УСТАНОВКА ДЛЯ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ Российский патент 1998 года по МПК B23K26/06 

Изобретение относится к лазерной технике.

Известна установка для лазерной обработки, включающая мощный газовый лазер с поперечной прокачкой, согласующий телескоп, систему зеркал для транспортировки и фокусировки излучения [1]. Согласующий телескоп преобразовывает излучение одного размера в другое и бывает необходим для согласования размера луча, удобного для использования при транспортировке и фокусировке излучения с излучением на выходе лазера, размер которого определяется параметрами активной среды и резонатора лазера.

Высокомощные газовые лазеры с поперечной прокачкой имеют, как правило, широкоапектурную камеру возбуждения [2], поэтому излучение, выходящее из такого лазера имеет большой диаметр, неудобный для транспортировки и фокусировки излучения. С увеличением диаметра выходного пучка лазера пропорционально растут габариты зеркал и квадратично растет их вес.

Для того, чтобы уменьшить размер выходного излучения приходится использовать уменьшающий телескоп, как правило, состоящий из сферических зеркал.

Недостатком известного устройства является то, что такой телескоп должен иметь достаточно большую длину для того, чтобы уменьшить аберрации сферических зеркал из-за косого падения излучения на каждое из составляющих телескоп зеркал, что приводит к увеличению габаритных размеров всей установки.

Задачей изобретения является уменьшение габаритных размеров установки за счет уменьшения размера трансформирующего телескопа, при сохранении высокой мощности и КПД быстропроточного газового лазера с большой апертурой камеры возбуждения
На фиг. 1-5 показана предлагаемая установка.

На фиг. 1 изображена установка для лазерной обработки, включающая мощный газовый лазер с поперечной прокачкой, согласующий телескоп систему транспортировки и фокусировки излучения 30.

Задача изобретения решается тем, что согласующий телескоп 20 выполняется цилиндрическим, т.е. он трансформирует излучение только в одной плоскости и состоит из двух цилиндрических зеркал 21 и 22, а выходное излучение 17 лазера 10 формируется в виде эллипса, ось которого совпадает с плоскостью сжатия (увеличения) телескопа (фиг. 1 и 2). Фокусировка и дефокусировка зеркалами такого телескопа происходит в плоскости, перпендикулярной плоскости падения излучения на цилиндрические зеркала 21 и 22, совпадающей с плоскостью, образованной осями цилиндрических поверхностей, поэтому в такой оптической системе нет аберраций, обусловленных косым падением на зеркала (комы). Вследствие этого углы падения на цилиндрические зеркала могут быть большими настолько, насколько это необходимо из конструктивных соображений.

Длина телескопа, а значит и всей установки при этом уменьшается. Возможен, например, вариант, когда угол падения на оба зеркала составит 245^o в этом случае реализуется минимальная длина телескопа (фиг. 3). На выходе из телескопа 20 реализуется излучение круглого сечения необходимого размера 2б (фиг. 2).

В случае лазера с поперечной прокачкой с неустойчивым резонатором 10, образованным концевыми зеркалами 13 и 14, промежуточными зеркалами 15 и выводным зеркалом 16 излучение эллиптического сечения легко осуществляется практически без потери выходной мощности и КПД. Для этого изготавливается либо меньшее зеркало 14, либо отверстие связи выводного зеркала 16 эллиптическим по форме и в М раз, где М - коэффициент увеличения неустойчивого резонатора, меньшим по размеру, чем выходное излучение. При этом размер 2а выходного излучения в плоскости, перпендикулярной потоку 12 активной среды, в камере возбуждения 12 выбирается таким, чтобы полностью обеспечить съем инверсии, запасенной в потоке, а размер выходного излучения в перпендикулярной плоскости 2б равен требуемому диаметру излучения на выходе трансформирующего телескопа 20. Многопроходность неустойчивого резонатора обеспечит высокий КПД при условии, что расстояние между каустиками резонатора будет недостаточно большим для того, чтобы при путешествии с потоком между ними инверсия успела бы срелаксировать.

В случае использования в быстротечном газовом лазере устойчивого резонатора, например, плосковогнутого устойчивого резонатора, в котором размер выходного излучения определяется размером ограничивающей диафрагмы, удобно выполнить диафрагму эллиптической формы таким образом, что размер диафрагмы 2а в плоскости потока активной среды 12 в камере возбуждения 11 был бы равен приблизительно 1,5 диаметра размера основной моды устойчивого резонатора, а размер диафрагмы в плоскости, перпендикулярной газовому потоку 2б должен быть несколько меньше размера камеры возбуждения поперек потока.

В этом случае на выходе из лазера имеется пучок эллиптического сечения высокой мощности, определяемой всей запасенной в потоке энергией, причем в плоскости потока активной среды реализуется одномодовое излучение с гауссовым профилем интенсивности, а в ортогональной плоскости существенно многомодовое излучение. Дальнейшая трансформация такого излучения цилиндрическим телескопом 20 приведет к пучку круглого сечения с существенно различным качеством излучения в двух перпендикулярных плоскостях. Такое излучение возможно применять для лазерной резки и сварки, где требуется высокомощное излучение лишь в одной плоскости.

Возможно также использование устойчиво-неустойчивого резонатора, в котором плоскость устойчивости расположена вдоль потока активной среды 12 в камере возбуждения 11. В этой плоскости с помощью выводного зеркала 16, играющего роль диафрагмы, реализуется одномодовый устойчивый резонатор, а в плоскости поперек потока реализуется неустойчивый резонатор.

