Устройство для обработки материалов Российский патент 2024 года по МПК G02F1/33 

Предлагаемое изобретение относится к акустооптике и лазерной технике, в частности, к технике взаимодействия импульсного лазерного излучения с веществом, и может быть использовано при разработке акустооптических устройств, предназначенных для управления направлением распространения и амплитудой оптических пучков с возможностью разделения длины волн, их мощностью, и находят применение в разных приборах и устройствах, использующих лазеры, например, при коммутации каналов в оптических системах связи, при лазерной обработке материалов и т.д. 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 3⁰×3⁰, 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. 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.

Известен двухкоординатный сканер для когерентного излучения ультрафиолетового диапазона, содержащий коллиматор, установленный по оси лазерного пучка, два идентичных кристалла из материала, прозрачного для УФ излучения, последовательно установленных по ходу лазерного пучка, при этом второй кристалл повернут относительно первого вокруг оси пучка, средство преобразования электрических колебаний в ультразвуковые внутри кристалла, расположенное на одной из граней каждого кристалла и соединенное с гранью своего кристалла так. что акустическая волна распространяется внутри каждого кристалла под углом Брэгга к направлению распространения пучка, поглотитель ультразвуковых колебаний, расположенный на грани каждого кристалла, противоположной грани, содержащей указанное средство преобразования электрических колебаний в ультразвуковые, блок управления работой каждого из указанных средств преобразования электрических колебаний в ультразвуковые, при этом выходы блока управления работой каждого из средств преобразования соединены с входами последних, выходной объектив, установленный по ходу лазерного пучка после второго кристалла, отличающийся тем, что кристаллы выполнены из материала: КН₂РO₄ - дигидрофосфат калия (КДП), или KD₂PO₄ - дейтерированный дигидрофосфат калия (ДКДП), или NH₄H₂PO₄ - дигидрофосфат аммония, или RbH₂PO₄ - дигидрофосфат рубидия, первый кристалл установлен своей передней гранью перпендикулярно к оси лазерного пучка, вектор поляризации которого перпендикулярен оси [001] кристалла, а грань кристалла, на которой установлено указанное средство преобразования электрических колебаний в ультразвуковые, изготовлена под углом y₁ к передней грани, под углом y₂ к выходной грани и под углом y₃ к оси [001] кристалла, причем углы y₁, y₂, y₃ выбираются соответственно из следующих диапазонов: 90-92°, 90-92°, 1,5-3,5°, при этом второй по ходу пучка кристалл повернут на 90о вокруг своей оси [001] так, что взаимное расположение второго кристалла и пучка, дифрагированного в первый порядок после прохождения им первого кристалла, идентично расположению пучка и первого кристалла на входе, а указанное средство преобразования электрических колебаний в ультразвуковые на одной из граней каждого кристалла выполнено в виде отдельных пластин из кристалла ниобата лития (LiNbO₃), с толщиной 26-30 мкм, обеспечивающей создание в кристалле ультразвукового поля при подаче на вход средства преобразования сигнала с частотой, расположенной в диапазоне 55-105 МГц, а пластины присоединены к поверхности одной из граней каждого кристалла и электрически соединены между собой последовательно, блок управления работой каждого из средств преобразования электрических колебаний в ультразвуковые снабжен дополнительным входом для сигнала внешней синхронизации с работой лазера [10].

