Способ двухкоординатного отклонения оптического излучения Российский патент 2024 года по МПК G02F1/133 

Предлагаемое изобретение относится к акустооптике и лазерной технике, а именно: к технике взаимодействия импульсного лазерного излучения с веществом, в частности, к способам управления акустооптическими устройствами, предназначенными для управления направлением распространения и амплитудой оптических пучков с возможностью разделения длины волн, их мощностью, и может найти применение для отклонения оптического излучения в разных приборах и устройствах, использующих лазеры, например, в лазерных локаторах, дальномерах, в лазерных хирургических инструментах, в устройствах лазерной гравировки, маркировки, обработки и раскройки материалов и др.

В ряде задач, где применяется импульсное лазерное излучение с высокой частотой повторения в 15-50 кГц, и с учетом возрастания требований к скорости отклонения лазерного излучения в пространстве быстродействия электромеханических устройств может быть недостаточно (особенно при работе по подвижным объектам). В таких случаях необходимо использование немеханических безынерционных акустооптических устройств для отклонения лазерного луча [1, 2], которые обладают гораздо большей скоростью управления лазерным лучом, в частности, его отклонением, по сравнению с электромеханическими сканирующими устройствами.

В основе таких устройств лежат физические принципы дифракции света на бегущей акустической волне. При выполнении определенных условий практически вся энергия падающего излучения переходит в один дифракционный порядок (режим брэгговской дифракции). Угловое положение этого порядка зависит от периода фазовой решетки и может меняться при изменении частоты ультразвуковой волны. Интенсивность управляемого порядка зависит от амплитуды изменений показателя преломления и определяется мощностью звука. При оптимальном значении мощности управляемый порядок может достигать 95%. Эффективность дифракции акустооптического устройства - это отношение интенсивности отклоненного управляемого лазерного излучения в первом порядке к общей интенсивности введенного в акустооптический дефлектор лазерного излучения.

Достоинствами акустооптических устройств являются отсутствие подвижных элементов, малое энергопотребление, простота конструкции, компактность, надежность и, что очень важно для дефлекторов, - чрезвычайно высокое быстродействие таких систем, которое зависит от размера акустооптической ячейки и обычно измеряется микросекундами. Таким образом удается с помощью акустооптических систем контролировать каждый импульс лазерного излучения.

Принципиально новым фактором является независимость от угловой величины времени переброса лазерного луча из одной точки в другую, что позволяет осуществлять сканирование лазерного излучения по любому заданному алгоритму без прохождения промежуточных положений. Другим важным фактом является возможность с высоким быстродействием управлять расходимостью лазерного пучка, что особенно важно в лазерной локации подвижных целей и может существенно облегчить технологические работы по обработке деталей сканирующим частотно-импульсным лазерным излучением. Однако существует ряд факторов, сдерживающих широкое практическое использование акустооптических дефлекторов, - это прежде всего сравнительно невысокий угол (по сравнению с электромеханическими сканерами) сканирования - как правило не более 3°×3°, а также существенные потери лазерного излучения при сканировании по двум координатам - не менее 20%, кроме того, дополнительная сложность заключается в том, что отклоняемое лазерное излучение должно быть линейно поляризовано. Также каждый акустооптический дефлектор работает с оптимальными параметрами только на узкий диапазон длин волн и для двух источников лазерного излучения, разнесенных по длинам волн не менее чем на 20 нм, необходимо использовать два отдельных дефлектора. Если акустооптический дефлектор использовать неоптимальным способом необходимы дополнительные оптические компенсаторы, так как при одинаковых звуковых дифракционных решетках в кристаллах выходное лазерное излучения для разных длин волн будет распространяться под разными углами.

При работе с мощными лазерами с произвольно поляризованным излучением необходимо использовать схему с двумя акустооптическими двухкоординатными дефлекторами, каждый из которых работает с горизонтальной или вертикальной поляризацией. В схеме используют специальную оптику, которая до дефлекторов разделяет лазерное излучение на два поляризованных оптических пучка (горизонтально и вертикально), а на выходе из дефлекторов складывает их. При этом суммарные потери на такую схему составляют около 30%.

Существует достаточно большое количество лазеров на парах металлов, таких как медь, золото, стронций, свинец, марганец, которые относятся к классу газовых лазеров, использующих переходы металлов с резонансного на метастабильный уровень для генерации излучения. Эти источники излучения являются лазерами импульсного типа, так как длительность импульса генерации ограничивается временем жизни нижнего рабочего уровня. При этом параметры лазерных уровней атома меди имеют очень хорошее совпадение с теоретическими условиями генерации лазеров на парах металлов, что позволяет достигать наибольшие мощность генерации и КПД именно в лазерах на парах меди. В связи с этим существующие в настоящее время промышленные лазеры на парах меди имеют чрезвычайно выигрышное сочетание выходных параметров: относительно высокую среднюю мощность (около 15 Вт) при высокой частоте следования импульсов (до 20 кГц) на длинах волн в 510,6 и 578,2 нм из видимого диапазона при наносекундной длительности генерируемых импульсов излучения около 10 не и интенсивности сфокусированного излучения около 1010 Вт/см² [3-5].

