ФАЗОСДВИГАЮЩАЯ СИСТЕМА Российский патент 2000 года по МПК G02B5/30 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к лазерной технике, и может быть использовано для создания фазосдвигающих систем, входящих в состав тракта транспортировки излучения лазерного комплекса резки.

В технологии лазерной резки металлов принципиальным является поляризация излучения, при оптимальном значении которой достигается высокая производительность и наилучшее качество. В случае линейной поляризации излучения лазера форма и ширина реза существенно различны при параллельном и перпендикулярном направлении перемещения материала по отношению к направлению колебаний электрического вектора поля E. Наилучшее качество резки и максимальная производительность достигаются при круговой поляризации.

Как правило, мощные технологические CO₂ - лазеры с целью достижения минимальной расходимости излучения, а следовательно, лучшей фокусировки, имеют линейную поляризацию. Следовательно, комплекс резки с таким лазером должен иметь фазосдвигающую систему (ФСС), преобразующую линейно-поляризованное излучение (ЛПИ) в излучение с круговой поляризацией (ИКП).

Существует множество оптических схем транспортировки излучения в лазерных комплексах резки.

Независимо от количества поворотных зеркал в тракте транспортировки по крайней мере одно из них выполняет роль преобразователя ЛПИ в ИКП. Для такого преобразователя принципиальным является то, что разница фазовых сдвигов между "S" и "P" отраженными компонентами (Δ) равна 90^o, а величина эллиптичности, т.е. отношение коэффициентов отражения "S" и "P" компонент (ε) должно быть близко к 1. В этом случае остальные поворотные зеркала в оптическом тракте должны иметь Δ = 0^° и эллиптичность ε = 1,0, чтобы не искажать ИКП и направить его в объектив. Такая схема транспортировки излучения имеет следующие недостатки: 1) малый допуск на результирующую величину Δ_Σ, не превышающую ± 3^o; 2) малый допуск на величину угла падения (α), номинальное значение которого для фазосдвигающих зеркал, как правило, составляет α = 45^°; 3) малый допуск на величину азимутального угла между плоскостью поворота излучения зеркалом-фазосдвигателем и плоскостью, в которой лежит вектор E и главная оптическая ось ЛПИ, который должен составлять 45^o; 4) невысокие ресурсные характеристики зеркал-фазосдвигателей с Δ = 90^° из-за сравнительно высокого поглощения β = (1-2)% (для рабочей длины волны 10,6 мкм).

Известна фазосдвигающая система /1/, состоящая из 2-х или 3-х зеркал - фазосдвигателей, которая поворачивает излучение в одной плоскости при постоянном угле падения 45^o, где в первом случае зеркала имеют Δ = 45^°, а во втором - Δ = 30^°. Суммарный поворот излучения равен 0, зеркала имеют величину разницы фазовых сдвигов между "S" и "P" отраженными компонентами излучения от 0^o до 90^o, а суммарная величина разности фазовых сдвигов на выходе ФСС равна 90^o при номинальном значении углов падения излучения, причем первое и последнее зеркала расположены на главной оптической оси "вход - выход" (US 4379622 A, 12.04.83). Основные недостатки этого ФСС те же, что в традиционном варианте, за исключением ресурсных характеристик, т.к. поглощение зеркал с Δ = 45^° или с Δ = 30^° меньше, чем для зеркал с Δ = 90^°
Задачей изобретения является повышение качества преобразования ЛПИ в ИКП и универсальность применения с мощными технологическими лазерами, имеющими произвольно ориентированный азимут вектора E ЛПИ.