Недостатком данного технического решения является то, что угол сканирования по описанной в схеме по известному техническому решению составляет 0,4⁰ (7 мрад) и суммарной эффективностью выше 60%. Акустооптические дефлекторы на основе материла из ряда: КН₂РО₄, KD₂PO₄, NH₄H₂PO₄, RbH₂PO₄, являются перспективными по сравнению с предлагаемым в новом по сравнении с данным известным техническом решении -парателлуритом, для работы только в УФ диапазоне.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению (прототипом) является устройство для обработки материалов посредством управления оптическим пучком, содержащее двухкоординатное устройство для управления мощностью оптического пучка, длиной волны излучения и направлением распространения по координатам X, Y, два последовательно установленных акустооптических дефлектора, каждый из которых содержит светозвукопровод из кристалла двуокиси теллура (ТеO₂), имеющего форму шестигранника, на противоположных первой и второй боковых гранях которого размещены соответственно пьезопреобразователь из ниобата лития (LiNbO₃), имеющий форму шестигранника, и корпус с токопроводами, подключенными к генераторам высокочастотного сигнала или генератору с перестраиваемой частотой высокочастотного сигнала, при этом пьезопреобразователь соединен своей первой гранью с первой гранью кристалла через общий электрод, а на второй грани пьезопреобразователя, противоположной первой грани, нанесено не менее двух электродов, которые соединены с токопроводами, которые не связаны друг с другом, при этом входная грань кристалла наклонена к оси падающего оптического пучка так. что перпендикуляр к ее поверхности образует угол φ с осью оптического пучка, причем первая грань кристалла образует с входной гранью кристалла угол β₁, а с выходной гранью угол β₂ и расположена под углом β₃ к оси [001] кристалла, указанные углы выбираются из следующих диапазонов 9,3°≤φ≤10,5°. 95,5°≤β₁≤96,5°, 85°≤β₂≤93,5°, 5,5°≤β₃≤7°, причем вторая грань пьезопреобразователя наклонена в сторону входной грани кристалла так. что размеры ребер h и H пьезопреобразователя соответственно у входной и выходной граней кристалла выбираются из следующих диапазонов 15 мкм≤h≤18 мкм, 32 мкм≤H≤36 мкм, электроды вытянуты в направлении, перпендикулярном оси оптического пучка, и имеют ширину вдоль оси оптического пучка, при которой высота пьезопреобразователя под электродом изменяется в диапазоне 3-5 мкм, а расстояние между электродами выбрано так, что высоты пьезопреобразователя под двумя соседними электродами отличаются не менее чем вдвое, установленные перед первым дефлектором последовательно расположенные многоволновый источник непрерывного или импульсного оптического излучения и акустооптический фильтр, при этом второй дефлектор повернут на угол 90° относительно первого дефлектора вокруг оси оптического пучка, для пьезопреобразователей первого и второго дефлектора используется один генератор с перестраиваемой частотой высокочастотного сигнала в диапазоне (55-180) МГц, выход которого подключен к токопроводам через фильтры, не пропускающие сигнал с выхода генератора на входы первых электродов дефлекторов в полосе (55-91) МГц, а на входы вторых электродов дефлекторов - в полосе (93-180) МГц, в каждом акустооптическом дефлекторе минимальная h равна 15 мкм, максимальная H равна 33 мкм, а на наклонной второй грани пьезопреобразователя нанесены два электрода, причем первый электрод, расположенный ближе к входной грани кристалла, имеет ширину 1,5 мм, а второй - 2 мм при длине обоих электродов 8 мм и расстоянии между ними 3,5 мм, первый электрод подключен к выходу генератора с частотой сигнала, находящейся в диапазоне (92-180) МГц, а второй (55-92) МГц, причем каждый генератор имеет вход для внешнего управляющего сигнала, первый дефлектор является дефлектором по координате X, второй дефлектор является дефлектором по координате Y, а источник оптического излучения имеет дополнительный вход для управляющего сигнала, который подключен к блоку управления, содержащему пять несвязанных друг с другом генераторов высокочастотных колебаний, при этом выходы генераторов соединены с соответствующими входами пьезопреобразователей, а каждый из высокочастотных генераторов имеет вход для управляющего сигнала, который подключен к соответствующему выходу средства синхронизации, установленному в блоке управления, акустооптический фильтр содержит светозвукопровод из кристалла двуокиси теллура (ТеO₂), звукопоглотитель установлен на второй грани кристалла, противоположной первой, а на наружной поверхности пьезопреобразователя нанесено не менее одного электрода, которые подключены к генератору высокочастотных колебаний с частотой из диапазона: (9-190) МГц, при этом пьезопреобразователь имеет форму прямоугольного параллелепипеда с высотой h≤15 мкм, причем первая грань кристалла образует с входной гранью кристалла угол β₄, а с выходной - гранью угол β₅ и расположена под углом β₆ к оси [001] кристалла, указанные углы выбираются из следующих диапазонов: 80,5°≤β₄≤82°, 105°≤β₅≤106°, 7,8°≤β₆≤8,1° [11].

Недостатком данного технического решения является то, что акустооптический дефлектор по известному техническому решению является полихроматическим, предназначенным для управления лазерным излучением в широком диапазоне длин волн -от 0,4 до 0,7 мкм, а для оптимальной работы двухкоординатный акустооптический дефлектор должен быть рассчитан на одну длину волны и падающее на акустооптический дефлектор лазерное излучение должно быть линейно поляризованным. В известном техническом решении также не предоставлены данные по эффективности дифракции при применении полихроматического акустооптического дефлектора и устройства на его основе.

