СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ МАСШТАБИРУЕМОГО КВАДРАТНОГО СВЕТОВОГО ПУЧКА Российский патент 2025 года по МПК G02B27/09 

Область техники

Изобретение относится к оптической физике и применяется в лазерной оптике для формирования профиля лазерного пучка.

Устройства на основе оптических формирователей профиля лазерного излучения используют для получения пятна требуемой формы, с однородным распределением интенсивности. Для достижения данного эффекта могут использоваться различные оптические элементы, такие как дифракционные решетки, матричные элементы или линзы. В качестве источника чаще всего используются лазеры с Гауссовым распределением интенсивности. После прохождения луча через формирователь возможно получить однородное распределение мощности на обрабатываемой поверхности в виде пятен различной формы: круг или линия. Равномерное распределение в области получаемого пятна позволяет получать более высокое качество при обработке поверхностей материалов. Например, при лазерной закалке поверхностей металлов более подходящим профилем является прямоугольник или квадрат, позволяющий получать равномерную зону лазерного упрочнения. В настоящем изобретении предлагается перестраиваемое оптическое устройство, которое способно масштабировать изображение сконфигурированного лазерного пятна без заметного ухудшения однородного распределения плотности мощности в пределах пятна в виде квадрата с различной длинной ребер.

Уровень техники

Известные устройства на основе формирователей являются статическими в составе оптических головок мощных лазеров. В их конструкции не предусмотрена возможность изменения или настройки размеров однородного пятна без ухудшения распределения интенсивности в его пределах.

В изобретении US 20190025599 А1 однородное распределение плотности мощности и форма пятна определяется двумя оптическими элементами, расположенными со смещением, друг относительно друга хотя бы по одной оси, перпендикулярной оптической оси лазерного луча. При этом устройство имеет в своем составе как минимум одну (или две) оптически активную поверхность произвольной формы, профиль высоты которой представляет собой полиноминальное разложение с коэффициентами отличными от нуля. Стоит также отметить, что профили высоты первой и второй поверхностей произвольной формы формируются ассиметрично относительно поворота на 180 градусов вокруг оптической оси и расположены по направлению друг к другу. Предложенная система сложна в реализации и при ее производстве требуется разработка специализированных оптических элементов, что в свою очередь ограничивает возможность ее широкого применения.

Известна динамическая оптическая система, описанная в патенте US 009238577 В2. Трансформация пучка достигается применением асферических линз. Данная система позволяет преобразовывать лазерный пучок с применением заранее определенных свойств оптических элементов (дифракционных характеристик, материала, покрытия, оптических характеристик). Перемещение оптических элементов осуществляется с использованием механической или микроэлектромеханической системы (MEMS). Для осуществления процессов лазерной поверхностной обработки материалов такая система избыточна, а надежность предложенной конструкции не обеспечивает долговечность при ее эксплуатации.

Известен патент на изобретение US 20080165425 A1 (US 7400457 В1), в котором для формирования прямоугольного или квадратного профиля пятна на обрабатываемой поверхности используют две асферические цилиндрические линзы с ортогональной ориентацией их осей. В данном случае, стоимость оптической системы слишком высока из-за наличия астигматических цилиндрических поверхностей оптических элементов, которые значительно более трудоемки в изготовлении по сравнению с цилиндрическими или сферическими поверхностями. Кроме того, описанное устройство не позволяет масштабировать размеры профиля пятна лазерного излучения.

Наиболее близким по технической сущности является изобретение RU 2725685 С1, в котором для формирования однородного профиля пятна мощного лазера используют комбинацию цилиндрической линзы и линзу Френеля. Однако, данное устройство формирует линейный профиль пятна.

Раскрытие сущности изобретения

Задача изобретения заключается в возможности увеличения масштаба квадратного светового пучка.

Технический результат изобретения заключается в получении масштабируемого квадратного светового пучка.