Такие выигрышные параметры излучения позволяют использовать лазеры на парах меди для лазерной абляции твердых тел в жидкостях, что приводит к формированию на их поверхностях структур нанометрового и микронного масштабов. Причем получившиеся поверхностные структуры свободны от распыленного материала образца, так как он удаляется под высоким давлением паров окружающей жидкости, а не осаждается как в случае обработки твердых тел в вакууме или воздушной среде. Также при достаточно высоких плотностях энергии излучения лазерная абляция в жидкости при неподвижном пятне облучения будет сопровождаться образованием глубокого кратера, поэтому, как правило, поверхностные структуры получают при сканировании лазерного пучка по образцу (обычно около 1 мм/с при частоте следования импульсов лазеры на парах меди). Высокая частота следования импульсов делает лазеры на парах меди эффективным источником лазерного излучения для формирования наночастиц на поверхности металлов и полупроводников путем абляции соответствующих мишеней в жидкостях [6-9].

Для существующих лазерных источников с высокой частотой следования импульсов появляется необходимость оптимизации оптической схемы и параметров лазерного модуля таким образом, чтобы перемещение лазерного луча по обрабатываемой поверхности материала проходило так, что каждый последующий импульс (или при необходимости пакет импульсов) воздействовал в новое место обрабатываемой поверхности.

Использование быстродействующих акустооптических систем при лазерной обработке поверхности материалов обеспечивает возможность контролировать каждый импульс лазерного излучения посредством программированного сканирования по поверхности материала отдельных импульсов (или, в случае необходимости, пакетов импульсов) лазеров на парах меди в процессе данной обработки.

Таким образом, задача создания и совершенствования технологии двухкоординатного отклонения оптического излучения для перспективных лазерных локаторов, дальномеров, лазерных хирургических инструментов, устройств лазерной гравировки, маркировки, обработки и раскройки материалов и других является в настоящее время актуальной.

Известен способ двухкоординатного отклонения поляризованного света, включающий направление исходного луча света на первый анизотропный акустооптический дефлектор, возбуждение в этом дефлекторе акустической волны, распространяющейся под углом Брэгга к падающему лучу, направление дифрагированного луча с выхода первого дефлектора на второй дефлектор и возбуждение во втором дефлекторе акустической волны, распространяющейся в направлении, ортогональном направлению акустической волны в первом дефлекторе, под углом Брэгга к падающему лучу [10].

К недостаткам известного способа можно отнести то, что в данном техническом решении необходимо использовать свет строго определенной поляризации, в то время как в ряде задач необходимо управлять неполяризованным излучением.

Наиболее близким к заявляемому способу по своей технической сути (прототипом) является способ двухкоординатного отклонения оптического излучения, включающий направление излучения на первый анизотропный акустооптический дефлектор, возбуждение в кристалле первого акустооптического дефлектора с помощью пьезопреобразователя акустической волны, распространяющейся под углом Брэгга к этому лучу, направление прошедшего излучения с выхода первого дефлектора одновременно с дифрагированным лучом с выхода первого дефлектора на второй акустооптический дефлектор, направление распространения акустической волны в котором ортогонально направлению акустической волны в первом дефлекторе и выбрано из условия брэгговского синхронизма для обоих падающих на него лучей, и возбуждение в кристалле второго акустооптического дефлектора с помощью пьезопреобразователя акустической волны, оба дифрагированных луча с выхода второго дефлектора направляют на третий акустооптический дефлектор и возбуждают в кристалле третьего акустооптического дефлектора с помощью пьезопреобразователя акустическую волну, распространяющуюся в плоскости падающих лучей под углом Брэгга к тому из них, проекция которого на плоскость дифракции в первом дефлекторе параллельна исходному лучу [11].

К недостаткам известного способа двухкоординатного отклонения оптического излучения можно отнести то, что в данном техническом решении используют три расположенных последовательно друг за другом акустооптических ячейки и настройка такой системы гораздо сложнее устройства, состоящего из двух акустооптических ячеек, расположенных друг за другом. Кроме того, в данном техническом решении не оговорены световые потери или эффективность дифракции акустооптического устройства.

Новым достигаемым техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение эффективности и равномерности обработки поверхности материала за счет обеспечения возможности программированного сканирования по обрабатываемой поверхности материала отдельных лазерных импульсов, контроля уровня энергии в каждом импульсе и повышения эффективности дифракции акустооптического дефлектора.