Новым достигаемым техническим результатом предполагаемого 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 устройстве для обработки материалов посредством управления оптическим пучком, содержащем двухкоординатное устройство для управления мощностью пучка и длиной волны излучения и направлением распространения излучения по координатам X, Y, последовательно установленные по координатам X и Y первый и второй акустооптические дефлекторы, пьезопреобразователи. соединенные своей первой гранью с первой гранью светопровода в виде кристалла соответствующего акустооптического дефлектора через общий электрод, а на второй грани пьезопреобразователя, противоположной первой грани, нанесен электрод, соединенный посредством изолированных друг от друга токопроводов с многоканальным высокочастотным генератором, имеющим выходы, соединенные с соответствующими входами пьезопреобразователей, и вход для внешнего управляющего сигнала, подключенный к соответствующему выходу средства синхронизации, установленному в блоке управления, установленный последовательно перед первым акустооптическим дефлектором многоволновый источник импульсного излучения, имеющий вход для управляющего сигнала от блока управления, и светопровода в виде кристалла акустооптического дефлектора, на второй грани которого, противоположной первой, размещен звукопоглотитель, в отличие от прототипа, в устройство для обработки материалов дополнительно введены емкость для жидкости, моторизованный четырехкоординатный столик, формирующая оптическая система, содержащая последовательно установленные дополнительно введенная телескопическая система, дихроичное зеркало и оптическое поворотное зеркало, и измерительная система, содержащая две поляризационные пластины и измеритель энергии, в двухкоординатное устройство дополнительно введен управляющий электронный драйвер, содержащий синтезатор частоты с каналом программного управления амплитудой выходных сигналов для выравнивания зависимости эффективности дифракции в рабочей полосе частот, и усилитель мощности высокочастотных сигналов, для каждого акустооптического дефлектора, при этом выход управляющего электронного драйвера электрически связан через соответствующие электроды со входами соответствующих преобразователей, источник импульсного излучения выполнен в виде высокочастотного лазера на парах меди, генерирующего одновременно на двух длинах волн, линейно неполяризованное лазерное излучение соответствующей длины волны которого оптически соединено со входом соответствующей измерительной системы, выход которой оптически соединен с входом зоны пространственного разделения импульсов, сформированной последовательно установленными телескопической системой и соответствующим акустооптическим дефлектором, выход зоны пространственного разделения оптически соединен с входом формирующей оптической системы, выход которой оптически соединен с обрабатываемой поверхностью материала, размещенного в заполненной жидкостью емкости, установленной на моторизованном четырехкоординатном столике, в акустооптических дефлекторах последовательно размещены две ортогональные относительно оси пучка излучения акустооптические ячейки, каждая из которых выполнена в виде светопровода из акустооптического материала с просветленными оптическими гранями, пьезопреобразователя и звукопоглотителя.

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

Высокочастотный лазер на парах меди может быть выполнен с возможностью генерации излучения с частотой повторения до 50 кГц.

Обрабатываемый материал может быть выполнен в виде металлического изделия.

Слой жидкости может быть выполнен как слой проточной жидкости.

Заполненная жидкостью емкость может быть выполнена со шкалой, нанесенной на стенки емкости, для контроля уровня слоя жидкости над поверхностью обрабатываемого материала.

В качестве жидкости может быть использована деионизованная вода.

Светопроводы могут быть выполнены из акустооптического материала парателлурита ТеO₂.

Формирующая оптическая система может быть выполнена с возможностью обработки поверхности материала по произвольному алгоритму от одной точки к другой без прохождения промежуточных точек внутри рабочей зоны формирующей оптической 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.

Формирующая оптическая система может быть выполнена с возможностью проведения поимпульсного контроля в процессе обработки поверхности материала.

На фиг. 1-5 представлены принципиальные схемы устройства для обработки материалов.

Устройство для обработки материалов посредством управления оптическим пучком содержит двухкоординатное устройство для управления мощностью пучка и длиной волны излучения и направлением распространения излучения по координатам X, Y, включающий управляющий электронный драйвер 1, содержащий многоканальный высокочастотный генератор 2 с каналом программного управления амплитудой выходных сигналов для выравнивания зависимости эффективности дифракции в рабочей полосе частот, и восемь усилителей 3 мощности высокочастотных сигналов, последовательно установленные по координатам X и Y первый 4 и второй 5 акустооптические дефлекторы (фиг. 1), в которых последовательно размещены две ортогональные относительно оси пучка лазерного излучения акустооптические ячейки 6, каждая из которых выполнена в виде светопровода 7 из акустооптического материала с просветленными оптическими гранями, на второй грани которого, противоположной первой, размещен звукопоглотитель 8, и пьезопреобразователь 9, электрически связанный через соответствующий электрод 10 с выходом управляющего электронного драйвера 1, а своей первой гранью - с первой гранью светопровода 7 через общий электрод, на второй грани пьезопреобразователя 9, противоположной первой грани, нанесен электрод 10 (фиг. 2), соединенный посредством изолированных друг от друга токопроводов 11 с многоканальным высокочастотным генератором 2, вход которого для внешнего управляющего сигнала подключен к соответствующему выходу средства синхронизации 12, установленному в блоке 13 управления (фиг. 1), установленный перед первым акустооптическим дефлектором 4 высокочастотный лазер 14 на парах меди, генерирующий одновременно на двух длинах волн и имеющий вход для управляющего сигнала от блока 13 управления, линейно неполяризованное лазерное излучение соответствующей длины волны которого оптически соединено со входом соответствующей измерительной системы, содержащей две поляризационные пластины 15 и измеритель энергии 16, выход которой оптически соединен с входом зоны пространственного разделения импульсов, сформированной последовательно установленными дополнительно введенной телескопической системой 17 и соответствующим акустооптическим дефлектором 4, 5, выход зоны пространственного разделения оптически соединен с входом формирующей оптической системы, содержащей последовательно установленные объектив 18 телескопической системы 17 и оптическое поворотное зеркало 19, выход которой оптически соединен с обрабатываемой поверхностью материала 20, размещенного в заполненной жидкостью емкости 21, установленной на моторизованном четырехкоординатном столике 22 (фиг. 3).