Указанная задача решается за счет того, что в фазосдвигающей системе, состоящей из зеркал, каждое из которых поворачивает излучение в одной плоскости так, что суммарный поворот излучения равен 0^o, зеркала имеют величину разницы фазовых сдвигов между "S" и "P" отраженными компонентами излучения от 0^o до 90^o, а суммарная величина разности фазовых сдвигов на выходе ФСС равна 90^o при номинальном значении углов падения излучения, причем первое и последнее зеркала расположены на главной оптической оси "вход - выход", ФСС состоит из трех или четырех зеркал, все зеркала имеют возможность синхронного изменения угла падения на них излучения относительно номинального значения в пределах от +10^o до -10^o, причем по крайней мере одно из зеркал имеет монотонную зависимость величины фазового сдвига от угла падения излучения, остальные зеркала имеют разницу фазовых сдвигов, не зависящую от угла падения излучения, а ФСС имеет возможность поворота вокруг оси "вход - выход".

На фиг. 1 показана оптическая схема роботизированного лазерного комплекса резки металла.

На фиг. 2 показана оптическая схема 4-зеркальной ФСС по изобретению.

На фиг. 3 показана оптическая схема 3-зеркальной ФСС по изобретению.

На фиг. 4 показана зависимость Δ_Σ от α в 4-зеркальной ФСС.

На фиг. 1 показан мощный технологический лазер 1, в состав резонатора которого входит линейный поляризатор 2, лазер имеет горизонтальную главную оптическую ось. Зеркала 3, 4, 5 и 6 образуют тракт транспортировки излучения лазера и направляют излучение в объектив 7 и далее на объект обработки 8. Зеркало 3 выполняет роль ФСС, имеет Δ = 90^o и работает при фиксированном угле падения α = 45^°, остальные зеркала (4, 5 и 6) имеют Δ = 0^° и работают в широкой области падения углов.

На фиг. 2 дана схема 4-зеркальной ФСС по изобретению. Первое и последнее зеркала (1 и 4) расположены на главной оптической оси "вход - выход", совпадающей с главной оптической осью лазера, зеркала поворачивают излучение в одной плоскости с результирующей величиной 0^o на выходе без смещения. Все зеркала имеют возможность синхронного изменения угла α. На фиг. 2а зеркала ФСС находятся в номинальном положении при α = 45^°, чему соответствуют Δ_Σ= 90^°. На фиг. 2б зеркала ФСС находятся при α = 50^°, т.е. более номинального, при этом Δ_Σ имеет величину более 90^o, причем положение оси "вход - выход" в пространстве не изменилось. На фиг. 2в зеркала находятся при угле падения α = 40^° т.е. менее номинального, при этом Δ_Σ имеет величину менее 90^o при неизменном положении в пространстве оси "вход - выход".

На фиг. 3 показана 3-х-зеркальная ФСС по предлагаемому изобретению, где первое и последнее зеркала (1 и 3) расположены на главной оптической оси "вход - выход", зеркала поворачивают излучение на выходе на 0^o без смещения. Для этой схемы характерно соотношение 2α-β = 90^°.
На фиг. 4 показана расчетная монотонная зависимость величины Δ от α зеркала, имеющего при номинальном угле падения α = 45^° Δ = 22,5^°. На фиг 4б показана расчетная монотонная зависимость величины Δ_Σ от α для ФСС по изобретению, состоящей из 4-х зеркал, имеющих при номинальном α = 45^° Δ = 22,5^°. Как можно видеть, при синхронном изменении угла α от 35^o до 55^o величина Δ_Σ на выходе ФСС изменяется монотонно в пределах от 48^o до 156^o.

В данном техническом решении использован принцип перестройки Δ за счет изменения α зеркал, имеющих монотонную зависимость величины Δ от α . Синхронное изменение α означает либо его увеличение, либо уменьшение для всех зеркал ФСС при условии сохранения неизменной в пространстве оси "вход - выход". Величина изменения α в пределах ±10^o выбрана оптимальной, поскольку реализует достаточно широкую область перестройки Δ_Σ/ от 48^o до 156^o без существенных ограничений по апертуре для излучения мощного технологического лазера.

