ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР (ВАРИАНТЫ)

ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР (ВАРИАНТЫ)


RU (11) 2243072 (13) C2

(51) 7 B23K26/06, G02B27/09 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 07.12.2007 - действует 

--------------------------------------------------------------------------------

(21) Заявка: 2002109159/28 
(22) Дата подачи заявки: 2002.04.08 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 2002.04.08 
(43) Дата публикации заявки: 2004.01.20 
(45) Опубликовано: 2004.12.27 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: ЕР 0723834 А1, 31.07.1996. US 3733404 А, 30.06.1972. US 5397686 А, 14.03.1995. SU 1815086 A1, 15.05.1993. 
(72) Автор(ы): Усов С.В. (RU); Минаев И.В. (RU); Зверев Ю.Б. (RU); Зарубин М.Ю. (RU); Грашкин И.Л. (RU); Буданов Н.А. (RU) 
(73) Патентообладатель(и): Открытое акционерное общество АК "Туламашзавод" (RU) 
Адрес для переписки: 300002, г.Тула, ул. Мосина, 2, ОАО АК "Туламашзавод", начальнику патентного отдела К.Г. Чибисову 

(54) ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР (ВАРИАНТЫ)

Изобретение относится к области лазерной техники и может быть использовано для формирования пучка Nd: YAG лазеров с расходимостью 10-20 мрад. Лазер включает излучатель, систему зеркал и оптическую стабилизирующую систему на оптической оси излучателя. По первому варианту расстояние между излучателем и оптической стабилизирующей системой и оптической стабилизирующей системой и выходом из зоны обработки выбираются из соотношения (0,8-1,2):(10-20) системой. По второму варианту оптическая стабилизирующая система выполнена трехэлементной из последовательно расположенных вдоль оси лазера рассеивающей двояковогнутой и двух рассеивающих длиннофокусных плосковыпуклых линз. Соотношение расстояний между двояковогнутой и первой плосковогнутой и первой плосковогнутой и второй плосковогнутой линзами находятся в пределах (1,2-1,7):(1,1-1,6). Обеспечено повышение стабильности геометрических параметров лазерного луча на обрабатываемой поверхности с неизменным положением фокального пятна. 2 с.п. ф-лы. 4 ил.






ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ


Изобретение относится к области лазерной техники, а именно к способам транспортировки луча мощных многомодовых Nd:YAG лазеров в рабочую зону.

Лазерный комплекс кроме собственно реактора-лазера включает в себя оптические системы формирования лазерного излучения и транспортировки его к объекту воздействия, систему управления и защиты реактора и систему управления лазерным излучением, периферийные системы прокачки и охлаждения лазерной среды и теплоносителя. 

Выходное лазерное излучение состоит из многих мод, на которые оказывают влияние различные неоднородности структуры активного вещества. Вследствие этого излучение твердотельного лазера характеризуется понятием угловая расходимость . Для Nd:YAG лазеров угловая расходимость лежит в пределах =2... 20 мрад.

В пучке лазерного излучения угловую расходимость формируют ближняя и дальняя зоны. В ближней зоне пространственное распределение интенсивности в луче такое, как и на выходной апертуре лазера, и угловая расходимость луча мала. Эти условия сохраняются на расстоянии L0 порядка D0/10, где D0 d2л/2 0 (D0 - диаметр активного элемента, d л - диаметр луча; 0 - длина волны).

В дальней зоне угловая расходимость увеличивается, что ведет к увеличению диаметра пучка падающего на линзу и его геометрической аберрации, возникающей вследствие наклонного падения относительно главной оптической оси системы. 

В мощных технологических Nd:YAG лазерных системах из-за большой расходимости многомодового излучения (до 20 мрад) в случае расположения зоны обработки лазерным лучом на расстоянии, значительно превышающем расстояние Lо, возникает проблема в исполнении технологических процессов резки материалов лазерным излучением: необходимо либо сокращать технологическое поле обработки, либо увеличивать диаметр линзы, а это в свою очередь ведет к значительному увеличению массо-габаритых характеристик и удорожанию всей конструкции. 

