СПОСОБ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2013 года по МПК H01S3/105 

Описание патента на изобретение RU2474022C2

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к устройствам, обеспечивающим обработку материалов лазерным излучением.

Известен способ лазерной обработки материалов, включающий фокусирование излучения твердотельного лазера на обрабатываемом материале и настройку параметров пучка лазерного излучения в соответствии с заданным соотношением между шириной зоны устойчивости резонатора и величиной оптической силы тепловой линзы, наведенной в активном элементе излучением накачки, осуществляемую с помощью подбора радиусов кривизны полностью отражающего и выходного зеркал резонатора и расстояний между зеркалами резонатора [1].

Известна также установка для лазерной обработки материалов, включающая основание, установленный на основании твердотельный лазер, содержащий полностью отражающее и выходное зеркала резонатора, активный элемент, систему оптической накачки активного элемента, устройство изменения мощности накачки, и оптическую систему для фокусирования лазерного излучения на обрабатываемый материал [1].

В известных способе и устройстве условие устойчивости резонатора лазера определяют параметры входящих в него элементов: радиусы кривизны зеркал резонатора R1, R2, расстояния между элементами резонатора L1, L2, длина активного элемента L, его показатель преломления n и величина оптической силы тепловой линзы D=1/f, наведенной в активном элементе излучением накачки. При изменении мощности накачки лазера величина тепловой линзы в его активном элементе меняется, при этом резонатор может выйти за пределы области устойчивости.

В зависимости от параметров используемых элементов нижняя DII и верхняя DIV границы области устойчивости резонатора определяются соотношениями [2]:

где d1,2=L1,2+L/2n.

Допустимые пределы изменения оптической силы тепловой линзы ΔD=Δ(1/f), соответствующие ширине зоны устойчивости резонатора, определяются разностью

При этом величина оптической силы тепловой линзы D=1/f в центре зоны устойчивости резонатора выбирается в качестве рабочего значения

Опыт работы заявителей с установками для лазерной обработки материалов, который подтверждается и в [1], показывает, что для обеспечения высокого качества пучка лазерного излучения и его стабильности ширина зоны устойчивости резонатора ΔD=Δ(1/f) не должна превышать 20% от величины оптической силы тепловой линзы D=1/f, соответствующей рабочему значению мощности накачки.

Поэтому для заданной рабочей мощности накачки лазера P1 определяется соответствующая величина тепловой линзы в его активном элементе f1 и затем зеркала резонатора устанавливаются так, чтобы значение D1=1/f1 находилось в центре зоны устойчивости резонатора и при этом выполнялось неравенство Δ(1/f1)<0,2×(1/f1).

В процессе генерации лазера при заданной мощности накачки и при параметрах резонатора, обеспечивающих оптимальное (или заданное) соотношение ΔD1/D1, на выходе резонатора формируется высококачественный пучок лазерного излучения, характеризующийся диаметром и расходимостью. Оптическая система для фокусирования лазерного излучения на обрабатываемый материал сохраняет постоянной величину произведения диаметра пучка на его расходимость [2], тем самым обеспечивая полученное в лазере высокое качество пучка в зоне фокусировки.

Обрабатываемые материалы различаются по температуре плавления, по теплопроводности, по коэффициенту отражения лазерного излучения. Кроме того, для разных материалов используются различные режимы обработки. Все это требует соответствующего изменения мощности накачки. Однако использование известного способа и устройства обеспечивает высокое качество лазерного пучка на обрабатываемом материале только в окрестности одной фиксированной мощности накачки, соответствующей D1=1/f1. Это ограничивает возможность использования установки, позволяя применять ее только для одного фиксированного режима обработки конкретного материала.

Результат, для достижения которого направлено данное техническое решение, заключается в улучшении эксплуатационных характеристик устройства для лазерной обработки материалов с различными свойствами.

Указанный результат достигается за счет того, что в способе лазерной обработки материалов, включающем фокусирование излучения твердотельного лазера на обрабатываемом материале и настройку параметров пучка лазерного излучения в соответствии заданным соотношением между шириной зоны устойчивости резонатора и величиной оптической силы тепловой линзы, наведенной в активном элементе излучением накачки, осуществляемую с помощью подбора радиусов кривизны полностью отражающего и выходного зеркал резонатора и расстояний между зеркалами резонатора, изменение режима обработки материала осуществляют изменением мощности накачки при сохранении заданного соотношения между шириной зоны устойчивости резонатора и величиной оптической силы тепловой линзы, причем для поддержания заданной величины соотношения меняют радиус кривизны полностью отражающего зеркала и устанавливают его на соответствующем расстоянии от активного элемента. Соотношение между шириной зоны устойчивости резонатора и величиной оптической силы тепловой линзы, наведенной в активном элементе излучением накачки, принимают меньшим 0,2.