На фиг. 1: X₁ и Y₁ - выходы на подачу частоты на ячейку по координате X и частоты на ячейку по координате Y, на акустооптический дефлектор 4 по горизонтальному типу поляризации; X₂ и Y₂ - выходы на подачу частоты на ячейку по координате X и координате Y на акустооптический дефлектор 4 по вертикальной поляризации; X₃ и Y₃ - выходы на подачу частоты на ячейку по координате X и частоты на ячейку по координате Y, на акустооптический дефлектор 5 по горизонтальному типу поляризации; X₄ и Y₄ - выходы на подачу частоты на ячейку по координате X и координате Y на акустооптический дефлектор 5 по вертикальному типу поляризации.

На фиг. 3: λ - это две длины волны; λ₁ - это, например, длина волны 578,2 нм (желтое излучение); λ₂ - это, например, длина волны 510,6 нм (зеленое излучение) (данные длины волн генерирует высокочастотный лазер 14 на парах меди, марки: лазер ЛМП-50 фирмы ООО «Квантро-Медиа»).

Схематически принцип работы двухкоординатных акустооптических дефлекторов 4, 5 представлен на фиг. 4.

Двухкоординатный акустооптический дефлектор 4, 5 состоит из двух акустооптических ячеек 6, которые размещены ортогонально относительно оси пучка лазерного излучения, управляющего электронного драйвера 1 и блока 13 управления в виде персонального компьютера, приведены падающее 23 и отклоненное излучение 24 (фиг. 4). В схеме на фиг. 3 используются четыре двухкоординатных акустооптических дефлектора 4, 5, причем для одной длины волны неполяризованного лазерного излучения используются одинаковые по геометрии двухкоординатные дефлекторы 4, 5, расположенные ортогонально для работы с вертикальной и горизонтальной поляризацией. Для обеспечения корректной работы четырех двухкоординатных акустооптических дефлекторов 4, 5 используется управляющий электронный драйвер 1, состоящий из восьмиканального высокочастотного генератора 2 и восьми усилителей 3 мощности высокочастотного сигнала. При работе акустооптического дефлектора 4, 5 отклонение падающего излучения осуществляется путем программного управления частотой высокочастотных сигналов управляющего электронного драйвера 1 с помощью блока 13 управления (фиг. 4).

Значками на фиг. 5 показан тип поляризации: при прохождении через акустооптическую ячейку 6 анизотропного акустооптического дефлектора 4, 5 поляризация меняется (например, с горизонтальной на вертикальную) и при прохождении второй акустооптической ячейки 6 возвращается (меняется с вертикальной на горизонтальную).

Оптическая схема при использовании высокочастотного лазера 14 на парах меди с линейной поляризацией и акустооптическим двухкоординатным дефлектором 4, 5 представлена на фиг. 3.

Двухкоординатное устройство предназначено для управления мощностью пучка и длиной волны излучения и направлением распространения излучения по координатам X, Y.

Управляющий электронный драйвер 1 предназначен для управления двухкоординатным акустооптическим дефлектором 4, 5 для связи с блоком 13 управления. Многоканальный высокочастотный генератор 2 с каналом программного управления амплитудой выходных сигналов предназначен для подачи высокочастотного сигнала на электроды 10, а также выравнивания зависимости эффективности дифракции в рабочей полосе частот.

Усилитель 3 мощности высокочастотных сигналов предназначен для усиления высокочастотных сигналов от многоканального высокочастотного генератора 2.

В качестве усилителя 3 мощности высокочастотных сигналов может быть использован, например, усилительный модуль Empower RF Systems 1100- BBM2E4AJP.

