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

Изобретение относится к лазерной технике.

Известна установка для лазерной обработки, выбранная за прототип. Она состоит из мощного быстропроточного газового лазера с устойчивым одномодовым резонатором, системы транспортировки и фокусировки лазерного пучка, включающей линзовый объектив и выходное окно из прозрачного на длине волны материала [1].

К достоинству прототипа можно отнести высокое качество лазерной резки, обеспечиваемое за счет минимального размера сфокусированного пучка, обеспечиваемого линзой и узкой высоконапорной струей режущего газа, вырывающегося из сопла в зону фокального пятна. Недостатком известной установки является низкая предельно возможная мощность лазерного луча, определяемая высокими термическими искажениями и напряжениями в выходном окне и в линзе, вызываемыми небольшой, но существенной долей мощности пучка, поглощенной в линзе и выходном окне. Следствием этого является относительно низкая производительность процессов лазерной обработки.

Задачей изобретения является повышение производительности процесса лазерной обработки за счет увеличения выходной мощности лазерного пучка без существенных термодеформаций и аберраций в выходном окне и линзе.

Задача изобретения решается тем, что оптический резонатор быстропроточного лазера формирует выходной пучок эллиптического сечения, причем большая ось эллипса ориентирована поперек газового потока в разрядной камере и в этом направлении излучение заполняет почти весь зазор разрядной камеры. В направлении вдоль газового потока размер выходного пучка существенно ограничивается. Обычно размер пучка вдоль потока выбирается таким, чтобы пучок менялся незначительно при изменении длины системы транспортировки луча. В случае мощных CO₂-лазеров длиной волны 10,6 мкм удобными параметрами являются минимальный размер пучка приблизительно 15 - 20 мм, а размер пучка в максимальном сечении примерно 60 мм.

На фиг. 1 представлена конструкция и работа предложенного устройства, где 1 - газовый быстропроточный лазер с поперечной прокачкой газового потока; 1.1 - оптический резонатор лазера, включающий концевые зеркала 1.1.1 и 1.1.2; 1.2 - канал разрядной камеры, через который с помощью вентиляторов 1.4 прокачивается поток газа 1.3.

Выходное излучение лазера 3.1 выводится через окно 1.5 эллиптического сечения. Выходное излучение 3.1 имеет так же эллиптическое сечение (фиг.3), как и окно, но меньшего размера.

После отражения от поворотного зеркала 3 или системы поворотных зеркал излучение направляется на фокусирующий объектив 4, представляющий собой линзу 4.1 из прозрачного для длины волны лазера материала также эллиптического сечения (фиг. 3, позиция 4.1), включающего в себя сопло 4.2.

Сфокусированное линзой 4.1 излучение проходит через сопло 4.2, одновременно со струей режущего газа направляется на поверхность разрезаемого материала с возможностью перемещения в X-Y плоскости на столе 2.

Как показано в [2], термодеформации в прозрачных диэлектриках круглого сечения практически не зависят от плотности мощности проходящего через них пучка, а зависят лишь от полной, проходящей через них, мощности.

В случае же окна или линзы эллиптической формы теплоотвод, термодеформации, термоискажения существенно уменьшаются из-за относительного увеличения границы теплоотвода, боковой поверхности линзы или выходного окна. Практически для эллипсов с отношением длины осей ≈ 3 имеет место двукратное увеличение предельных нагрузок или уменьшение термоискажений - при тех же лучевых нагрузках, т.е. можно по крайней мере в два раза увеличить производительность процесса лазерной обработки.

В результате того, что большая ось эллипса каустики резонатора пересекает почти все сечение газоразрядной камеры 1.2 в быстропроточном газовом лазере 1 с поперечной прокачкой 1.3, то при этом не уменьшается существенно КПД и выходная мощность лазера.

Эллиптическое сечение каустики резонатора и выходного луча можно реализовать несколькими вариантами. Эти варианты изображены на фиг. 2.