Новый технический результат достигается тем, что в способе двухкоординатного отклонения оптического излучения, включающем формирование стартового излучения и направление его на первый акустооптический дефлектор, возбуждение в кристалле первого акустооптического дефлектора с помощью пьезопреобразователя акустической волны, направление прошедшего излучения с выхода первого дефлектора на второй акустооптический дефлектор, направление распространения акустической волны в котором ортогонально направлению акустической волны в первом акустооптическом дефлекторе, и возбуждение в кристалле второго акустооптического дефлектора с помощью пьезопреобразователя акустической волны, направление излучения на третий акустооптический дефлектор и возбуждение в кристалле третьего акустооптического дефлектора с помощью пьезопреобразователя акустической волны, в отличие от прототипа, генерацию излучения осуществляют посредством дополнительно введенного высокочастотного лазера, выполненного на парах меди с возможностью генерации одновременно на двух длинах волн, в качестве акустооптических дефлекторов используют четыре парных акустооптических дефлектора по два на каждый канал лазерного излучения с соответствующей длиной волны высокочастотного лазера, осуществляют настройку высокочастотного лазера и дополнительно введенного измерителя энергии лазерного излучения посредством дополнительно введенного блока управления, для чего задают программу обработки материала посредством формирования матрицы параметров в виде таблицы, заполняемой данными с измерителя энергии, посредством блока управления осуществляют формирование стартового лазерного излучения в виде синхроимпульса высокочастотного лазера и переход измерителя энергии лазерного излучения в ждущий режим, осуществляют посредством блока управления наладку дополнительно введенного высокочастотного генератора на начало формирования акустических волн, осуществляют направление каждого канала лазерного излучения с одной длиной волны излучения по координатам X, У, осуществляют посредством блока управления формирование акустических волн дополнительно введенным высокочастотным генератором при подаче на пьезопреобразователь высокочастотных сигналов, осуществляют разделение лазерного излучения на соответствующей длине волны посредством дополнительно введенной поляризационной пластины на горизонтально поляризованное и вертикально поляризованное с возможностью попадания вертикально поляризованного излучения в зависимости от длины волны на первый или второй акустооптические дефлекторы, а горизонтально поляризованного излучения - на повернутый на 90° относительно другого в зависимости от длины волны первый или второй акустооптический дефлектор, измеряют интенсивность введенного в соответствующий акустооптический дефлектор излучения в отклоненном посредством дифракционной решетки соответствующего акустооптического дефлектора заданном положении, направляют лазерное излучение после соответствующих акустооптических дефлекторов с вертикальной поляризацией и горизонтальной поляризацией на дополнительно введенную вторую поляризационную пластину с обеспечением возможности сложения после второй поляризационной пластины лазерного излучения горизонтальной и вертикальной поляризации таким образом, чтобы каждое управляемое положение от каждого двухкоординатного дефлектора совпадало по направлению, была учтена разность хода для двух каналов лазерного излучения с разными длинами волн и, в итоге, давала одно лазерное излучение с суммарным излучением от каждого акустооптического двухкоординатного дефлектора, направляют после второй поляризационной пластины часть лазерного излучения на измеритель энергии лазерного излучения, другой частью лазерного излучения обрабатывают поверхность металлического изделия, осуществляют поступление данных с измерителя энергии лазерного излучения в блок управления, после чего на первый и второй акустооптические дефлекторы осуществляют поступление следующих импульсов лазерного излучения для обработки покрытой слоем жидкости поверхности материала, измеряют поимпульсно энергию в импульсе сформированного лазерного излучения для каждого углового положения после прохождения через систему двухкоординатных акустооптических дефлекторов и контролируют разницу между максимальным и минимальным значениями не более чем 5% от амплитуды максимального высокочастотного сигнала.

Все акустооптические дефлекторы могут выполнять с возможностью проверки их настройки в режиме работы акустооптических дефлекторов в качестве затворов при отсутствии подачи на них высокочастотных сигналов.

Требуемый размер лазерного пятна в зоне обрабатываемого участка поверхности материала могут обеспечивать смещением обрабатываемого материала на определенное расстояние от фокальной плоскости.

При наладке высокочастотного генератора могут осуществлять выравнивание зависимости эффективности дифракции в рабочей полосе частот высокочастотного генератора и запоминание данной настойки в блоке управления.

Для заполнения акустической волной всего кристалла соответствующего акустооптического дефлектора могут осуществлять сканирование лазерным пучком путем программного управления частотой высокочастотного генератора и подбора частоты генерации высокочастотного лазера.

Блок управления могут выполнить в виде программы, задающей алгоритм управления частотой генерации и амплитудой выходных высокочастотных сигналов, установленной на персональном компьютере.

