Способ юстировки систем оптической разводки лазерного луча и устройство для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК B23K26/00 G02B7/00 

Изобретение относится к обработке материалов лазерным излучением-, в частности к способам и устройствам управления лазерным лучомч и может быть использовано в машиностроении и других областях техники для термообработки, резки и сварки металлов с помощью лазера.

Цель изобретения - упрощение способа и повышение качества юстировки систем оптической разводки лазерного луча, расширение функциональных возможностей котировочного устройства.

На фиг. 1 представлено предлагаемое устройство продольный разрез ; на фиг. 2 - одиночные рефлексы от лазерного луча, падающего под разными углами к вертикали, образующиеся на верхней пластине устройства, покрытой слоем антистоксового люминофора; на фиг. 3 - общая схема осуществления способа юстировки.

Предлагаемое юстировочное устройство состоит из корпуса 1, нижняя часть которого образует зеркальный конус 2, обращенный вершиной вверх и соосный центральному отверстию 3 верхнего диска 4, установленного в верхней части корпуса 1. На верхней поверхности диска 4 имеются две зоны - центральная 5 и кольцевая б, покрытые слоем антистоксового люминофора, причем толщина слоя люминофора в центральной зоне 5 составляет 2-5 мм, а в кольцевой зоне 6 50-100 мкм,

При попадании лазерного луча 7 на слой люминофора происходит преобразование лазерного невидимого диапазона длин волн, например ИК-диапазона, в видимую флуоресценцию. Верхнее значение толщины слоя люминофора в кольцевой зоне 6 выбрано столь малым из условия устойчивого прохождения видимого излучения флуоресценции сквозь слой люминофора без заметного поглощения. При толщине слоя люминофора в кольцевой зоне б менее 50 мкм происходит ослабление яркости рефлекса от лазерного луча 7, что затрудняет его наблюдение,

Толщина слоя люминофора в центральной зоне 5 выбрана из условия, что на нее падает лазерный луч 7 с высокой плотностью мощности. При толщине слоя люминофора менее 2 мм происходит быстрое выгорание вещества люминофора, а при толщине слоя люминофора, большей 5 мм, нарушаются условия полного прохождения лазерного луча (особенно в случае сфокусированного лазерного луча) через центральное отверстие 3 верхнего диска 4.

Размер центральной зоны 5 определяется размером рефлекса на поверхности диска 4 от нерасходящегося лазерного луча 7 нулевой толщины, прошедшего через центральное отверстие 3 диска 4 перпендикулярно его поверхности и отразившегося от вершины конуса 2.

Таким образом,, диаметр центральной зоны 5 определяется углом а при вершине конуса 2 и расстоянием Н от вершины конуса 2 до нижней поверхности диска 4 и находится по формуле /tg a /; я п.

Ход лучей в данном случае показан пунктиром. Центральная зона 5 диска 4 служит для визуализации, падающего на юстировочное устройство лазерного луча 7, облегчая совмещение падающего лазерного луча 7 с центральным отверстием 3 диска 4. Простые геометрические построения показывают, что невозможно создать ситуацию, когда бы прошедший через центральное отверстие 3 диска 4 и отраженный от поверхности конуса 2 лазерный луч 7 целиком отражался в центральную зону 5.

Следовательно, для визуализации отраженного от поверхности конуса 2 лазерного

луча 7 служит только кольцевая зона 6

Взаимодействие лазерного луча 7 с юс- тировочным устройством приводит к появлению расположенного в кольцевой зоне 6 одиночного рефлекса одного из трех видов 8,

9 или 10 в зависимости от значения угла отклонения оси лазерного луча 7 от вертикали. Поворотное зеркало 11 и фокусирующая линза 12 служат для направления лазерного луча 7 на центральное отверстие 3

верхнего диска 4. Для предохранения тонкого слоя люминофоров кольцевой зоны бот механических повреждений служит тонкое кольцо 13, выполненное из прозрачного в видимом диапазоне материала, которое

размещено сверху кольцевой зоны 6.

Тот тип люминофоров, которые преобразуют падающее на них излучение с AI в излучение с Я2 , причем Ai Дг, называют антистоксовыми люминофорами. В нашем случае преобразуется невидимое ИК-лазерное излучение в видимое световое излучение, позволяя визуализировать положение и форму рефлекса от лазерного луча. Антистоксовые люминофоры обладают широким рабочим интервалом, например для ИК-области они могут одинаково хорошо работать как для ,6 мкм, так и для Я 1,06 мкм.

Способ юстировки осуществляется с помощью юстировочного устройства следующим образом.

На юстировочное устройство лазерный луч 7 попадает после отражения от поворотного зеркала 11 системы оптической разводки и прохождения фокусирующей линзы 12. Если лазерный луч 7 нерасходящийся, то, пройдя центральное отверстие 3 диска 4 и отразившись от поверхности конуса 2, он оставит на кольцевой зоне 6 диска 4

одиночный рефлекс либо в виде кольца 8, соосного центральному отверстию 3, либо в виде целого вала 9, либо в виде срезанного центральной зоной 6 овала 10, причем вид и положение рефлекса в кольцевой зоне 6

после соответствующей градуировки диска 4 определяют направление и величину отклонения оси лазерного луча 7 от вертикали, Юстировкой поворотного зеркала 11 добиваются смещения полученного рефлекса к центру зоны 6 на известный угол и в известном направлении для получения рефлекса 8 в виде кольца, соосного центральному отверстию, что соответствует нулевому отклонению оси лазерного луча 7 от вертикали

В случае расходящегося (сфокусированного) лазерного луча 7 добиваются совпадения перетяжки луча 7 с центральным отверстием 3 диска 4. Дальнейшая процедура юстировки аналогична случаю нерасходящегося лазерного луча 7.