Акустооптические дефлекторы 4, 5 предназначены для управления угловым положением лазерного излучения по координатам X и Y. Принцип действия акустооптическиго дефлектора 4, 5 основан на явлении дифракции лазерного излучения на фазовой (толстой) решетке, создаваемой в акустооптическом материале бегущей ультразвуковой волной. При выполнении определенных условий практически вся энергия падающего лазерного излучения переходит в один дифракционный порядок. Это - так называемый брэгговский режим дифракции. Угловое положение этого порядка зависит от периода фазовой решетки и, следовательно, может меняться при изменении частоты ультразвуковой волной. При оптимальном значении мощности 6 эффективность дифракции в управляемом порядке может достигать 90-95%.

Акустооптические ячейки 6 предназначены для отклонения лазерного излучения по одной координате X или Y.

Светопровод 7 представляет из себя призму, обладающую специальными оптическими и акустическими свойствами, геометрическими размерами, для взаимодействия лазерного излучения и звука.

В качестве светопровода 7 может быть использован акустооптический материал, например, парателурит (ТеO₂).

Звукопоглотитель 8 предназначен для поглощения ультразвуковой волны.

В качестве звукопоглотителя 8 может быть использован, например, напыленный слой индия толщиной 10 мкм.

Пьезопреобразователь 9 предназначен для формирования в светопроводе 7 бегущей ультразвуковой волны, создающей фазовую дифракционную решетку, с которой взаимодействует лазерное излучение.

В качестве пьезопреобразователя 9 может быть использован, например, ниобат лития LiNbOj 36° YZ-среза [12].

Электроды 10 и токопроводы 11 предназначены для подведения к пьезопреобразователю 9 электрических сигналов для преобразования в акустические.

Средство 12 синхронизации предназначено для слаженности работы акустооптического дефлектора 4, 5 при формировании ультразвуковой волны 26 (для синхронизации заполнения акустооптической волны всего светопровода 7), высокочастотного лазера 14 на подачу лазерного излучения и измерителя энергии 16 на запуск работы в ждущем режиме.

В качестве средства 12 синхронизации может быть использовано, например, кварцевый генератор.

Блок 13 управления предназначен для задачи алгоритма управления и формирования на его основе управляющего сигнала частотой генерации высокочастотного лазера 14 на парах меди, алгоритма отклонения лазерного излучения в пространстве в виде набора частот на управляющем электронном драйвере 1, обмена данными с измерителем энергии 16.

В качестве блока 13 управления может быть использован, например, персональный компьютер с программой, задающей алгоритм управления сигналом частоты генерации высокочастотного лазера 14 на парах меди, программой управления частотой и амплитудой для задания алгоритма обработки материала 20.

Высокочастотный лазер 14 предназначен для формирования пучков лазерного излучения, генерирующего одновременно на двух длинах волн.

В качестве высокочастотного лазера 14 может быть использован, например, высокочастотный лазер 14 на парах меди, марки лазер ЛМП-50 фирмы ООО «Квантрон-Медиа», или аналогичный обеспечивающий возможность генерации лазерного излучения с частотой повторения до 50 кГц.

Поляризационная пластина 15 предназначена для разделения лазерного излучения на одной длине волны на два лазерных пучка по типу поляризации - горизонтальной и вертикальной, а также аналогичная пластина для сложения на одной длине волны двух типов поляризации.

Оптическое поворотное зеркало 19 предназначено для поворота лазерного излучения в пространстве на 90°.

В качестве оптического поворотного зеркала 19 может быть использовано, например, стекло К8 с нанесенным дихроичным покрытием или металлическим (обычно серебро, медь или золото).

Дихроичное зеркало 25 предназначено для разделения лазерного излучения на два лазерных пучка по длине волны, а также аналогичное зеркало для сложения двух лазерных пучков с разными длинами волн в одно лазерное излучение с суммарным излучением от каждого акустооптического двухкоординатного дефлектора 4, 5.

В качестве дихроичного зеркала 25 и поляризационной пластины 15 можно использовать оптические призмы (соответственно поляризационные или на разделение длин волн).

Измеритель энергии 16 предназначен для приема лазерного импульсного излучения и передачи данных в блок 13 управления.

Телескопическая система 17 предназначена для фокусировки лазерного излучения.

В качестве телескопической системы 17 может быть использована, например, объектив 18 с фокусным расстоянием 0,5-1 м или линза из стекла К8 с аналогичным фокусным расстоянием.

Емкость 21 предназначена для содержания в ней жидкости и, при необходимости, проточной жидкости.

Емкость 21 может быть собственного изготовления или покупной.

Моторизованный четырсхкоординатный столик 22 предназначен для перемещения, вращения и наклона обрабатываемого материала 20.

Моторизированный четырехкоординатный столик 22 может быть собственного изготовления или покупной.