Высокочастотный лазер на парах меди могут выполнить с возможностью генерации излучения с частотой повторения до 50 кГц.

Обрабатываемый материал могут выполнить в виде металлического изделия.

Слой жидкости могут выполнить в виде слоя проточной жидкости.

В качестве жидкости могут использовать деионизованную воду.

Кристаллы акустооптических дефлекторов могут выполнять из акустооптического материала парателлурита ТеО₂.

Обработку поверхности материала могут осуществлять по произвольному алгоритму от одной точки к другой без прохождения промежуточных точек внутри рабочей зоны системы с использованием плотного заполнения, при котором обрабатывается весь выбранный участок поверхности материала с шагом между соседними положениями не более 0,7 радиуса лазерного пятна на обрабатываемой поверхности материала.

Способ двухкоординатного отклонения оптического излучения реализуют следующим образом.

Поскольку частота повторения высокочастотного лазера 1 на парах меди слишком велика для режима лазерной ударной обработки материала, например, металлических изделий 2, подверженных в процессе эксплуатации многоцикловой нагрузке, в жидкости 3 с использованием высокочастотного лазера 1 на парах меди в предлагаемом техническом решении рассмотрен режим перемещения лазерного пучка по обрабатываемой поверхности металлических изделий 2 с помощью быстродействующих акустооптических систем. Их использование позволяет применить программированное сканирование по поверхности металлического изделия 2 отдельных импульсов (или, при необходимости, пакетов импульсов) высокочастотного лазера 1 на парах меди в процессе обработки поверхности металлического изделия 2.

Блок 4 управления (персональный компьютер) осуществляет все настройки и задает алгоритм управления, в частности, задает программу обработки материала 2, осуществляет настройку высокочастотного лазера 1 и измерителя энергии 5 и посредством установленного в блоке управления 4 средства синхронизации 6 формирует стартовый синхроимпульс на начало излучения высокочастотного лазера 1 и перехода в ждущий режим измерителя энергии 5 лазерного излучения и на начало формирования акустических волн в электронном драйвере 7. После чего управляющий сигнал от блока управления 4 поступает на управляющий электронный драйвер 7 о начале работы, при этом с выходов высокочастотного генератора 8, который является частью электронного драйвера 7, с каскадом усиления поступают высокочастотные сигналы на электроды 9 акустооптических ячеек 10, установленных в акустооптические дефлекторах 11, 12, и от средства синхронизации 6 подают синхросигналы на высокочастотный лазер 1 и измеритель энергии 5. При формировании программы формируется матрица параметров в виде таблицы, которая заполняется данными с измерителя энергии 5 и контролируется разница между максимальным и минимальным значением не более чем 5% от амплитуды максимального сигнала. После первого импульса лазерного излучения данные с измерителя энергии 5 лазерного излучения поступают в блок управления 4, на электроды 9 акустооптических ячеек 10 поступают следующие сигналы и формируется второе положение, происходит следующий импульс лазерного излучения.

Излучение с высокочастотного лазера 1 на парах меди, генерирующего одновременно на двух длинах волн, попадает на дихроичное зеркало 13 для формирования двух лазерных пучков со своей длиной волны каждый.

Каждый канал лазерного излучения с одной длиной волны попадает на систему управления мощностью пучка и направлением распространения излучения по координатам X, У, при этом излучение попадает на поляризационную пластину 14, которая разделяет лазерное излучение на данной длине волны на горизонтально поляризованное и вертикально поляризованное. Вертикально поляризованное излучение попадает на двухкоординатный акустооптический дефлектор 11 или 12 в зависимости от длины волны, горизонтально поляризованное излучение попадает на оптическое поворотное зеркало 15 и потом на повернутый на 90° акустооптический дефлектор 11 (или 12 в зависимости от длины волны). Лазерное излучение попадает на сформированную в соответствующей акустооптической ячейке 10 дифракционную решетку и отклоняется в заданное положение 16. Измеряют интенсивность введенного в акустооптический дефлектор 11,12 излучения в отклоненном положении 16.

После каждой акустооптической ячейки 10 поляризация лазерного излучения изменяется, например, для двухкоординатного акустооптического дефлектора 11 с вертикальной поляризацией на входе вертикальная поляризация после первой ячейки 10 изменяется на горизонтальную поляризацию, после второй ячейки 10 меняется снова на вертикальную поляризацию. После акустооптического дефлектора 11 с вертикальной поляризацией лазерное излучение попадает на оптическое поворотное зеркало 17 и его направляют на поляризационную пластину 18. Лазерное излучение горизонтального канала поляризации попадает в двухкоординатный акустооптический дефлектор 12 и, затем, - на поляризационную пластину 18. На поляризационной пластине 18 лазерное излучение горизонтальной и вертикальной поляризации складывается. Алгоритм работы двухкоординатных дефлекторов 11, 12 горизонтальной и вертикальной поляризации должен быть так подобран, чтобы при сложении каждое управляемое положение от каждого двухкоординатного дефлектора 11, 12 совпадало по направлению, была учтена разность хода для двух каналов лазерного излучения с разными длинами волн и, в итоге, давала одно лазерное излучение с суммарным излучением от каждого акустооптического двухкоординатного дефлектора.

