ФОКУСИРУЮЩАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ Российский патент 1994 года по МПК B23K26/00 

Изобретение относится к области лазерной технологии, в частности к конструкциям для фокусирования мощного луча технологического лазера, и может быть использовано для лазерной термообработки или наплавки.

Наиболее широко для фокусирования лазерного луча в лазерной технологии используют линзы или объективы, составленные из линз [1]. Однако стойкость их мала, стоимость велика, а возможности весьма ограничены. Стойкость щелочно-галлоидных линз составляет несколько десятков часов. Сферические аберрации линз ограничивают максимально достижимые плотности мощности в сфокусированном луче. Существенно расширить возможности фокусирования мощного технологического луча лазера позволяют фокусирующие системы с использованием отражающих металлооптических элементов [2]. Однако такие системы, особенно в случае асферических фокусирующих поверхностей, весьма сложны в производстве и дороги.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является фокусирующая система [3], включающая два установленных в корпусе изогнутых цилиндрических зеркала, которые изогнуты постоянным по длине изгибающим моментом в области упругих деформаций материала зеркал с использованием жестких прямолинейных зажимных планок, стяжных болтов, упорных штифтов и тяжелых, жестких оснований зеркал.

Недостатки известной конструкции - большие габариты, вызванные сложностью конструкции изгибающих элементов зеркал, которые по своей площади превышают площадь оптической поверхности зеркала, сложность регулировки зеркала из-за большого количества регулировочных винтов. Конструкция изгибающих элементов, реализующая напряженно-деформированное состояние чистого изгиба, т. е. постоянный по длине зеркала изгибающий момент, является в связи со своей сложностью нежесткой и ненадежной в работе.

Цель изобретения - уменьшение габаритных размеров фокусирующей системы, упрощение конструкции зеркал и повышение надежности их работы.

Поставленная цель достигается тем, что в фокусирующей системе для лазерной обработки, содержащей два цилиндрических зеркала, закрепленных в зажимных планках, изогнутых неизменным по длине изгибающим моментом в области упругих деформаций, с образующим зеркал, расположенными во взаимно перпендикулярных плоскостях, корпусные пластины и стяжные болты, согласно изобретению, корпусные пластины расположены по боковым сторонам зеркал в плоскостях, перпендикулярных зажимным планкам, и соединены с ними посредством стяжных болтов и уголков. Предложенная схема загружения зеркала называется схемой продольного изгиба. Изгибающий момент, действующий в некотором сечении зеркала, не является постоянным по длине зеркала, увеличиваясь от своего минимального значения на краю до максимального значения в центре зеркала. Кривая, по которой изгибается при такой схеме загрузки направляющая линия зеркала, является участком полупериода косинусоиды. В устройстве-прототипе реализовалось напряженное состояние, при котором изгибающий момент неизменен по длине зеркала, а кривая, по которой изгибалась направляющая зеркала, была близкой к параболе. Однако косинусоида в области малых углов также очень мало отличается от параболы. Для реализации условия малых углов предложено поднять ось приложения сил.

На фиг. 1 представлена общая схема фокусирующей системы; на фиг. 2 - схема загружения зеркала при действии неизменного по его длине изгибающего момента (схема чистого изгиба; на фиг. 3 - схема продольного изгиба зеркала; на фиг. 4 - графики функций y = cos х, y = 1 - х²/2 и y = х - sin х, показывающие область в которой косинусоида мало отличается от параболы. Отличие кривой, получающейся при реализации схемы чистого изгиба, от кривой - по схеме продольного изгиба, заключается в том, что в первом случае это отличие пропорционально производной Оy/Ох и проявляется в увеличении кривизны периферийных участков, во втором - это отличие выражается функцией соs х - (1 - х²/2) и проявляется в уменьшении кривизны периферийных участков зеркала; на фиг. 5 - устройство зеркала фокусирующей системы.