Способ формирования масштабируемого квадратного светового пучка, заключается в том, что расходящийся пучок света подают от источника лазерного излучения через волновод на вход оптического формирователя. Далее пучок света подают на оптический формирователь. Световой пучок подвергают трансформации его интенсивности в сечении исходного пучка света, пропуская через пары оптических бипризм Френеля. Формируют суммарное однородное изображение профиля интенсивности светового пучка наложением двух половинок исходного пучка света шириной, равной радиусу исходного пучка. Далее получают однородное распределение интенсивности излучения в проекции изображения пучка на плоский экран для контроля изображения в пространстве. На обрабатываемой поверхности получают профиль квадратного светового пятна размером от 10 до 100 мм.

Масштабирование пучка на рабочей поверхности определяется линзой, установленной на выходе из оптического формирователя, и размер может быть различным.

При поверхностной обработке материалов квадратным профилем пятна лазерного излучения обеспечивается равномерный нагрев поверхности, что например, позволяет выполнять поверхностную лазерную закалку металлов с равномерной глубиной зоны упрочнения. При использовании стандартных волоконных источников лазерного излучения, из-за наличия неравномерности распределения энергии в пятне лазера, зона упрочнения получается полусферической (неравномерной).

Оптический формирователь квадратного профиля пятна содержит корпус с картриджем сменной рассеивающей линзы, оптическим коннектором, коллиматором для формирования параллельного пучка, а также блоком защитного стекла со сменным картриджем защитного стекла и водоохладителями с блоком защитного газа. Для юстировки оптической оси используют юстировочный узел.

Конструкция устройства обеспечивает возможность перенастройки оптической схемы под волоконные источники лазерного излучения с различной числовой апертурой NA (numerical aperture) лазерного излучения на выходе из оптического коннектора лазера, с сохранением рабочего расстояния головки и однородного распределения интенсивности лазерного излучения в профиле квадратного пятна лазера, с требуемым размером его ребер, при изменении радиуса кривизны рассеивающей линзы, установленной в картридже сменной рассеивающей линзы оптического формирователя. Для мощных волоконных лазеров апертура излучения, исходящего гауссового пучка, определяется размером сердцевины волокна.

Осуществление изобретения

Способ формирования масштабируемого квадратного светового пучка, заключается в том, что расходящийся пучок света подают от источника лазерного излучения через волновод на вход оптического формирователя. Далее пучок света подают на оптический формирователь. Световой пучок подвергают трансформации его интенсивности в сечении исходного пучка света, пропуская через пары оптических бипризм Френеля. Формируют суммарное однородное изображение профиля интенсивности светового пучка наложением двух половинок исходного пучка света шириной, равной радиусу исходного пучка. Далее получают однородное распределение интенсивности излучения в проекции изображения пучка на плоский экран для контроля изображения в пространстве. Получают профиль квадратного светового пятна 10 мм на обрабатываемой поверхности. Аналогичным способом получают квадратное световое пятно размером более 10 мм.

Изобретение относится к оптической физике и может использоваться в лазерной оптике. Способ формирования масштабируемого квадратного светового пучка заключается в том, что расходящийся пучок света подают от источника лазерного излучения через волновод на вход оптического формирователя. Далее пучок света подают на оптический формирователь. Световой пучок подвергают трансформации его интенсивности в сечении исходного пучка света, пропуская через пары оптических бипризм Френеля. Формируют суммарное однородное изображение профиля интенсивности светового пучка наложением двух половинок исходного пучка света шириной, равной радиусу исходного пучка. Далее получают однородное распределение интенсивности излучения в проекции изображения пучка на плоский экран для контроля изображения в пространстве. Получают профиль квадратного светового пятна от 10 до 100 мм на обрабатываемой поверхности. Технический результат изобретения заключается в получении масштабируемого квадратного светового пучка.

Способ формирования масштабируемого квадратного светового пучка, характеризующийся тем, что расходящийся пучок света подают от источника лазерного излучения через волновод на вход оптического формирователя, далее пучок света подают на оптический формирователь, световой пучок подвергают трансформации его интенсивности в сечении исходного пучка света, пропуская через пары оптических бипризм Френеля, формируют суммарное однородное изображение профиля интенсивности светового пучка наложением двух половинок исходного пучка света шириной, равной радиусу исходного пучка, далее получают однородное распределение интенсивности излучения в проекции изображения пучка на плоский экран для контроля изображения в пространстве, на обрабатываемой поверхности получают профиль квадратного светового пятна размером от 10 до 100 мм.