Для учета разности хода для двух каналов с разными длинами волн предусмотрены оптические поворотные зеркала 15 и 17. Затем два канала складываются на дихроичном зеркале 19. Меньшая часть излучения попадает на объектив 20 и, затем, - на измеритель энергии 5. Измеритель энергии 5 настраивается особым образом с поправочными коэффициентами и поимпульсно измеряет энергию в импульсе сформированного лазерного излучения для каждого положения. Также, при необходимости, акустооптические дефлекторы 11, 12 могут выступать в качестве затворов, если не подавать высокочастотные сигналы на электроды 9 акустооптических ячеек 10. Таким образом при необходимости можно проверить настройки каждого из четырех акустооптических дефлекторов 11, 12.

Основная часть лазерного излучения после дихроичного зеркала 19 попадает на объектив 21 и через оптическое поворотное зеркало 22 попадет на поверхность обрабатываемого металлического изделия 2, находящегося в заполненной жидкостью 3, например, деионизованной водой, емкости 23, которая, в свою очередь, расположена на моторизованном четырехкоординатном столике 24 для обеспечения режима сканирования лазерным пучком высокочастотного лазера 1 на парах меди по поверхности обрабатываемого металлического изделия 2. Требуемый размер лазерного пятна в зоне обрабатываемого участка поверхности металлического изделия 2 получают смещением обрабатываемого металлического изделия 2 на определенное расстояние от фокальной плоскости. Уровень слоя жидкости над поверхностью обрабатываемого металлического изделия 2 контролируют с помощью шкалы, нанесенной на стенки емкости 23.

Для пространственного сканирования (координаты X и Y) в акустооптических дефлекторах 11, 12 последовательно размещены две ортогональные (перпендикулярные относительно друг друга) акустооптические ячейки 10. Каждая акустооптическая ячейка 10 состоит из акустооптического материала с просветленными оптическими гранями, пьезопреобразователя 25 для возбуждения акустической волны и звукопоглотителя 26.

Акустическая волна, формирующая дифракционную решетку, с которой взаимодействует падающее лазерное излучение высокочастотного лазера 1 на парах меди, создается в акустооптическом материале (акустооптическом кристалле, который является светопроводящим и звукопроводящим), пьезопреобразователем 25, соединенным с акустооптической средой по специальной технологии. На противоположной стороне акустооптического материала напыляется звукопоглотитель 26 для поглощения акустической волны. Возбуждение акустических волн происходит при подаче на электроды пьезопреобразователя 25 высокочастотных сигналов от управляющего электронного драйвера 7, содержащего высокочастотный генератор 8 и усилитель 27 мощности высокочастотных сигналов. Сканирование лазерным пучком осуществляют путем программного управления частотой высокочастотного генератора 8 управляющего электронного драйвера 7 и подбора частоты генерации высокочастотного лазера 1, позволяющей выполнить условие заполнения акустической волны всего акустооптического материала. Высокочастотный генератор 8 управляющего электронного драйвера 7 имеет также канал программного управления амплитудой выходных сигналов для выравнивания зависимости эффективности дифракции в рабочей полосе частот, данная настройка делается при наладке, запоминается в память управляющего электронного драйвера 7 и используется при работе.

Работа с лазерным излучением двух длин волн требует использования двух комплектов акустооптических дефлекторов 11, 12 при условии поляризованного излучения.

При условии сканирования лазерным излучением 3×3 угловых градуса акустооптическими дефлекторами 11, 12 при фокусировании оптической системой 1 м обрабатываемая зона металлического изделия 2 составит не менее 50×50 мм². В оптических схемах с применением акустооптических дефлекторов 11, 12 фокусирующие оптические системы устанавливают после акустооптических дефлекторов 11, 12. Использование быстродействующих акустооптических систем позволяет реализовать программированное сканирование по обрабатываемой поверхности металлического изделия 2 отдельных лазерных импульсов (или, в случае необходимости, пакетов импульсов) высокочастотного лазера 1 на парах меди в процессе обработки поверхности металлического изделия 2.

В качестве акустооптического кристалла может быть использован акустооптический материал, например, парателурит (ТеО₂).