1. Неустойчивый резонатор, показанный на фиг. 2, имеет концевые сферические зеркала 1.1.1 и 1.1.2. Зеркало 1.1.1 - выпуклое, а зеркало 1.1.2 - вогнутое, причем точки фокусов этих зеркал совпадают. Выходное излучение резонатора в этом случае формируется при многократном отражении от зеркал в виде кольцевого пучка, огибающего малое выпуклое зеркало. Если зеркало 1.1.1 имеет эллиптическое сечение (незаштрихованная внутренняя часть фиг. 2a ) с меньшим размером 2a и большим размером 2b, то выходное излучение будет собой представлять эллиптическое кольцо с внешними размерами d_min = 2A и d_max = 2B и внутренними - 2a и 2b, причем A/a=B/b=M, где M - коэффициент увеличения неустойчивого резонатора, который для конфокального варианта равен, в частности, отношению радиусов M=R_1.1.1./R_1.1.2 кривизны концевых зеркал.

2.Устойчивый резонатор. В этом случае зеркало 1.1.1 является, как правило, плоским, полупрозрачным, по сечению подобным сечению выходного пучка. Эллиптическое сечение выходного пучка будет определяться в этом случае формой и размерами диафрагмы, находящейся перед выходным зеркалом 1.1.1.

В случае, когда диафрагма имеет сечение, изображенное на фиг. 2, выходной пучок 3.1 имеет такое же сечение.

В случае, если меньшая ось диафрагмы имеет размер 2A, несколько больший (примерно в 1,5 раза), чем размер перетяжки у основной моды 2W₀, то реализуется случай, изображенный на фиг. 2г. В этом случае в плоскости меньшего сечения каустики резонатора реализуется одномодовая генерация размером d_min= 2W₀, а в перпендикулярной плоскости существенна многомодовая генерация размером d_max = 2B.

3. Возможен также резонатор, описанный в [3], который в одной плоскости, перпендикулярной потоку, является неустойчивым, а в другой, параллельной потоку, является одномодовым устойчивым резонатором.

В таком резонаторе реализуется либо двусторонний выход излучения (фиг. 2в), либо односторонний (фиг. 2г). В плоскости устойчивости резонатора реализуется Гауссова основная мода d_min=2W₀, а в плоскости неустойчивости либо колоколообразный профиль излучения с вырезанной сердцевиной (фиг.2в) d_max= 2B, либо компактное сечение пучка (фиг.2г) d_max=2B.

Дополнительно увеличить отношение максимального и минимального размеров пятна 3.1 на выходном окне 1.5, а значит еще более усилить теплоотвод и уменьшить тепловую нагрузку на выходное окно, можно, развернув его под углом Брюстера к направлению выходного пучка.

Для многих технологических операций лазерной обработки достаточно в фокусе объектива иметь эллиптическое пятно. Например, это относится к лазерной резке, сварке и термообработке, которые проводятся только в одном направлении. В этом случае, как правило в фокусе, также реализуется пятно с эллиптическим сечением. Если минимальную ось эллипса ориентировать перпендикулярно направлению лазерной сварки или лазерной резки, то реализуется минимальный КПД и производительность процесса.

Однако для таких технологических операций, как лазерная резка и сварка по произвольному контуру, желательно иметь фокальное пятно круглого сечения. В этом случае ширина реза или ширина шва (особенно в совокупности с круговой поляризацией излучения) будут постоянны и не будут зависеть от направления реза или сварки.

В предложенном устройстве возможно получение круглого фокального пятна, несмотря на то, что пучок, направляемый на линзу, имеет эллиптическое сечение. Это связано с тем, что размер пятна в фокусе линзы определяется суммой двух факторов [2]:
1) произведением расходимости излучения θ и фокусного расстояния F;
2) сферической аберрацией, которая пропорциональна третьей степени размера пучка и обратно пропорциональна квадрату фокусного расстояния объектива.