Указанный результат достигается за счет того, что установка для лазерной обработки материалов, включающая основание, установленный на основании твердотельный лазер, содержащий полностью отражающее и выходное зеркала резонатора, активный элемент, систему оптической накачки активного элемента, устройство изменения мощности накачки и оптическую систему для фокусирования лазерного излучения на обрабатываемый материал, снабжена, по меньшей мере, одним дополнительным зеркалом, установленным подвижно относительно основания между полностью отражающим зеркалом и активным элементом и выполненным с возможностью фиксации его на оптической оси резонатора.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен пример выполнения установки для лазерной обработки материалов, на фиг.2 - лазер, на фиг.3-4 - схемы, поясняющие работу устройства.

Установка для лазерной обработки материалов, включает основание 1, установленный на основании твердотельный лазер 2, содержащий полностью отражающее 3 и выходное 4 зеркала резонатора, активный элемент 5, систему оптической накачки 6 активного элемента 5, устройство изменения мощности накачки 7 и оптическую систему 8 для фокусирования лазерного излучения на обрабатываемом материале 9.

Установка для лазерной обработки материалов снабжена, по меньшей мере, одним дополнительным зеркалом 10, установленным подвижно относительно основания 1 между полностью отражающим зеркалом 3 и активным элементом 5.

Способ осуществляют следующим образом.

За счет подбора радиусов кривизны полностью отражающего и выходного зеркал резонатора и расстояний между зеркалами резонатора производят настройку параметров пучка лазерного излучения, устанавливая заданное соотношение между шириной зоны устойчивости резонатора и величиной оптической силы тепловой линзы, наведенной в активном элементе излучением накачки. Далее производят фокусирование пучка лазерного излучения на обрабатываемом материале. При необходимости изменения режима обработки материала осуществляют изменение мощности накачки при сохранении заданного соотношения между шириной зоны устойчивости резонатора и величиной оптической силы тепловой линзы. Для поддержания заданной величины соотношения меняют радиус кривизны полностью отражающего зеркала и устанавливают его на соответствующем расстоянии от активного элемента.

Пример выполнения способа

Оптическая схема лазера выполнена со следующими параметрами элементов резонатора:

R1=-100 мм, R2=1000 мм, L1=450 мм, L2=550 мм, L=100 мм, n=1,82.

Ширина зоны устойчивости рассмотренного резонатора составляет: ΔD1=A(1/f1)=DIV-DII=3,82 м-1-3,46 м-1=0,36 м-1. Рабочее значение оптической силы тепловой линзы, выбранное в центре зоны устойчивости резонатора, при этом составляет D1=1/f1=3,64 м-1. Отношение (ΔD1)/D1≈0,1.

При изменении режима работы установки, требующем увеличения мощности накачки на 20%, значение оптической силы тепловой линзы в активном элементе возрастет до D2=1/f2=4,2 м-1.

В соответствии с расчетом, проведенным по формулам (1)-(4), для сохранения установленной величины отношения (ΔD2)/D2≈0,1 перед задним зеркалом резонатора на расстоянии L1I=350 мм, размещаем зеркало с радиусом кривизны R1I=-70 мм. В этом случае ширина зоны устойчивости полученного резонатора составит ΔD2=Δ(1/f2)=DIV-DII=4,38 м-1-3,96 м-1=0,42 м-1, что обеспечивает сохранение заданного соотношения (ΔD2)/D2. Таким образом, резонатор лазера остается в пределах области устойчивости и выполняется соотношение, обеспечивающее высокое качество пучка лазерного излучения, сфокусированного на обрабатываемом материале.

Таким образом, предложенное техническое решение позволит:

- улучшить эксплуатационные характеристики устройства для лазерной обработки материалов с различными свойствами;

- обеспечить возможность изменения мощности накачки и, следовательно, возможность изменения мощности лазерного излучения на обрабатываемом материале при сохранении параметров лазерного пучка в зоне фокусировки.

Источники информации

1. Патент США №6285705, НКИ 372/99, 2001.