На фиг. 1: Х₁ и Y₁ - выходы на подачу частоты на ячейку по координате X и частоты на ячейку по координате Y, на акустооптический дефлектор 11 по горизонтальному типу поляризации; Х₂ и Y₂ - выходы на подачу частоты на ячейку по координате X и координате Y на акустооптический дефлектор 11 по вертикальной поляризации; Х₃ и Y₃ - выходы на подачу частоты на ячейку по координате X и частоты на ячейку по координате Y, на акустооптический дефлектор 12 по горизонтальному типу поляризации; Х₄ и Y₄ - выходы на подачу частоты на ячейку по координате X и координате Y на акустооптический дефлектор 12 по вертикальному типу поляризации.

На фиг. 2: λ - это две длины волны; λ₁ - это, например, длина волны 510,6 нм (зеленое излучение); λ₂ - это, например, длина волны 578,2 нм (желтое излучение) (данные длины волн генерирует высокочастотный лазер 1 на парах меди, марки: лазер ЛМП-50 фирмы ООО «Квантрон-Медиа»).

Схематически принцип работы двухкоординатных акустооптических дефлекторов 11, 12 представлен на фиг. 3.

Значками на фиг. 4 показан тип поляризации: при прохождении через акустооптическую ячейку 10 анизотропного акустооптического дефлектора 11, 12 поляризация меняется (например, с горизонтальной на вертикальную) и при прохождении второй акустооптической ячейки 10 возвращается (меняется с вертикальной на горизонтальную).

На фиг. 5 приведен принцип работы акустооптической ячейки 10.

На основании вышеизложенного новый достигаемый технический результат предлагаемого изобретения обеспечивается следующими по сравнению с прототипом техническими преимуществами.

1. Предлагаемый способ двухкоординатного отклонения оптического излучения обеспечивает возможность программированного сканирования по обрабатываемой поверхности материала 2 отдельных лазерных импульсов, что позволяет повысить эффективность обработки поверхности материала 2 не менее чем на 50%.

2. Предлагаемый способ двухкоординатного отклонения оптического излучения позволяет получать эффективность (отношение интенсивности отклоненного управляемого лазерного излучения в первом порядке к общей интенсивности введенного в акустооптические дефлекторы 11, 12 лазерного излучения) дифракции акустооптических дефлекторов 11, 12 до 70% в сравнении с 30% при применении материала по прототипу за счет использования акустооптического качества кристалла на основе парателлурита.

3. Предлагаемый способ двухкоординатного отклонения оптического излучения позволяет производить равномерную обработку поверхности материала 2 за счет контроля уровня энергии в каждом импульсе.

В настоящее время в Институте электрофизики и электроэнергетики РАН проведены испытания предлагаемого способа двухкоординатного отклонения оптического излучения, и на их основе выпущены технологическая инструкция на данный способ и конструкторская документация на устройство, обеспечивающее реализацию данного способа.

Используемые источники

1. Котов В.М. Акустооптика. Брэгговская дифракция многоцветного излучения. М: Янус-К. 2016. 285 с.

2. Гуляев Ю.В., Казарян М.А., Мокрушин Ю.М., Шакин О.В., Салецкая О.В. Акустооптические лазерные системы формирования телевизионных изображений. М.: ФИЗМАТЛИТ. 2016. 240 с.

3. Григорьянц А.Г., Казарян М.А., Лябин Н.А. Лазеры на парах меди: конструкция, характеристики и применения. М.: Физматлит.2005. 312 с.

4. Иванов Е.В., Малашин М.В., Мошкунов С.И., Хомич В.Ю. Лазер на парах меди с полностью твердотельной системой накачки. Сборник трудов симпозиума «Лазеры на парах металлов». 2008. С. 42.

5. Патент RU 2644985, 2018, МПК H01S 3/227.

6. Simakin A.V., Voronov V.V., Shafeev G.A., Brayner R., Bozon-Verduraz F. Nanodisks of Au and Ag produced by laser ablation in liquid environment. Chem. Phys. Lett. 2001. V. 348. P. 182.

7. Бозон-Вердюра Ф., Брайнер P., Воронов В.В., Кириченко Н.А., Симакин А.В., Шафеев Г.А. Образование наночастиц при лазерной абляции металлов в жидкостях // Квантовая электроника. 2003. 33 (8). 714.

8. Anikin K.V., Melnik N.N., Simakin A.V., Shafeev G.A., Vitukhnovsky A.G. Formation of ZnSe and CdS quantum dots via laser ablation in liquids. Chem. Phys. Lett., 2002, 366, 357.

9. Kuzmin P.G., Shafeev G.A. Influence of intensity distribution of laser beam on the properties of nanoparticles obtained by laser ablation of solids in liquids. J. Optoelectron. Adv. Mater., 2010, 12 (3), 491.

10. Патент Великобритании 1466542, 1977, МКИ G2F.