Формирующая оптическая система может быть выполнена с возможностью обработки поверхности материала 20 по произвольному алгоритму от одной точки к другой без прохождения промежуточных точек внутри рабочей зоны формирующей оптической системы с использованием плотного заполнения, при котором обрабатывается весь выбранный участок поверхности материала 20 с шагом между соседними положениями не более 0,7 радиуса лазерного пятна на обрабатываемой поверхности материала 20.

Формирующая оптическая система может быть выполнена с возможностью проведения поимпульсного контроля в процессе обработки поверхности материала 20.

Устройство для обработки материалов работает следующим образом.

Поскольку частота повторения высокочастотного лазера 14 на парах меди слишком велика для режима лазерной ударной обработки металлических изделий 20, подверженных в процессе эксплуатации многоцикловой нагрузке, в жидкости с использованием высокочастотного лазера 14 на парах меди в предлагаемом техническом решении рассмотрен режим перемещения лазерного пучка по обрабатываемой поверхности металлических изделий 20 с помощью быстродействующих акустооптических систем. Их использование позволяет применить программированное сканирование по поверхности металлического изделия 20 отдельных импульсов (или, при необходимости, пакетов импульсов) высокочастотного лазера 14 на парах меди в процессе обработки поверхности металлического изделия 20.

Блок 13 управления (персональный компьютер) осуществляет все настройки и задает алгоритм управления, в частности, задает программу обработки материала 20, осуществляет настройку высокочастотного лазера 14 и измерителя энергии 16 и посредством установленного в блоке управления 13 средства синхронизации 12 формирует стартовый синхроимпульс на начало излучения высокочастотного лазера 14 и перехода в ждущий режим измерителя энергии 16 лазерного излучения и на начало формирования звуковых волн в высокочастотный генератор 2. После чего управляющий сигнал от блока управления 13 поступает на управляющий электронный драйвер 1 о начале работы, который посредством своего процессора формирует высокочастотные сигналы на электроды 10 акустооптических ячеек 6, установленных в акустооптических дефлекторах 4, 5, и от средства синхронизации 12 подают синхросигналы на высокочастотный лазер 14 и измеритель энергии 16. При формировании программы формируется матрица параметров в виде таблицы, которая заполняется данными с измерителя энергии 16 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 16 лазерного излучения поступают в блок 13 управления, на электроды 10 акустооптических ячеек 6 поступают следующие сигналы и формируется второе положение суммарного лазерного излучения, происходит следующий импульс лазерного излучения.

Излучение с высокочастотного лазера 14 на парах меди, генерирующего одновременно на двух длинах волн, попадает на дихроичное зеркало 25 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, Y, при этом излучение попадает на поляризационную пластину 15, которая разделяет лазерное излучение на данной длине волны на горизонтально поляризованное и вертикально поляризованное. Вертикально поляризованное излучение попадает на двухкоординатный акустооптический дефлектор 4 или 5 в зависимости от длины волны, горизонтально поляризованное излучение попадает на оптическое поворотное зеркало 19 и потом на повернутый на 90° акустооптический дефлектор 4 (или 5 в зависимости от длины волны). Лазерное излучение попадает на сформированную в соответствующей акустооптической ячейке 6 дифракционную решетку и отклоняется в заданное положение 24. Измеряют интенсивность введенного в акустооптический дефлектор 4, 5 излучения в отклоненном положении 24.

После каждой акустооптической ячейки 6 поляризация лазерного излучения изменяется, например, для двухкоординатного акустооптического дефлектора 4 с вертикальной поляризацией на входе вертикальная поляризация после первой ячейки 6 изменяется на горизонтальную поляризацию, после второй ячейки 6 меняется снова на вертикальную поляризацию (фиг. 5). После акустооптического дефлектора 4 с вертикальной поляризацией лазерное излучение попадает на оптическое поворотное зеркало 19 и направляется на поляризационную пластину 15. Лазерное излучение горизонтального канала поляризации попадает в двухкоординатный акустооптический дефлектор 5 и, затем, - на поляризационную пластину 15. На поляризационной пластине 15 лазерное излучение горизонтальной и вертикальной поляризации складывается. Алгоритм работы двухкоординатных дефлекторов 4, 5 горизонтальной и вертикальной поляризации должен быть так подобран, чтобы при сложении каждое положение совпадало по направлению.

Для учета разности хода для двух каналов с разными длинами волн предусмотрены оптические поворотные зеркала 19. Затем два канала складываются на дихроичном зеркале 25. Меньшая часть излучения попадает на объектив 18 и, затем, - на измеритель энергии 16. Измеритель энергии 16 настраивается особым образом с поправочными коэффициентами и поимпульсно измеряет энергию в импульсе сформированного лазерного излучения для каждого положения. Также при необходимости акустооптические дефлекторы 4, 5 могут выступать в качестве затворов, если не подавать высокочастотные сигналы на электроды 10 акустооптических ячеек 6. Таким образом при необходимости можно проверить настройки каждого из четырех акустооптических дефлекторов 4, 5.

