Расширитель лазерного пучка с плавно изменяемым увеличением Российский патент 2023 года по МПК G02B27/09 G02B9/12 

Изобретение относится к области лазерной техники и может быть использовано в качестве расширителя диаметра пучка лазера, используемого в лазерном технологическом оборудовании.

Лазерное излучение, благодаря таким его особенностям как монохроматичность, когерентность, малая расходимость и высокая яркость широко используется для лазерной сварки, резки, гравировки и других технологических процессов обработки материалов.

Для большинства типов лазеров, используемых в установках характерны небольшие диаметры пучков - порядка 0,5÷2 мм. В то же время, в зоне обработки материала, при решении ряда задач, необходимо сфокусировать излучение в пятно с наименьшим диаметром, либо для того, чтобы создать большую плотность мощности, например, при резке или сварке материала, либо чтобы повысить точность обработки, например, при гравировке материала. Минимальный диаметр пятна δ, в которое можно сфокусировать лазерное излучение теоретически дается известной формулой Рэлея: δ=2.44λƒ/D, где λ - длина волны лазера, ƒ - фокусное расстояние объектива, D - диаметр входного зрачка объектива. Очевидно, что для того, чтобы сфокусировать излучение в пятно малого размера, необходимо увеличивать диаметр входного зрачка объектива D, который должен быть полностью заполнен лазерным излучением, то есть необходимо расширять лазерный пучок. С этой целью применяются расширители или трансфокаторы пучка с постоянным или переменным увеличением.

Известны расширители лазерного пучка U S5305150 A, 19.04.1994, "Laser beam expander: 10х"; US 5329404 A, 12.07.1994, "Laser beam expander: 5x"; CN 101738730 A, 16.06.2010, "Laser beam expander featuring adjustable lens spacing".

Общим недостатком перечисленных расширителей является отсутствие возможности изменения диаметра пучка на выходе, что существенно ограничивает диапазон их применения.

Известен расширитель лазерного пучка для мощного УФ-лазера [CN 113376844 A, 10.09.2021, "Continuous zoom beam expander suitable for high-power-density ultraviolet laser"], состоящий из трех оптически связанных линз, расположенных на одной оси вдоль падающего пучка лазерного излучения. Первая и вторая (по ходу луча) линзы плоско-вогнутые, расположены вогнутой поверхностью в сторону лазера, третья линза плоско-выпуклая, расположена плоскостью в сторону лазера. Первая и третья линзы могут перемещаться вдоль оптической оси относительно неподвижной второй линзы для изменения увеличения. Расширитель рассчитан на диаметр входного пучка 0,5÷1 мм и диапазон изменения увеличения 6÷12 крат.

Недостатками известного расширителя являются:

- ограниченный диаметр входного пучка лазерного излучения и ограниченный диапазон изменения увеличений. Так, для пучков с максимальным заявленным диаметром 1 мм оно не превышает 9 крат, а максимальное заявленное увеличение 12 крат реализуется только для диаметра входного пучка до 0,7 мм. Таким образом, максимальный диаметр выходного пучка составляет всего 9 мм. Это обстоятельство ограничивает функциональные возможности лазерного оборудования, оснащенного известным расширителем;

- возможность возникновения сфокусированного блика в результате отражения от вогнутой поверхности первой линзы, обращенной в сторону лазера, что может привести к нежелательным последствиям;

- большая максимальная длина оптической схемы расширителя - 212,6 мм.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является расширитель лазерного пучка [CN 111283320 А, 16.06.2020, "Laser beam expander and laser processing equipment"]. Расширитель состоит из четырех оптически связанных линз, расположенных на одной оси вдоль падающего пучка лазерного излучения. Вторая линза может перемещаться вдоль оптической оси относительно первой линзы, а третья и четвертая линзы могут совместно перемещаться относительно второй линзы для обеспечения изменения диаметра лазерного пучка на выходе расширителя. Первая линза - мениск, обращенный выпуклой стороной к лазеру, вторая и третья линзы двояковогнутые, четвертая линза двояковыпуклая. Все оптические поверхности линз имеют разные радиусы кривизны, за исключением второй, у которой радиусы кривизны одинаковые.

Недостатками этого расширителя являются:

- низкая технологичность изготовления его оптических элементов из-за большой номенклатуры радиусов, для каждого из которых необходимо изготовить пробные стекла и инструмент;

- малый диаметр выходного пучка при максимальном увеличении - 9 мм;

- низкая степень коррекции аберраций при больших увеличениях и больших диаметрах пучков на входе расширителя.

Технической задачей изобретения является уменьшение количества линз разных радиусов.