Использование в ФСС зеркал с монотонной зависимостью величины Δ от α позволяет (при изменении угла падения α) перестраивать величину Δ_Σ также с монотонной зависимостью, что позволяет калибровать характеристику перестройки. При этом 3- и 4-зеркальные ФСС могут быть реализованы из зеркал с различным произвольным сочетанием номинальных значений Δ , что в качестве примера показано в таблице. Возможность поворота ФСС позволяет настроить оптимальную величину азимута, не нарушая юстировку всего тракта лазерного комплекса резки, что особенно важно для технологических лазеров с произвольно ориентированным в пространстве вектором E.

Изобретение реализуется следующим образом.

Вначале необходимо выбрать 3- или 4-зеркальную схему ФСС. Наиболее просто реализуется 4-зеркальная схема, т.к. она имеет меньшие ограничения по апертуре и менее сложный механизм синхронного изменения α. Целесообразно в этом случае выбрать номинальным α = 45^°. Исходя из относительной простоты реализации отражающего - фазосдвигающего покрытия, имеющего минимальное поглощение на рабочей длине волны, целесообразно выбрать зеркала с номинальной величиной Δ = 22,5^° и монотонной зависимостью Δ от α по крайней мере в области углов падения от 35^o до 55^o. Производят расчет конструкции зеркального - фазосдвигающего покрытия с монотонной зависимостью Δ от α , при этом необходимо, чтобы коэффициент отражения был не менее 99%, а эллиптичность близка к единице.

Изготавливают зеркала, например, для CO₂-лазерного комплекса резки на основе меди или кремния, отполированных с оптическим качеством. Наносят термическим испарением и конденсацией в вакууме отражающее - фазосдвигающее покрытие.

Изготавливают конструктив ФСС для 4-зеркальной схемы, имеющий механизм синхронного изменения угла α всех зеркал в пределах ±10^o, включающий орган настройки и индикатор Δ_Σ в соответствии со схемой на фиг. 3. Устанавливают зеркала в конструктив ФСС и юстируют их по оси "вход - выход" при номинальном угле α = 45^°. Калибруют шкалу настройки Δ_Σ ФСС с помощью эллипсометра. Устанавливают и юстируют ФСС в оптический тракт лазерного комплекса резки, например, непосредственно около лазера, таким образом, чтобы ось "вход - выход" совпадала с главной оптической осью лазера. По калиброванной шкале Δ_Σ устанавливают величину 90^o. Если известна ориентация вектора E ЛПИ, то устанавливают угол азимута 45^o между плоскостью поворота зеркал ФСС и плоскостью, в которой лежит вектор E и главная оптическая ось лазера, для чего поворачивают ФСС вокруг оси "вход - выход" на нужную величину и фиксируют. В зависимости от комплектации всего тракта транспортировки излучения лазерного комплекса поворотными зеркалами с конкретными значениями Δ производят окончательную настройку величины Δ_Σ, например, используя критерии качества резки конкретного материала.