Основная часть лазерного излучения после дихроичного зеркала 25 попадает на объектив 18 и через оптическое поворотное зеркало 19 попадет на поверхность обрабатываемого металлического изделия 20, находящегося в заполненной жидкостью, например, деионизованной водой, емкости 21, которая, в свою очередь, расположена на моторизованном четырехкоординатном столике 22 для обеспечения режима сканирования лазерным пучком высокочастотного лазера 14 на парах меди по поверхности обрабатываемого металлического изделия 20. Требуемый размер лазерного пятна в зоне обрабатываемого участка поверхности металлического изделия 20 получают смещением обрабатываемого металлического изделия 20 на определенное расстояние от фокааьной плоскости. Уровень слоя жидкости над поверхностью обрабатываемого металлического изделия 20 контролируют с помощью шкалы, нанесенной на стенки емкости 21.

Для пространственного сканирования (координаты X и Y) в акустооптических дефлекторах 4, 5 последовательно размещены две ортогональные (перпендикулярные относительно друг друга) акустооптические ячейки 6. Каждая акустооптическая ячейка 6 состоит из светопровода 7 из акустооптического материала с просветленными оптическими гранями, пьезопреобразователя 9 для возбуждения ультразвуковой волны и звукопоглотителя 8.

Ультразвуковая волна, формирующая дифракционную решетку, с которой взаимодействует падающее лазерное излучение высокочастотного лазера 14 на парах меди, создается в светопроводе 7, выполненным из акустооптического материала (акустооптического кристалла, который является светопроводящим и звукопроводящим), пьезопреобразователем 9, соединенным с акустооптической средой по специальной технологии. На противоположной стороне светопровода 7 напыляется звукопоглотитель 8 для поглощения ультразвуковой волны. Возбуждение звуковых волн происходит при подаче на электроды 10 пьезопреобразователя 9 высокочастотных сигналов от управляющего электронного драйвера 1, содержащего высокочастотный генератор 2 и усилитель 3 мощности высокочастотных сигналов. Сканирование лазерным пучком осуществляют путем программного управления частотой высокочастотного генератора 2 управляющего электронного драйвера 1 и подбирается частота генерации высокочастотного лазера 14, позволяющая выполнить условие заполнения звуковой волны всего светопровода 7. Высокочастотный генератор 2 управляющего электронного драйвера 1 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 1 и используется при работе.

Работа с лазерным излучением двух длин волн требует использования двух комплектов акустооптических дефлекторов 4, 5 при условии поляризованного излучения.

При условии сканирования лазерным излучением 3⁰×3⁰ угловых градуса акустооптическими дефлекторами 4, 5 при фокусировании оптической системой 1 м обрабатываемая зона металлического изделия 20 составит не менее 50 × 50 мм². В оптических схемах с применением акустооптических дефлекторов 4, 5 фокусирующие оптические системы устанавливают после акустооптических дефлекторов 4, 5. Использование быстродействующих акустооптических систем позволяет реализовать программированное сканирование по обрабатываемой поверхности металлического изделия 20 отдельных лазерных импульсов (или, в случае необходимости, пакетов импульсов) высокочастотного лазера 14 на парах меди в процессе обработки поверхности металлического изделия 20.

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

1. Предлагаемое устройство для обработки материалов обеспечивает возможность программированного сканирования по обрабатываемой поверхности материала 20 отдельных лазерных импульсов, что позволяет повысить эффективность обработки поверхности материала 20 не менее чем на 50%.

2. Предлагаемое устройство для обработки материалов позволяет получать эффективность (отношение интенсивности отклоненного управляемого лазерного излучения в первом порядке к общей интенсивности введенного в акустооптические дефлекторы 10, 11 лазерного излучения) дифракции акустооптических дефлекторов 10, 11 до 70% в сравнении с 30% при применении материала по прототипу за счет использования акустооптического качества кристалла на основе парателлурита.

3. Предлагаемое устройство для обработки материалов позволяет производить равномерную обработку поверхности материала 20 за счет контроля уровня энергии в каждом импульсе.

В настоящее время в Институте электрофизики и электроэнергетики РАН проведены испытания предлагаемого устройства для обработки поверхности деталей, и на их основе выпущена конструкторская документация на данное устройство.

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 Р., 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 К.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 RU 2193793, 2002, МКИ G02F 1/11, G02F 1/33.

11. Патент RU 2243582, 2004, МКИ G02F 1/33.

12. Молчанов В.Я., Китаев Ю.И., Колесников А.И., Нарвер В.Н., Розенштейн А.З., Солодовников Н.П., Шановаленко К.Г. Теория и практика современной акустооптики. М.: Дом МИСиС. 2015. 459 с.