11. Патент RU 2355007, 2009, МКИ G02F 1/33.

Использование: изобретение относится к акустооптике и лазерной технике, а именно к технике взаимодействия импульсного лазерного излучения с веществом, в частности к способам управления акустооптическими устройствами, предназначенными для управления направлением распространения и амплитудой оптических пучков с возможностью разделения длины волн, их мощностью, и может найти применение для отклонения оптического излучения в разных приборах и устройствах, использующих лазеры, например, в лазерных локаторах, дальномерах, в лазерных хирургических инструментах, в устройствах лазерной гравировки, маркировки, обработки и раскройки материалов и др. Технический результат: повышение эффективности и равномерности обработки поверхности материала за счет обеспечения возможности программированного сканирования по обрабатываемой поверхности материала отдельных лазерных импульсов, контроля уровня энергии в каждом импульсе и повышения эффективности дифракции акустооптического дефлектора. Сущность: в способе двухкоординатного отклонения оптического излучения генерацию излучения осуществляют посредством дополнительно введенного высокочастотного лазера, выполненного на парах меди с возможностью генерации одновременно на двух длинах волн, используют четыре парных акустооптических дефлектора, по два на каждый канал лазерного излучения с соответствующей длиной волны высокочастотного лазера, осуществляют настройку высокочастотного лазера и дополнительно введенного измерителя энергии лазерного излучения посредством дополнительно введенного блока управления, для чего задают программу обработки материала посредством формирования матрицы параметров в виде таблицы, заполняемой данными с измерителя энергии, посредством блока управления осуществляют формирование стартового лазерного излучения в виде синхроимпульса высокочастотного лазера и переход измерителя энергии лазерного излучения в ждущий режим, осуществляют посредством блока управления наладку дополнительно введенного высокочастотного генератора на начало формирования акустических волн, осуществляют направление каждого канала лазерного излучения с одной длиной волны излучения по координатам X, У, осуществляют посредством блока управления формирование акустических волн дополнительно введенным высокочастотным генератором при подаче на пьезопреобразователь высокочастотных сигналов, осуществляют разделение лазерного излучения на соответствующей длине волны посредством дополнительно введенной поляризационной пластины на горизонтально поляризованное и вертикально поляризованное с возможностью попадания вертикально поляризованного излучения в зависимости от длины волны на первый или второй акустооптические дефлекторы, а горизонтально поляризованного излучения - на повернутый на 90° относительно другого в зависимости от длины волны первый или второй акустооптический дефлектор, измеряют интенсивность введенного в соответствующий акустооптический дефлектор излучения в отклоненном посредством дифракционной решетки соответствующего акустооптического дефлектора заданном положении, направляют лазерное излучение после соответствующих акустооптических дефлекторов с вертикальной поляризацией и горизонтальной поляризацией на дополнительно введенную вторую поляризационную пластину с обеспечением возможности сложения после второй поляризационной пластины лазерного излучения горизонтальной и вертикальной поляризации таким образом, чтобы каждое управляемое положение от каждого двухкоординатного дефлектора совпадало по направлению, была учтена разность хода для двух каналов лазерного излучения с разными длинами волн и в итоге давала одно лазерное излучение с суммарным излучением от каждого акустооптического двухкоординатного дефлектора, направляют после второй поляризационной пластины часть лазерного излучения на измеритель энергии лазерного излучения, другой частью лазерного излучения обрабатывают поверхность металлического изделия, осуществляют поступление данных с измерителя энергии лазерного излучения в блок управления, после чего на первый и второй акустооптические дефлекторы осуществляют поступление следующих импульсов лазерного излучения для обработки покрытой слоем жидкости поверхности материала, измеряют поимпульсно энергию в импульсе сформированного лазерного излучения для каждого углового положения после прохождения через систему двухкоординатных акустооптических дефлекторов и контролируют разницу между максимальным и минимальным значениями не более чем 5% от амплитуды максимального высокочастотного сигнала. 11 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ двухкоординатного отклонения оптического излучения, включающий формирование стартового излучения и направление его на первый акустооптический дефлектор, возбуждение в кристалле первого акустооптического дефлектора с помощью пьезопреобразователя акустической волны, направление прошедшего излучения с выхода первого дефлектора на второй акустооптический дефлектор, направление распространения акустической волны, в котором ортогонально направлению акустической волны в первом акустооптическом дефлекторе, и возбуждение в кристалле второго акустооптического дефлектора с помощью пьезопреобразователя акустической волны, направление излучения на третий акустооптический дефлектор и возбуждение в кристалле третьего акустооптического дефлектора с помощью пьезопреобразователя акустической волны, отличающийся тем, что генерацию излучения осуществляют посредством дополнительно введенного высокочастотного лазера, выполненного на парах меди с возможностью генерации одновременно на двух длинах волн, в качестве акустооптических дефлекторов используют