Был изготовлен экспериментальный образец ФСС по 4-зеркальной схеме для CO₂-лазерного комплекса резки мощностью до 1,5 кВт. Зеркала для ФСС были изготовлены из кремния ⊘ 50 мм под апертуру ⊘ 20 мм при номинальном α = 45^°. Зеркала имели зеркальное - фазосдвигающее покрытие вида П Cr Cu BiF₃ 0,7 ZnSe, где: П - подложка из кремния, Cr - адгезионный слой хрома, Cu - отражающий слой меди, далее нанесено фазосдвигающее покрытие, состоящее из четвертьволнового (для 10,6 мкм) слоя фторида висмута и селенида цинка. Эти зеркала при номинальном угле α = 45^° имели следующие характеристики: коэффициент отражения ρ ≥ 99% , разность фазовых сдвигов Δ = (20-25)^° с монотонной зависимостью Δ от α, аналогичной на фиг.5a, эллиптичность ε = 1,01.
Принцип конструкции 4-зеркальной ФСС с синхронным изменением угла α показан на фиг. 3. Попарно зеркала 1 и 2 и 3 и 4 закреплены неподвижно друг относительно друга таким образом, что зеркальные поверхности обращены друг к другу и параллельны
между собой. Каждый из двух таких узлов имеет возможность поворота в плоскости чертежа около оси, проходящей через центр симметрии. Поворачивая эти узлы в разные направления на одинаковую величину в пределах ±10^o, тем самым не нарушая положения в пространстве оси "вход - выход", изменяют величину α в тех же пределах и, следовательно, производят перестройку величины Δ_Σ.
Зеркала были установлены в вышеописанную конструкцию ФСС и съюстированы при номинальном угле падения α = 45^° по оси "вход - выход". Затем была прокалибрована шкала настройки Δ_Σ с помощью ИК (на 10,6 мкм) лазерного эллипсометра по α в пределах ± 5^o. Область перестройки ФСС составила 70 - 120^o аналогично характеристике на фиг. 4б. Коэффициент передачи ФСС составил не менее 97%, а эллиптичность ε = 1,05.
ФСС была испытана в 4-зеркальной портальной схеме CO₂ - лазерного комплекса резки, для чего ФСС была установлена непосредственно около лазера и съюстирована осью "вход - выход" по главной оси лазера. Лазер ТЛ-1,5 имел азимут вектора E, равный 45^o. Испытания ФСС проводились как при комплектации портальной схемы комплекса поворотными зеркалами с Δ = 0^°, так и простыми с Δ = -(4-6)^°. В последнем случае окончательная настройка Δ_Σ ФСС осуществлялась по критериям качества резки листовой стали (ширина и форма реза, скорость резки и др.).

Таким образом данная ФСС позволяет производить настройку в широких пределах с необходимой точностью величины и угла азимута при любой ориентации в пространстве вектора E ЛПИ. При этом не происходит нарушение юстировки всего оптического тракта комплекса резки. Кроме того, широкая область перестройки Δ_Σ позволяет использовать как в составе ФСС, так и в составе тракта транспортировки зеркала с допуском величины Δ по крайней мере до ±5^o.

Фазосдвигающая система (ФСС) состоит из трех или четырех зеркал. Каждое из зеркал поворачивает излучение в одной плоскости так, что суммарный поворот излучения равен 0^o, и зеркала имеют величину разницы фазовых сдвигов, между S и Р отраженными компонентами излучения от 0 до 90^o, а суммарная величина разности фазовых сдвигов на выходе ФСС равна 90^o при номинальном значении углов падения излучения. Зеркала имеют возможность синхронного изменения угла падения на них излучения относительно номинального значения в пределах от +10 до -10^o. По крайней мере одно из зеркал имеет монотонную зависимость величины фазового сдвига от угла падения излучения. Причем ФСС имеет возможность поворота вокруг оси "вход-выход", на которой расположены первое и последнее зеркала. Повышается качество преобразования поляризованного излучения и обеспечивается возможность применения с лазерами, имеющими произвольную ориентацию вектора Е. 4 ил., 1 табл.

Фазосдвигающая система (ФСС), состоящая из зеркал, каждое из которых поворачивает излучение в одной плоскости так, что суммарный поворот излучения равен 0⁰, зеркала имеют величину разницы фазовых сдвигов между S и Р отраженными компонентами излучения от 0 до 90^o, а суммарная величина разности фазовых сдвигов на выходе ФСС равна 90^o при номинальном значении углов падения излучения, причем первое и последнее зеркала расположены на главной оптической оси "вход-выход", отличающаяся тем, что она состоит из трех или четырех зеркал, все зеркала имеют возможность синхронного изменения угла падения на них излучения относительно номинального значения в пределах от +10 до -10^o, причем по крайней мере одно из зеркал имеет монотонную зависимость величины фазового сдвига от угла падения излучения, остальные зеркала имеют разницу фазовых сдвигов, не зависящую от угла падения излучения, а ФСС имеет возможность поворота вокруг оси "вход-выход".