Изобретение относится к акустооптике и лазерной технике, в частности к технике взаимодействия импульсного лазерного излучения с веществом. В устройстве для обработки материалов посредством управления оптическим пучком, содержащем двухкоординатное устройство для управления мощностью пучка и длиной волны излучения и направлением распространения излучения по координатам X, Y, первый и второй акустооптические дефлекторы, в которых последовательно размещены две ортогональные относительно оси пучка излучения акустооптические ячейки, каждая из которых выполнена в виде светопровода из акустооптического материала с просветленными оптическими гранями, на второй грани которого, противоположной первой, размещен звукопоглотитель, и пьезопреобразователь. Источник импульсного излучения выполнен в виде высокочастотного лазера на парах меди, генерирующего одновременно на двух длинах волн. Технический результат - повышение эффективности и равномерности обработки поверхности материала. 9 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство для обработки материалов посредством управления оптическим пучком, содержащее двухкоординатное устройство для управления мощностью пучка и длиной волны излучения и направлением распространения излучения по координатам X, Y, последовательно установленные по координатам X и Y первый и второй акустооптические дефлекторы, пьезопреобразователи, соединенные своей первой гранью с первой гранью светопровода в виде кристалла соответствующего акустооптического дефлектора через общий электрод, а на второй грани пьезопреобразователя, противоположной первой грани, нанесен электрод, соединенный посредством изолированных друг от друга токопроводов с многоканальным высокочастотным генератором, имеющим выходы, соединенные с соответствующими входами пьезопреобразователей, и вход для внешнего управляющего сигнала, подключенный к соответствующему выходу средства синхронизации, установленному в блоке управления, установленный последовательно перед первым акустооптическим дефлектором многоволновой источник импульсного излучения, имеющий вход для управляющего сигнала от блока управления, и светопровода в виде кристалла акустооптического дефлектора, на второй грани которого, противоположной первой, размещен звукопоглотитель, отличающееся тем, что в устройство для обработки материалов дополнительно введены емкость для жидкости, моторизованный четырехкоординатный столик, формирующая оптическая система, содержащая последовательно установленные дополнительно введенную телескопическую систему, дихроичное зеркало и оптическое поворотное зеркало, и измерительная система, содержащая две поляризационные пластины и измеритель энергии, в двухкоординатное устройство дополнительно введен управляющий электронный драйвер, содержащий синтезатор частоты с каналом программного управления амплитудой выходных сигналов для выравнивания зависимости эффективности дифракции в рабочей полосе частот, и усилитель мощности высокочастотных сигналов, для каждого акустооптического дефлектора, при этом выход управляющего электронного драйвера электрически связан через соответствующие электроды со входами соответствующих преобразователей, источник импульсного излучения выполнен в виде высокочастотного лазера на парах меди, генерирующего одновременно на двух длинах волн, линейно неполяризованное лазерное излучение соответствующей длины волны которого оптически соединено со входом соответствующей измерительной системы, выход которой оптически соединен с входом зоны пространственного разделения импульсов, сформированной последовательно установленными телескопической системой и соответствующим акустооптическим дефлектором, выход зоны пространственного разделения оптически соединен с входом формирующей оптической системы, выход которой оптически соединен с обрабатываемой поверхностью материала, размещенного в емкости и покрытого жидкостью, заполняющей емкость, установленную на моторизованном четырехкоординатном столике, в акустооптических дефлекторах последовательно размещены две ортогональные относительно оси пучка излучения акустооптические ячейки, каждая из которых выполнена в виде светопровода из акустооптического материала с просветленными оптическими гранями, пьезопреобразователя и звукопоглотителя.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок управления выполнен в виде программы, задающей алгоритм управления частотой генерации и амплитудой выходных высокочастотных сигналов, установленной на персональном компьютере.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что высокочастотный лазер на парах меди выполнен с возможностью генерации излучения с частотой повторения до 50 кГц.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что обрабатываемый материал выполнен в виде металлического изделия.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что слой жидкости выполнен как слой проточной жидкости.

6. Устройство по любому из пп. 1, 5, отличающееся тем, что заполненная жидкостью емкость выполнена со шкалой, нанесенной на стенки емкости, для контроля уровня слоя жидкости над поверхностью обрабатываемого материала.

7. Устройство по любому из пп.1, 5, 6, отличающееся тем, что в качестве жидкости использована деионизованная вода.

8. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что светопроводы выполнены из акустооптического материала парателлурита TeO₂.

9. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что формирующая оптическая система выполнена с возможностью обработки поверхности материала 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.

10. Устройство по любому из пп. 1, 9, отличающееся тем, что формирующая оптическая система выполнена с возможностью проведения поимпульсного контроля в процессе обработки поверхности материала.