2. N.Hodgson, H.Weber, Laser resonators and beam propagation. Springer, New York, 2005.

Похожие патенты RU2474022C2

название год авторы номер документа
Способ и устройство для лазерной резки материалов 2016
  • Гликин Лев Семенович
RU2634338C1
ЛАЗЕРНОЕ ГЕНЕРАТОРНО-УСИЛИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ОДНОМОДОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ 1993
  • Кравец А.Н.
  • Кравец С.А.
RU2044065C1
МНОГОПРОХОДНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 2002
  • Першин С.М.
RU2231879C1
ЛАЗЕР С ВЕРТИКАЛЬНЫМ РЕЗОНАТОРОМ И ВЫВОДОМ ИЗЛУЧЕНИЯ ЧЕРЕЗ ПОВЕРХНОСТЬ, НАБОР ЛАЗЕРОВ И СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ КПД ЛАЗЕРНОГО УСТРОЙСТВА 1998
  • Мурадян Арам
RU2190910C2
КВАЗИТРЕХУРОВНЕВЫЙ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР И СПОСОБ ЕГО РАБОТЫ 2007
  • Михайлов Виктор Алексеевич
  • Загуменный Александр Иосифович
  • Калачев Юрий Львович
  • Подрешетников Владимир Владимирович
  • Заварцев Юрий Дмитриевич
  • Кутовой Сергей Александрович
  • Фаузи Зерроук
RU2360341C2
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДИСКОВЫЙ ЛАЗЕР 2010
  • Козловский Владимир Иванович
RU2461932C2
ЛАЗЕРНЫЙ ПРИБОР, СОДЕРЖАЩИЙ ОПТИЧЕСКИ НАКАЧИВАЕМЫЙ ЛАЗЕР С ПРОТЯЖЕННЫМ РЕЗОНАТОРОМ 2014
  • Гроненборн Стефан
RU2674061C2
ЛАЗЕРНОЕ УСТРОЙСТВО МАЛОМОДОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛА 1992
  • Кравец А.Н.
RU2016089C1
ВОЛОКОННО-ЛАЗЕРНОЕ УСТРОЙСТВО 1995
  • Леонтьев М.Я.
  • Минаев В.П.
  • Плотников В.М.
  • Чижевский О.Т.
RU2097888C1
ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ МОНОИМПУЛЬСНЫЙ ЛАЗЕР И ДВУХВОЛНОВЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ ГЕНЕРАТОР 2006
  • Бученков Вячеслав Антонович
  • Любимов Владимир Вениаминович
  • Новиков Георгий Егорович
  • Родионов Андрей Юрьевич
  • Устюгов Владимир Иванович
RU2346367C2

Иллюстрации к изобретению RU 2 474 022 C2

Реферат патента 2013 года СПОСОБ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к устройствам, обеспечивающим обработку материалов лазерным излучением. Способ осуществляют следующим образом. За счет подбора радиусов кривизны полностью отражающего и выходного зеркал резонатора и расстояний между зеркалами резонатора производят настройку параметров пучка лазерного излучения, устанавливая заданное соотношение между шириной зоны устойчивости резонатора и величиной оптической силы тепловой линзы, наведенной в активном элементе излучением накачки. Далее производят фокусирование пучка лазерного излучения на обрабатываемом материале. При необходимости изменения режима обработки материала осуществляют изменение мощности накачки при сохранении заданного соотношения между шириной зоны устойчивости резонатора и величиной оптической силы тепловой линзы. Для поддержания заданной величины соотношения меняют радиус кривизны полностью отражающего зеркала и устанавливают его на соответствующем расстоянии от активного элемента. Технический результат заключается в обеспечении улучшения эксплуатационных характеристик лазерной обработки материалов с различными свойствами. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Формула изобретения RU 2 474 022 C2

1. Способ лазерной обработки материалов, включающий фокусирование излучения твердотельного лазера на обрабатываемом материале и настройку параметров пучка лазерного излучения в соответствии с заданным соотношением между шириной зоны устойчивости резонатора и величиной оптической силы тепловой линзы, наведенной в активном элементе излучением накачки, осуществляемую с помощью подбора радиусов кривизны полностью отражающего и выходного зеркал резонатора и расстояний между зеркалами резонатора, отличающийся тем, что изменение режима обработки материала осуществляют изменением мощности накачки при сохранении заданного соотношения между шириной зоны устойчивости резонатора и величиной оптической силы тепловой линзы, причем для поддержания заданной величины соотношения меняют радиус кривизны полностью отражающего зеркала и устанавливают его на соответствующем расстоянии от активного элемента.

2. Способ лазерной обработки материалов по п.1, отличающийся тем, что соотношение между шириной зоны устойчивости резонатора и величиной оптической силы тепловой линзы, наведенной в активном элементе излучением накачки, принимают меньшим 0,2.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2013 года RU2474022C2

US 6285705 B1, 04.09.2001
US 5359616 A, 25.10.1994
МНОГОПРОХОДНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 2002
  • Першин С.М.
RU2231879C1
US 6587497 B1, 01.07.2003.

RU 2 474 022 C2

Авторы

Максюков Василий Петрович

Миленький Михаил Николаевич

Раевский Евгений Валентинович

Сапрыкин Леонид Григорьевич

Даты

2013-01-27Публикация

2011-01-18Подача