковых линз, и при расчете радиусов менисков используются формулы:It is significant that at the output of the beam divergence shaper there are two interchangeable mutually orthogonally oriented
где fl - фокусное расстояние цилиндрической линзы;where f l is the focal length of the cylindrical lens;
fp - расстояние от бипризмы до перетяжки в области каустики пучка для случая коллинеарного хода лучей в пучке на ее входе;f p is the distance from the biprism to the constriction in the region of the caustic of the beam for the case of a collinear path of rays in the beam at its entrance;
dl - расстояние между цилиндрической линзой и ее корректирующим цилиндрическим мениском;d l is the distance between the cylindrical lens and its corrective cylindrical meniscus;
dp - расстояние между бипризмой Френеля и ее корректирующим цилиндрическим мениском.d p is the distance between the Fresnel biprism and its corrective cylindrical meniscus.
В этом случае, при наличии менисков, можно получить практически любой увеличенный размер изображения дискретным образом (в сочетании с плавной настройкой за счет смещения линзы 3), используя в формирователе расходимости 101 картридж с менисками с радиусами, соответствующим вышеприведенным формулам, задавая коэффициент увеличения m.In this case, in the presence of menisci, it is possible to obtain almost any enlarged image size in a discrete way (in combination with smooth adjustment due to lens shift 3), using a meniscus cartridge with radii corresponding to the above formulas in the
В таблице представлены результаты расчета неоднородности δ и относительных потерь мощности излучения ΔW в зависимости от коэффициента увеличения m размера плоского профиля L.The table shows the results of calculating the inhomogeneity δ and the relative radiation power loss ΔW depending on the increase coefficient m of the size of the flat profile L.
Также существенно, что при расчете неоднородности потерь мощности при наличии корректирующих менисков, эмпирически установлена зависимость радиуса корректирующего мениска для бипризмы Френеля Rp для получения лучших результатов. Для этого использовался коэффициент αp, зависимость которого от увеличения m представлена на фиг. 7. Это означает, что для уменьшения неоднородности профиля интенсивности пучка и потерь излучения, при масштабировании плоского пучка, расчетный радиус кривизны мениска Rp, корректирующего положение перетяжки каустики пучка от бипризмы Френеля умножают на эмпирический коэффициент αp из диапазона 1,1÷1,25, уточняя тем самым его кривизну по отношению к ранее рассчитанному значению по п. 5, в пределах кратности масштабирования m плоского пучка от 20 до 2, соответственно (фиг. 7).It is also significant that when calculating the heterogeneity of power losses in the presence of correcting menisci, the dependence of the radius of the correcting meniscus for the Fresnel biprism R p was empirically established to obtain better results. For this, the coefficient α p was used , the dependence of which on the increase in m is shown in FIG. 7. This means that in order to reduce the inhomogeneity of the beam intensity profile and radiation losses when scaling a flat beam, the calculated radius of curvature of the meniscus R p , which corrects the position of the caustic constriction from the Fresnel biprism, is multiplied by the empirical coefficient α p from the range 1.1 ÷ 1, 25, thereby clarifying its curvature with respect to the previously calculated value according to claim 5, within the scale factor m of the plane beam from 20 to 2, respectively (Fig. 7).
Очевидно, что состав перестраиваемого оптического формирователя пучка не исчерпывается описанным выше набором элементов, например, вместо двух менисков можно использовать один сложный, но изготовление такового требует значительных затрат.Obviously, the composition of the tunable optical beam former is not limited to the set of elements described above, for example, instead of two menisci one can use one complex one, but the production of this requires considerable costs.
Следует отметить, что интенсивность излучения плоского пучка в пятне излучения в виде однородной линии значительно выше, чем в прямоугольнике, что способствует более эффективному использованию энергии непрерывных лазеров в диапазоне мощностей выше 1 кВт в промышленных технологиях обработки материалов по большим площадям с возможностью оперативной перестройки масштаба лазерного пятна - размера плоского однородного пучка.It should be noted that the radiation intensity of a plane beam in a radiation spot in the form of a uniform line is much higher than in a rectangle, which contributes to a more efficient use of cw laser energy in a power range above 1 kW in industrial technologies for processing materials over large areas with the possibility of real-time laser scale adjustment spots - the size of a flat uniform beam.
Для специалистов в данной области техники должно быть очевидным, что изобретение не ограничено вариантами осуществления, представленными выше, и что в него могут быть включены изменения в пределах объема притязаний формулы изобретения. Отличительные особенности, представленные в описании совместно с другими отличительными особенностями, в случае необходимости, могут также быть использованы отдельно друг от друга.It will be apparent to those skilled in the art that the invention is not limited to the embodiments presented above, and that changes within the scope of the claims may be included. Distinctive features presented in the description together with other distinctive features, if necessary, can also be used separately from each other.