Техническим результатом изобретения является создание расширителя лазерного пучка с повышенной технологичностью изготовления его оптических элементов, меньшей себестоимостью, большим диаметром выходного пучка, уменьшенной максимальной длиной оптической схемы и повышенной степенью коррекции аберраций.

Технический результат достигается тем, что расширитель лазерного пучка с плавно изменяемым увеличением, включает три оптически связанных компонента, разделенных воздушными промежутками, при этом первый компонент содержит линзу с радиусами R₁ и R₂, второй компонент выполнен в виде двояковогнутой линзы с одинаковыми радиусами R₃, R₄, третий компонент содержит две линзы - третью отрицательную плосковогнутую с радиусами R₅=∞ и R₆ и четвертую двояковыпуклую положительную с радиусами R₇, R₈, согласно изобретению первый и третий компоненты выполнены с возможностью перемещения вдоль оптической оси относительно неподвижного второго компонента, линза первого компонента выполнена положительной двояковыпуклой, при этом для радиусов линз выполняются следующие соотношения: R₁=R₈, R₂=R₆.

Расширитель может работать с диаметрами входных пучков 1÷2 мм при увеличениях 6÷12 крат, а максимальный диаметр выходного пучка, при котором сохраняется дифракционное качество изображения достигает 20 мм (2 мм × 10^х), при этом волновая аберрация составляет величину менее λ/20, где λ - рабочая длина волны лазера. Волновая аберрация при диаметре входного пучка 1 мм и увеличении 12 крат менее λ/200.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана оптическая схема расширителя лазерного пучка с плавно изменяемым увеличением и приняты следующие обозначения:

1 - двояковыпуклая положительная первая линза первого компонента,

2 - двояковогнутая отрицательная вторая линза второго компонента,

3 - плосковогнутая отрицательная третья линза третьего компонента,

4 - двояковыпуклая положительная четвертая линза третьего компонента,

d₁ - толщина первой линзы,

d₂ - изменяемое расстояние между первым и вторым компонентами,

d₃ - толщина второй линзы,

d₄ - изменяемое расстояние между вторым и третьим компонентами,

d₅ - толщина третьей линзы,

d₆ - величина воздушного промежутка между третьей и четвертой линзами,

d₇ - толщина четвертой линзы.

На фиг. 2 приведен график зависимости концентрации энергии в пятне в зависимости от радиуса.

На фиг. 3 приведен график изменения модуля передаточной функции от пространственной частоты.

На фиг. 4 приведен график волновых аберраций расширителя при диаметре входного пучка 1 мм и увеличении расширителя 12^х.

На фиг. 5 приведен график волновых аберраций расширителя при диаметре входного пучка 2 мм и увеличении расширителя 6^х.

На фиг. 6 приведен график волновых аберраций расширителя при диаметре входного пучка 2 мм и увеличении расширителя 10^х.

Расширитель лазерного пучка с плавно изменяемым увеличением, включает три оптически связанных компонента, разделенных воздушными промежутками, при этом первый компонент содержит положительную двояковыпуклую линзу с радиусами R₁ и R₂, второй компонент выполнен в виде двояковогнутой линзы с одинаковыми радиусами R₃, R₄, третий компонент содержит две линзы - третью отрицательную плосковогнутую с радиусами R₅=∞ и R₆ и четвертую двояковыпуклую положительную с радиусами R₇, R₈, при этом первый и третий компоненты выполнены с возможностью перемещения вдоль оптической оси относительно неподвижного второго компонента, при этом для радиусов линз выполняются следующие соотношения: R₁=R₈, R₂=R₆.

Расширитель лазерного пучка с плавно изменяемым увеличением, изображенный на фиг. 1, работает следующим образом: лазерный псевдопараллельный пучок, исходящий из лазерного излучателя, попадает на первую линзу 1 первого компонента, имеющую положительную оптическую силу, после чего становится сходящимся, и на первой поверхности второй линзы 2 второго компонента диаметр сечения пучка уменьшается. После прохождения второй линзы, имеющей отрицательную оптическую силу, пучок начинает расходиться и попадает сначала на третью 3, а затем и на четвертую 4 линзы третьего компонента, после чего становится параллельным и увеличенным в диаметре. Расстояние d₂ меняется для изменения диаметра сечения пучка, а расстояние d₄ меняется в соответствии с изменением d₂ для компенсации изменившейся сходимости пучка и коллимации излучения. Таким образом, осуществляется вариация диаметра пучка на выходе расширителя и, соответственно его увеличение, уменьшается расходимость лазерного излучения.