Для расчета требуемых величин при отклонениях оси лазерного луча от вертикали указанные на фиг. 1 параметры имеют следующие значения: ,2 мм, мм, мм,, а 0-10° - угол отклонения оси лазерного луча от вертикали (при значениях а. 10° отклонения становятся явными).

Расчетные величины: Uz - удаление оси лазерного луча от вертикали, зависящее от угла падения a; da эфф- диаметр лазерного лучалрошедшего через отверстие (00тв) под углом До: к вертикали; da - размер пятна рефлекса лазерного луча на плоскости пластины, получаемый в плоскости падения лазерного луча, т.е. в плоскости фиг. 1; а Мин - угол перехода вида рефлекса от пятна к кольцу, Для этих величин получены следующие зависимости:

I .2Hcosl-sln(aj-ff). La 2Н соф+ 20}i

da эффКОотв cosa -Hi sin a);

dcrдэфф

sln(a + 2fi)

DOTB

2(Hi+H)

Расчетные данные этих величин для углов « 0-10° сведены в таблицу.

DQTB2

aмин агсгд2(н-и;°н) arctg 2(50+5j

arct9TTO 1°

т.е. при отклонении оси лазерного луча от вертикали рефлекс от лазерного луча на пластине имеет вид не эллипсного пятна, а кольца, что значительно облегчает юстировку поворотного зеркала 11.

Применение в юстировочном устройстве антистоксового люминофора позволяет осуществлять данный способ юстировки с лазерным лучом любой длины волны, тем

самым отпадает необходимость в дополнительном юстировочном лазере. Это позволяет упростить способ юстировки.

Возможность использовать различные

типы люминофоров, соответствующих длине волны лазерного луча, снимает ограничения на тип юстируемой лазерной установки, что приводит к расширению технологических возможностей предлагаемого устройства.

Применение конусообразного нижнего зеркала позволяет повысить чувствительность предлагаемого устройства при малых углах отклонения оси лазерного луча от вертикали, а также определять величину и направление отклонения оси лазерного луча от вертикали, что приводит к повышению точности и качества юстировки.

20

Формула изобретения

1. Способ юстировки систем оптической разводки лазерного луча, при котором лазерный луч пропускают по системе оптической разводки, отклоняют поворотным зеркалом на фокусирующую линзу и далее на юстировочное устройство, отличающийся тем, что, с целью упрощения способа и повышения качества юстировки,

луч невидимого диапазона длин волн, например инфракрасного, лазерной установки направляют на центральное отверстие юстировочного устройства и затем отражают нижним конусообразным зеркалом на

верхний диск, на поверхности которого получают светящийся одиночный рефлекс, по виду и расположению которого определяют величину и направление отклонения оси лазерного луча от вертикали.

2. Устройство для юстировки систем оптической разводки лазерного луча, содержащее объединенный в один корпус нижнее зеркало и верхний диск с центральным отверстием для пропускания лазерного луча,

отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей устройства, оно содержит нижнее конусообразное зеркало, обращенное вершиной вверх и соосное центральному отверстию

верхнего диска, выполненного из прозрачного для лазерного материала, имеющего две зоны, центральную и кольцевую, покрытые слоем антистоксового люминофора, причем толщина слоя в центральной зоне

больше, чем в кольцевой, и составляет соответственно от 2 до 5 мм и от 50 до 100 мкм.

13

Фиг. 1

Изобретение относится к обработке материалов лазерным излучением, в частности к способам и устройствам управления лазерным лучом, и может быть использовано в машиностроении и других областях техники для термообработки, сварки и резки металлов с помощью лазера. Цель изобретения - упрощение способа, повышение качества юстировки систем оптической разводки лазерного луча и расширение функциональных возможностей юстировочного устройства. Устройство состоит из корпуса, нижняя часть которого образует зеркальный конус, обращенный вершиной вверх и соосный центральному отверстию верхнего диска. Верхний диск сделан из прозрачного для лазерного луча материала, на верхней поверхности диска имеются две зоны - центральная и кольцевая, покрытые слоем антистоксового люминофора, причем толщина слоя люминофора в центральной зоне больше, чем в кольцевой. При попадании лазерного луча на слой антистоксового люминофора происходит преобразование невидимого излучения в видимую флуоресценцию. В предложенном способе юстировки невидимый луч лазерной установки направляют на центральное отверстие юсти- ровочного устройства и затем отражают нижним конусообразным зеркалом на верхний диск, на поверхности которого в кольцевой зоне получают одиночный кольцевой рефлекс одного из трех видов, по виду и расположению которого определяют величину и направление отклонения оси лазерного луча от вертикали. 2 с.п.ф-лы, 3 ил„ 1 табл. i |5Ь v|

Фиг. г

jff

г

13

Риг.З