Claims (13)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019126988A RU2725685C1 (en) | 2019-08-27 | 2019-08-27 | Tunable optical shaper of scalable flat homogeneous laser beam |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019126988A RU2725685C1 (en) | 2019-08-27 | 2019-08-27 | Tunable optical shaper of scalable flat homogeneous laser beam |
Related Parent Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019104555 Substitution | 2019-02-18 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2725685C1 true RU2725685C1 (en) | 2020-07-03 |
Family
ID=71510478
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019126988A RU2725685C1 (en) | 2019-08-27 | 2019-08-27 | Tunable optical shaper of scalable flat homogeneous laser beam |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2725685C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114967001A (en) * | 2022-05-20 | 2022-08-30 | 武汉镭健科技有限责任公司 | Rectangular light spot coupler |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20080242056A1 (en) * | 2003-02-19 | 2008-10-02 | J.P. Sercel Associates, Inc. | System and method for cutting using a variable astigmatic focal beam spot |
WO2012071050A1 (en) * | 2010-11-23 | 2012-05-31 | Ipg Photonics Corporation | Beam shaper and method for laser treating workpiece |
CN109343226A (en) * | 2018-11-22 | 2019-02-15 | 常州英诺激光科技有限公司 | A kind of optical system that laser facula is converted to uniform alignment hot spot |
RU2711287C1 (en) * | 2016-05-04 | 2020-01-16 | Прецитек Гмбх Унд Ко. Кг | Projection optics for metal processing by means of laser radiation and containing its laser processing head |
-
2019
- 2019-08-27 RU RU2019126988A patent/RU2725685C1/en active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20080242056A1 (en) * | 2003-02-19 | 2008-10-02 | J.P. Sercel Associates, Inc. | System and method for cutting using a variable astigmatic focal beam spot |
WO2012071050A1 (en) * | 2010-11-23 | 2012-05-31 | Ipg Photonics Corporation | Beam shaper and method for laser treating workpiece |
RU2711287C1 (en) * | 2016-05-04 | 2020-01-16 | Прецитек Гмбх Унд Ко. Кг | Projection optics for metal processing by means of laser radiation and containing its laser processing head |
CN109343226A (en) * | 2018-11-22 | 2019-02-15 | 常州英诺激光科技有限公司 | A kind of optical system that laser facula is converted to uniform alignment hot spot |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114967001A (en) * | 2022-05-20 | 2022-08-30 | 武汉镭健科技有限责任公司 | Rectangular light spot coupler |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US11759886B2 (en) | Laser line illumination | |
US11806804B2 (en) | Method and arrangement for generating a laser beam having a differing beam profile characteristic by a multi-clad fiber | |
US20220137421A1 (en) | Polarization-adjusted and shape-adjusted beam operation for materials processing | |
US11906752B2 (en) | Optical element arrangements for varying beam parameter product in laser delivery systems | |
US8270084B2 (en) | Device for beam shaping | |
US20040165268A1 (en) | Diffractive shaping of the intensity distribution of a spatially partially coherent light beam | |
CN106842587B (en) | The diffraction optical method realizes the shaping of Gaussian light into ultra-fine linear uniform light spots with ultra-high length-width ratio | |
RU2725685C1 (en) | Tunable optical shaper of scalable flat homogeneous laser beam | |
US9036262B2 (en) | Beam shaping and control apparatus | |
Laskin et al. | πShaper–Refractive beam shaping optics for advanced laser technologies | |
Laskin et al. | Applying of refractive beam shapers of circular symmetry to generate non-circular shapes of homogenized laser beams | |
US11333897B2 (en) | Apparatus for forming a homogeneous intensity distribution with bright or dark edges | |
CN112262338B (en) | Device for generating a linear intensity distribution in a working plane | |
Laskin et al. | Refractive beam shapers for material processing with high power single mode and multimode lasers | |
JP6496894B1 (en) | Optical element and laser irradiation apparatus | |
JP2003112281A (en) | Laser beam machine and production equipment using the machine | |
CN104953465A (en) | Diode laser matrix beam uniformizing device based on spatial frequency spectrum segmentation process | |
JP2019020731A (en) | Apparatus for generating line-shaped intensity distribution of laser beam | |
Laskin et al. | Creating round and square flattop laser spots in microprocessing systems with scanning optics | |
US20240142786A1 (en) | Optical element arrangements for varying beam parameter product in laser delivery systems | |
Laskin et al. | Applying field mapping refractive beam shapers in laser technologies for solar energy | |
Laskin et al. | Elongating depth of field by focusing radiation of multimode lasers using multi-focus beam shaping optics | |
CN116265168A (en) | Laser processing apparatus | |
CN116047777A (en) | Variable multiple uniform laser generating device | |
AU2002210034A1 (en) | Diffractive shaping of the intensity distribution of a spatially partially coherent light beam |