Устойчиво-неустойчивый резонатор такого типа возможен в двух вариантах. Первый с односторонним выводом излучения, второй - с двусторонним выводом излучения. В первом варианте реализуется излучение с компактным выходом. Из условий оптимальности коэффициента связи резонатора излучение может иметь вытянутое сечение и привести его в излучение с симметричным круглым сечением можно, также применяя цилиндрический телескоп.

В устойчиво-неустойчивом резонаторе с двухлучевым выходом реализуется излучение c с гауссовским профилем в плоскости потока активной среды и гауссоподобное излучение с провалом в перпендикулярной плоскости. Дальнейшая трансформация с помощью цилиндрического телескопа преобразует выходное излучение в излучение с круглым сечением весьма близкое, особенно после пространственной фильтрации в плоскости неустойчивости к гауссовому профилю излучения. Все три разобранных случая реализуются с высоким КПД преобразования накопленной в потоке активной среды энергии в световую благодаря полному заполнению камеры возбуждения поперек потока излучением.

Возможна и обратная ситуация, особенно в случае высокомощных лазеров, когда требуется максимально полное заполнение излучением камеры возбуждения, или (и) максимально возможное снижение интенсивности излучения, падающего на зеркала резонатора, в результате чего на выходе из лазера получается пучок чрезмерно большого размера в плоскости потока. В обоих этих случаях трансформация размера с помощью цилиндрического телескопа малой длины дает необходимый результат.

Если цилиндрический телескоп (фиг. 5) состоит из двух вогнутых зеркал 21 и 22, то около линии общих фокусов удобно расположить щелевой пространственный фильтр 23 для фильтрации излучения. Из-за одномерности фокусировки плотность мощности, которая получается в фокусе цилиндрического телескопа, не достигает таких больших значений, как в фокусе сферического телескопа, т. е. предотвращается опасность оптического пробоя в фокусе, а значит повышаются надежность такого пространственного фильтра и более тонкая пространственная фильтрация (фиг. 5)о

Сущность изобретения: установка для лазерной обработки включает мощный быстропропиточный газовый лазер, систему транспортировки и фокусировки излучения и согласующий телескоп. Согласующий телескоп выполнен из цилиндрических зеркал. Мощный газовый лазер излучает выходной пучок, вытянутый в направлении сжатия телескопа. В качестве резонатора лазера, генерирующего пучок эллиптического сечения, может использоваться неустойчивый, устойчиво-неустойчивый резонатор, каустика которого заполняет почти весь зазор камеры возбуждения. Для увеличения качества выходного излучения предлагается осуществлять пространственную фильтрацию пучка в плоскости сжатия его телескопом, устанавливая в фокальной плоскости телескопа щелевой фильтр. При этом достигается значительно меньшая интенсивность излучения в фокусе телескопа по сравнению со сферическим телескопом и предостращается пробой на краю диафрагмы. 9 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Установка для лазерной обработки, включающая мощный газовый лазер с поперечной прокачкой, согласующий телескоп, систему транспортировки и фокусировки излучения, отличающаяся тем, что мощный газовый лазер выполнен с возможностью излучения выходного пучка эллиптического сечения, а согласующий телескоп состит из двух цилиндрических зеркал и выполнен с возможностью трансформации излучения с коэффициентом трансформации, равным отношению максимального и минимального размеров выходного пучка только в одной плоскости, совпадающей с плоскостью, в которой излучение вытянуто. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что цилиндрические зеркала согласующего телескопа установлены под углом 45^o к главной оптической оси установки. 3. Установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что мощный газовый лазер с поперечной прокачкой состоит из неустойчивого резонатора, состоящего из концевых зеркал, промежуточных зеркал и выводного зеркала с эллиптическим отверстием связи, большая ось которого расположена поперек газового потока, при этом размер каустики неустойчивого резонатора в перпендикулярной потоку плоскости меньше зазора камеры возбуждения. 4. Установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что мощный газовый лазер с поперечной прокачкой состоит из неустойчивого резонатора, включающего выводное зеркало с эллиптическим отверстием связи, ориентированным большей осью эллипса в плоскости газового потока, причем минимальный размер каустики неустойчивого резонатора меньше зазора разрядной камеры. 5. Установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что мощный газовый лазер с поперечной прокачкой состит из устойчивого резонатора с внутренней диафрагмой эллиптического сечения, ориентированной меньшей осью эллипса вдоль потока активной среды, а большей осью - поперек камеры возбуждения, причем диафрагма выполнена с размером меньшей оси минимально возможным для обеспечения селектирования основной гауссовой моды, и размером большой оси, меньшим зазора камеры возбуждения. 6. Установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что мощный газовый лазер с поперечной прокачкой состоит из устойчиво-неустойчивого резонатора с плоскостью неустойчивости, лежащей поперек потока газа в разрядной камере, и с плоскостью устойчивости, лежащей вдоль потока газа, при этом согласующий телескоп выполнен с возможностью уменьшения размера выходного излучения в плоскости неустойчивости резонатора. 7. Установка по п.6, отличающаяся тем, что устойчиво-неустойчивый резонатор выполнен с двусторонним выводом и коэффициентом увеличения больше 2. 8. Установка по п.7, отличающаяся тем, что устойчиво-неустойчивый резонатор выполнен самофильтрующимся. 9. Установка по п.6, отличающаяся тем, что устойчиво-неустойчивый резонатор выполнен с односторонним выводом излучения
10. Установка по любому из пп.1 - 4 и 6 - 9, отличающаяся тем, что цилиндрический телескоп выполнен с внутренним фокусом и состоит из двух вогнутых цилиндрических зеркал и щелевого пространственного фильтра, установленного вблизи внутреннего фокуса.