Следует подчеркнуть, что расширитель по предлагаемой схеме может быть рассчитан для любых лазеров с рабочей длиной волны в диапазоне от УФ до ближнего ИК-излучения. В соответствии с предложенным решением в качестве конкретного примера рассчитан расширитель для Nd:YAG лазера с длиной волны 1,064 мкм, обладающий следующими техническими характеристиками:

рабочая длина волны 1,064 мкм;

диаметр входного пучка: 1÷2 мм;

диапазон изменения увеличения:

- 6÷12 крат для входного диаметра 1 мм (волновая аберрация меньше λ/200),

- 6÷10 крат для входного диаметра 2 мм (волновая аберрация меньше λ/100÷λ/20);

максимальная длина оптической схемы: 150,8 мм (6 ^х, мм).

Конструктивные параметры рассчитанного расширителя лазерного пучка с плавно изменяемым увеличением приведены в Таблице 1, где указаны радиусы поверхностей линз, их толщины и материал.

Все оптические поверхности линз расширителя имеют сферическую форму. В качестве материала для линз расширителя применен плавленый кварц, который имеет хорошее пропускание в широком диапазоне от УФ до ближней ИК-области спектра и низкий коэффициент температурного расширения, что делает этот материал универсальным для решения широкого круга задач.

В таблице 2 приведены значения изменяемых расстояний d₂ и d₄ при увеличениях расширителя 6, 8 и 12 крат.

Высокое качество рассчитанного расширителя подтверждается приложенными графическими материалами (фиг. 2 - фиг. 6)

Анализ аберраций оптической схемы расширителя лазерного пучка проводился с использованием модели параксиальной (безаберрационной) линзы с фокусным расстоянием 50 мм, позволяющей сфокусировать коллимированный пучок.

На фиг. 2 видно, что график практически совпадает с теоретическим пределом.

На фиг. 3 видно, что график практически совпадает с дифракционным пределом.

На фиг. 4 при диаметре входного пучка 1 мм и увеличении расширителя 12^х-волновая аберрация меньше λ/200.

На фиг. 5 при диаметре входного пучка 2 мм и увеличении расширителя 6^х-волновая аберрация меньше λ/100.

На фиг. 6 при диаметре входного пучка 2 мм и увеличении расширителя 10^х-волновая аберрация меньше λ/20.

Использование изобретения позволяет повысить технологичность изготовления оптических элементов расширителя за счет уменьшения количества разных радиусов линз, что ведет к уменьшению количества необходимых для контроля линз пробных стекол и сокращению номенклатуры инструмента для изготовления линз. Таким образом уменьшается себестоимость изготовления линз расширителя. Использование изобретения также позволяет увеличить максимальный диаметр пучка на выходе расширителя, сократить максимальную длину оптической схемы и повысить степень коррекции аберраций.

Изобретение относится к области лазерной техники и может быть использовано в качестве расширителя диаметра пучка лазера, используемого в лазерном технологическом оборудовании. Расширитель лазерного пучка с плавно изменяемым увеличением включает три оптически связанных компонента, разделенных воздушными промежутками. Первый компонент содержит двояковыпуклую линзу, которая имеет возможность перемещаться вдоль оптической оси относительно неподвижного второго компонента, состоящего из одной двояковогнутой линзы с одинаковыми радиусами. Третий компонент также имеет возможность перемещаться вдоль оптической оси относительно второго компонента и состоит из двух линз - плосковогнутой, обращенной плоской поверхностью в сторону второго компонента, и двояковыпуклой. Технический результат заключается в повышении технологичности изготовления оптических элементов расширителя за счет уменьшения количества разных радиусов линз, а также в увеличении максимального диаметра пучка на выходе расширителя, сокращении максимальной длины оптической схемы и повышении степени коррекции аберраций. 6 ил., 2 табл.

Расширитель лазерного пучка с плавно изменяемым увеличением, включающий три оптически связанных компонента, разделенных воздушными промежутками, при этом первый компонент содержит линзу с радиусами R₁ и R₂, второй компонент выполнен в виде двояковогнутой линзы с одинаковыми радиусами R₃, R₄, третий компонент содержит две линзы - третью отрицательную плосковогнутую с радиусами R₅=∞ и R₆ и четвертую двояковыпуклую положительную с радиусами R₇, R₈, отличающийся тем, что первый и третий компоненты выполнены с возможностью перемещения вдоль оптической оси относительно неподвижного второго компонента, линза первого компонента выполнена положительной двояковыпуклой, при этом для радиусов линз выполняются следующие соотношения: R₁=R₈, R₂=R₆.