Фокусирующая система содержит два зеркала 1 и 2, закрепленных друг относительно друга так, что луч лазера 3, падающий на первое по ходу луча зеркало 1 фокусируется этим зеркалом в плоскости ZOY и направляется на второе по ходу луча зеркало 2, которое фокусирует луч в плоскости ZOХ. Зеркала представляют собой цилиндрические линейчатые поверхности с направляющими, близкими к параболам и прямолинейными образующими. Зеркала изображены (фиг. 1, заштрихованы) своими образующими прямыми линиями. Первое зеркало имеет фокусное расстояние большее, чем второе, на величину расстояния между этими зеркалами, измеренного вдоль хода луча. Габаритные размеры фокусирующей системы существенно уменьшаются за счет изменения принципа загружения зеркала фиг. 3. Если в прототипе предлагалось использовать для изгиба зеркала постоянный по длине этого зеркала момент М = Р˙L, образованный действием четырех равных сил Р, то в предлагаемой конструкции изгибающий момент зависит от координаты X : М = Р ˙L(х). Эта зависимость появляется в результате того, что плечо L действия загружающей зеркало силы Р изменяется в зависимости от положения текущей точки. Эпюра напряжений в зеркале не является неизменной, как в случае схемы чистого изгиба (фиг. 2). Известно, что кривая, по которой изгибается при такой схеме зеркало, является небольшим участком полупериода косинусоиды. Если ось действия сил проходит через края зеркала, то кривая, по которой изгибается зеркало, есть целый полупериод косинусоиды. В этом случае края зеркала дают сильные аберрации. Аберрационное распределение плотности мощности, постоянное с использованием имитационной модели для равномерного распределенного падающего луча от полного полупериода косинусоиды в рамках модели геометрической оптики для фокальной плоскости, является "шляпой с очень большими полями". Эти поля возникают от аберраций на периферийных участках косинусоиды. Для устранения больших полей этого аберрационного распределения достаточно направлять луч лазера только на центральный участок косинусоиды, где различие между функциями y = cos х и y = 1 - х²/2 весьма мало. В связи с тем, что на периферийные участки в этом случае луч не направляется, оси не нужны вовсе. Для их устранения и требуется поднять ось действия сил над краями зеркала на величину h.

Определить величину h можно, связать ее с величиной прогиба зеркала Y. Поскольку законом, описывающим изгиб зеркала, является участок полупериода косинусоиды, можно записать: h/(y+h )= cos х. Из условия малости аберрационной расходимости для крайнего элементарного луча может быть записано выражение для аргумента косинуса: х = L/D_ап˙ х_о. Приняв аберрационную расходимость для крайнего элементарного луча на уровне собственной расходимости лазерного излучения - 0,001 мРад, имеем х_о = 0,2. Аберрационная расходимость по уровню половины энергии луча даже для случая равномерного распределения плотности мощности (табл. 1) находится на уровне 10^-4, что на порядок меньше собственной расходимости лазерного излучения. Эта характеристика для любого другого распределения, например гауссовского, еще меньше. Под аберрационной расходимостью понимаем в данном случае разность тангенсов углов наклона в данной точке косинусоиды и параболы, являющейся первым членом разложения функции косинуса в ряд х - sin х. Из выражения для косинуса с учетом соотношения для аргумента косинуса х имеет оценку величины плеча дополнительного момента в виде: h = m ˙ Y, где m = - коэффициент, показывающий во сколько раз плечо h больше прогиба зеркала Y; k=cos значение функции косинус, соответствующее краю зеркала.

Поскольку величина прогиба параболического зеркала может быть выражена через его фокусное расстояние F и длину L в виде Y = L²/16F, то выражение для оценки достаточного h имеет вид:
h = L²/16F
Величина х_o может быть принята и меньшей 0,2, тогда аберрационная составляющая диаметра пятна будет меньше 10^-4 (по уровню половинной энергии). Однако это приводит к неоправданному увеличению плеча h. Слишком большое h приводит к увеличению габаритов зеркала, хотя минимальный размер пятна фокусировки при этом практически не уменьшается. Это происходит из-за того, что размеры пятна в этом случае определяются уже только дифракционной расходимостью самого луча, а не аберрациями зеркала. Расчеты показывают, что для диаметра аппаратуры луча 40 мм при условии соответствия крайней точки луча ординате х_о (т. е. при ограничении аберрационной расходимости уровнем 10^-4 Рад) в зависимости от длины зеркала L и фокусного расстояния F размер дополнительного плеча продольного изгиба слабо изменяется. Сумма Y + h остается постоянной для заданного фокусного расстояния зеркала и составляет для F = 200 мм - 25 мм, для F = =300 мм - Y + h = 16,7 мм, для F 400 мм - 12,5 мм. Величина прогиба зеркала Y для зеркал, не превышающих более чем в два раза диаметр апертуры луча, существенно меньше величины плеча h.

В табл. 2 приведены расчетные значения величины прогиба Y и величины плеча Н в зависимости от фокусного расстояния зеркала F и длины зеркала L для диаметра апертуры луча D_ап = 40 мм.