четыре парных акустооптических дефлектора, по два на каждый канал лазерного излучения с соответствующей длиной волны высокочастотного лазера, осуществляют настройку высокочастотного лазера и дополнительно введенного измерителя энергии лазерного излучения посредством дополнительно введенного блока управления, для чего задают программу обработки материала посредством формирования матрицы параметров в виде таблицы, заполняемой данными с измерителя энергии, посредством блока управления осуществляют формирование стартового лазерного излучения в виде синхроимпульса высокочастотного лазера и переход измерителя энергии лазерного излучения в ждущий режим, осуществляют посредством блока управления наладку дополнительно введенного высокочастотного генератора на начало формирования акустических волн, осуществляют направление каждого канала лазерного излучения с одной длиной волны излучения по координатам X, У, осуществляют посредством блока управления формирование акустических волн дополнительно введенным высокочастотным генератором при подаче на пьезопреобразователь высокочастотных сигналов, осуществляют разделение лазерного излучения на соответствующей длине волны посредством дополнительно введенной поляризационной пластины на горизонтально поляризованное и вертикально поляризованное с возможностью попадания вертикально поляризованного излучения в зависимости от длины волны на первый или второй акустооптические дефлекторы, а горизонтально поляризованного излучения - на повернутый на 90° относительно другого в зависимости от длины волны первый или второй акустооптический дефлектор, измеряют интенсивность введенного в соответствующий акустооптический дефлектор излучения в отклоненном посредством дифракционной решетки соответствующего акустооптического дефлектора заданном положении, направляют лазерное излучение после соответствующих акустооптических дефлекторов с вертикальной поляризацией и горизонтальной поляризацией на дополнительно введенную вторую поляризационную пластину с обеспечением возможности сложения после второй поляризационной пластины лазерного излучения горизонтальной и вертикальной поляризации таким образом, чтобы каждое управляемое положение от каждого двухкоординатного дефлектора совпадало по направлению, была учтена разность хода для двух каналов лазерного излучения с разными длинами волн и в итоге давала одно лазерное излучение с суммарным излучением от каждого акустооптического двухкоординатного дефлектора, направляют после второй поляризационной пластины часть лазерного излучения на измеритель энергии лазерного излучения, другой частью лазерного излучения обрабатывают поверхность металлического изделия, осуществляют поступление данных с измерителя энергии лазерного излучения в блок управления, после чего на первый и второй акустооптические дефлекторы осуществляют поступление следующих импульсов лазерного излучения для обработки покрытой слоем жидкости поверхности материала, измеряют поимпульсно энергию в импульсе сформированного лазерного излучения для каждого углового положения после прохождения через систему двухкоординатных акустооптических дефлекторов и контролируют разницу между максимальным и минимальным значениями не более чем 5% от амплитуды максимального высокочастотного сигнала.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что все акустооптические дефлекторы выполняют с возможностью проверки их настройки в режиме работы акустооптических дефлекторов в качестве затворов при отсутствии подачи на них высокочастотных сигналов.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что требуемый размер лазерного пятна в зоне обрабатываемого участка поверхности материала могут обеспечивать смещением обрабатываемого материала на определенное расстояние от фокальной плоскости.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при наладке высокочастотного генератора осуществляют выравнивание зависимости эффективности дифракции в рабочей полосе частот высокочастотного генератора и запоминание данной настройки в блоке управления.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для заполнения акустической волной всего кристалла соответствующего акустооптического дефлектора осуществляют сканирование лазерным пучком путем программного управления частотой высокочастотного генератора и подбора частоты генерации высокочастотного лазера.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что блок управления выполняют в виде программы, задающей алгоритм управления частотой генерации и амплитудой выходных высокочастотных сигналов, установленной на персональном компьютере.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что высокочастотный лазер на парах меди выполняют с возможностью генерации излучения с частотой повторения до 50 кГц.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что обрабатываемый материал выполняют в виде металлического изделия.

9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что слой жидкости выполняют в виде слоя проточной жидкости.

10. Способ по пп. 1 и 9, отличающийся тем, что в качестве жидкости используют деионизованную воду.

11. Способ по п. 1, отличающийся тем, что кристаллы акустооптических дефлекторов выполняют из акустооптического материала парателлурита ТеО₂.

12. Способ по пп. 1, 3 и 8, отличающийся тем, что обработку поверхности материала осуществляют по произвольному алгоритму от одной точки к другой без прохождения промежуточных точек внутри рабочей зоны системы с использованием плотного заполнения, при котором обрабатывается весь выбранный участок поверхности материала с шагом между соседними положениями не более 0,7 радиуса лазерного пятна на обрабатываемой поверхности материала.