Для того, чтобы в фокусе объектива получить круглое пятно, необходимо приравнять сферическую аберрацию в плоскости большого диаметра пучка, пропорциональную , к диаметру пятна, которое получается в фокусе, благодаря дифракции пучка в минимальном сечении
d_F= θ_min•F ,
где
A - аберрационный коэффициент, изменяющийся с изменением показателя преломления линзы;
d_max - диаметр пучка в максимальном сечении;
F - фокусное расстояние линзы.

Пятно, которое получится в фокусе, благодаря дифракции пучка малого размера d_F= θ_min•F, приравнивают к пятну аберрации
,
где
θ_min - расходимость в плоскости минимального размера пучка.

.

Зная d_min, ε , А и θ_min можно определить оптимальное значение фокусного расстояния F_опт, при котором фокальное пятно будет круглого сечения
.

Пример. CO₂ - лазер, d_min = 12мм.

Линза из хлорида калия (KCl) с показателем преломления h=1,45
θ_min= 1,5•10^-3, ε = 3, A = 0,08 [2] .

Тогда оптимальное фокусное расстояние, при котором реализуется в фокусе пятно круглого сечения будет
.

Источники информации
1. Технологические лазеры. Справочник в 2-х томах под ред. Г.А.Абильсиитова. М. : Машиностроение. 1991, т. 1. Гл. 5 23. Быстропроточные лазеры фирмы "Спектра физикс", с. 142-148.

2. В. С. Голубев, Ф.В. Лебедев "Инженерные основы технологических лазеров". М.: Высшая школа. 1987.

3. М.Г. Галушкин, В. С. Голубев, В.В. Дембовецкий, А.М. Забелин. Исследование физических и технических факторов, определяющих качество излучения промышленных CO₂ - лазеров киловаттного уровня мощности. Известия Академии наук. Серия Физическая, т.60, N 12, 1996, с. 157 - 164.

Изобретение предназначено для лазерной обработки и может найти применение в машиностроении. Для того, чтобы предотвратить разрушение фокусирующей линзы, излучение лазера, выходное окно и саму линзу выбирают эллиптической формы сечения. При определенном соотношении между фокусным расстоянием, расходимостью пучка во взаимноперпендикулярных направлениях возможно получение в фокусе пятна круглого сечения. 4 з.п.ф-лы. 3 ил.

1. Установка для лазерной обработки, состоящая из мощного газового лазера с поперечной прокачкой газа, содержащего газоразрядную камеру, оптический резонатор и прозрачное выходное окно, системы транспортировки и фокусировки излучения, содержащие поворотные полностью отражающие зеркала и фокусирующие линзовый объектив, отличающаяся тем, что мощный газовый лазер с поперечной прокачкой выполнен с возможностью излучения выходного пучка эллиптической формы, вытянутого в направлении, перпендикулярном плоскости газового потока, проходящего через газоразрядную камеру, а прозрачное выходное окно и линза объектива выполнены вытянутыми соответственно сечению проходящего через них выходного излучения лазера. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что оптический резонатор выполнен устойчиво-неустойчивым с плоскостью неустойчивости, ориентированной поперек потока. 3. Установка по п.2, отличающаяся тем, что устойчиво-неустойчивый резонатор имеет односторонний выход. 4. Установка по любому из пп.2 - 4, отличающаяся тем, что прозрачное выходное окно расположено под углом Брюстера к направлению луча. 5. Установка по любому из пп.1 - 4, отличающаяся тем, что линзовый объектив выполнен с фокусным расстоянием, определяемым следующим соотношением:

где d_min - диаметр пучка в плоскости минимального сечения, мм;
d_max - диаметр пучка в плоскости максимального сечения пучка; мм;
F - фокусное расстояние линзы; мм.

θ_min - расходимость излучения в плоскости минимального сечения пучка;

A - аберрационный коэффициент линзы.