Таким образом, сущность изобретения заключается в том, что предложено уйти от схемы чистого изгиба зеркала, но обеспечить продольный изгиб, т. е. изгиб по начальному участку полупериода косинусоиды. Этот участок является наиболее близким к параболе. Достигается это в изобретении, в отличие от прототипа, тем, что создается загрузка зеркала только осевой силой. Известно, что кривая y = 1 - х²/2 является асимптотикой косинусоиды. Это следует из разложения функции косинус в ряд, вблизи X = 0 : x=1 - !+ ! -. . . .Этот ряд показывает, что для малых значения аргумента отличие косинусоиды от параболы является несущественным. Это отличие тем меньше, чем меньше значение аргумента x. Отличие косинусоиды от параболы наиболее сильно проявляется для Х > 1. Таким образом, зеркало с образующей - косинусоидой - фокусирует элементарные лучи, прошедшие в его центр и направляет в сторону от пятна фокусировки периферийные лучи. Известно, что наиболее часто распределение плотности мощности в исходном (несфокусированном) пятне подчиняется закону, близкому к нормальному. Центральная часть луча несет в себе значительно большую мощность, чем периферийная. И именно центральная часть луча наиболее хорошо фокусируется.

Упрощение схемы загружения зеркала позволило разработать существенно более простую конструкцию самого зеркала (фиг. 5). Цилиндрическое фокусирующее зеркало 1, представляющее собой линейчатую поверхность с прямолинейными образующими, параллельными оси ОХ и криволинейными направляющими, лежащими в плоскостях, параллельных плоскости ZOY, жестко соединено с двумя уголками 4. Через отверстия в этих уголках производится загрузка зеркала посредством двух боковых пластин 5 с ввернутыми в них винтами 6. Винты 6 проходят через отверстия в уголках и обеспечивают их небольшие повороты вокруг оси ОХ навстречу друг другу при затяжке. Зеркало после затяжки становится из плоского фокусирующим.

Фокусирующая система работает следующим образом. Предварительно зеркала закрепляются так, чтобы фокусировка излучения на каждом из них происходила строго в перпендикулярных плоскостях. Образующие обоих зеркал располагают в перпендикулярных плоскостях. Затем фокусные расстояния зеркал путем затяжки регулировочных винтов подбирают так, чтобы в фокальной плоскости луч гелий-неонового юстировочного лазера на матовом стекле давал минимальный диаметр. Это положение соответствует равенству фокусного расстояния первого по ходу луча зеркала сумме фокусного расстояния второго зеркала и расстояния между зеркалами. После такой юстировки в фокусирующую систему вводится вместо гелий-неонового луча мощный луч технологического лазера (например - углекислого). Мощный луч фокусируется первым зеркалом в одной плоскости, а затем вторым - в другой. Оба этих зеркала имеют единый фокус. В случае, если нужно получить тепловой источник в виде небольшого отрезка, затяжку одного из зеркал уменьшают до заданного уровня, определяемого шириной отрезка.

Изменение схемы загружения зеркала позволяет существенно уменьшить габаритные размеры фокусирующей системы. Продольные и поперечные размеры изогнутого зеркала оказались лишь на 5...15% большими размеров оптической поверхности. Уменьшение нерабочей площади зеркала (большее чем вдвое по сравнению с прототипом) позволило существенно уменьшить громоздкость всей фокусирующей системы из-за более чем двукратного сближения в направлении оси ОY (фиг. 1) зеркал. Масса фокусирующей системы сократилась более чем в 7 раз. Достоинством предложенной схемы загружения зеркала явилась простота регулирования фокусного расстояния с помощью четырех винтов. Весьма существенным преимуществом этой схемы является прямой доступ к обоим сторонам зеркала: и к оптической, и к обратной. Это преимущество позволило реализовать простой прием охлаждения зеркал при работе. На обратную сторону зеркала направляется воздушная струя, которая уменьшает прогрев зеркала и тем самым повышает его оптическую стойкость и уменьшает аберрации от температурных деформаций. Доступ к противоположной поверхности зеркала позволяет весьма просто устанавливать любое заданное фокусное расстояние зеркала, измеряя при затяжке его прогиб.

Использование: в лазерной технологии для лазерной термообработки или наплавки. Сущность изобретения: фокусирующая система содержит два цилиндрических зеркала, закрепленных в зажимных планках, изогнутых неизменным по длине изгибающим моментом в области упругих деформаций с образующими зеркал, расположенными во взаимно перпендикулярных плоскостях. По боковым сторонам зеркал расположены корпусные пластины, которые размещены в плоскостях, перпендикулярных зажимным планкам, и соединены с последними посредством стяжных болтов и уголков. 2 табл., 5 ил.

ФОКУСИРУЮЩАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ, содержащая два изогнутых постоянным по длине изгибающим моментом в области упругих деформаций цилиндрических зеркала с образующими, расположенными во взаимно перпендикулярных плоскостях и закрепленных в зажимных планках, регулировочные пластины и стяжные болты, отличающаяся тем, что, с целью уменьшения габаритных размеров фокусирующей системы и повышения надежности в работе, регулировочные пластины расположены по боковым в направлении образующих стронам зеркал в плоскостях, перпендикулярных к зажимным планкам, и соединены с последними посредством стяжных болтов.