Известен способ стабилизации и транспортировки луча твердотельного лазера, заключающийся в том, что предварительно определяют в соответствии с конструкцией лазерных систем и технологическими требованиями расстояние L1 на котором конструктивно возможно расположить оптическую стабилизирующую систему, расстояние L, на которое необходимо транспортировать предварительно сформированный лазерный луч для осуществления технологических операций в зоне обработки, диаметр Doт транспортируемого в зону обработки лазерного луча, измеряют диаметр D01 лазерного луча на входе в оптическую стабилизирующую систему и исходя из соотношения диаметра Dот транспортируемого лазерного и диаметра D01 определяют кратность оптической системы K=Doт/D01, подбирают геометрические характеристики ее оптических элементов, устанавлявают оптическую стабилизирующую систему на оптической оси и изменяя расстояния между оптическими элементами формируют и стабилизируют диаметр Dот лазерного луча и транспортируют его в зону обработки (ЕР 0723834, 31.07.1996). 

Задачей предлагаемого технического решения является обеспечение стабильного значения геометрических параметров лазерного луча на заданном расстоянии для транспортировки и фокусировки лазерного луча в дальней зоне с неизменным положением фокального пятна по обрабатываемой поверхности.

Поставленная задача достигается тем, что твердотельный лазер по первому варианту, включающий излучатель, систему зеркал и оптическую стабилизирующую систему на оптической оси, соотношение расстояний между излучателем и оптической стабилизирующей системой и оптической стабилизирующей системой и выходом из зоны обработки составляет (0,8-1,2):(10-30). 

Во втором варианте исполнения твердотельного лазера, включающий излучатель, систему зеркал и оптическую стабилизирующую систему на оптической оси, оптическая стабилизирующая система выполнена трехэлементной из последовательно расположенных вдоль оси лазера двояковогнутой и двух плосковыпуклых линз, причем первая из них рассеивающая, а вторая и третья - собирающие длиннофокусные, а расстояния между двояковогнутой и первой плосковыпуклой и первой плосковыпуклой и второй плосковыпуклой находятся в пределах (1,2-1,7):(1,1-1,6). 

Заявляемое техническое решение поясняется чертежами, на фиг.1 изображена схема транспортировки лазерного луча в зону обработки; на фиг.2 показано распределение энергии лазерного излучения в пространстве без стабилизирующей системы; на фиг.3 -распределение энергии лазерного излучения в пространстве со стабилизирующей системой; на фиг.4 - заявляемая стабилизирующая система.

Лазер (фиг.1) состоит из излучателя 1, оптической стабилизирующей системы 2 и рабочей зоны 3, в которой лазерный луч перемещается с помощью системы зеркал 4-6.

Оптическая стабилизирующая система лазерного луча расположена между излучателем 1 и рабочей зоной 3 на оптической оси 7 системы (излучателя и стабилизирующей системы) на минимально конструктивно возможном расстоянии и обеспечивает стабильное неизменное значение диаметра лазерного луча, определенного технологическими задачами, на заданном расстоянии, что позволяет транспортировать и фокусировать лазерный луч с неизменным положением фокального пятна вдоль обрабатываемой поверхности.

Стабилизирующая система лазерного луча (как один из вариантов исполнения) представляет собой систему из трех последовательно расположенных вдоль оси 7 лазера оптических элементов: двояковогнутой 8 и двух плосковыпуклых линз 9 и 10, причем первая из них рассеивающая, а вторая и третья - собирающие длиннофокусные. Двояковогнутая линза 8 рассеивает лазерный луч, первая плосковыпуклая линза 9 приближает луч к оптической оси 7 стабилизирующей системы, а вторая плосковыпуклая линза 10 стабилизирует диаметр луча. Расстояния между двояковогнутой 8 и первой плосковыпуклой 9 и второй плосковыпуклой 10 определяются из пределов а:в=(1,2-1,7):(1,1-1,6) по ходу прохождения лазерного луча.

Транспортировка лазерного луча твердотельного лазера осуществляют следующим образом.

Предварительно определяют, в соответствии с конструкцией лазерных систем и технологическими требованиями, расстояние L1 , на котором конструктивно возможно расположить оптическую стабилизирующую систему, расстояние L, на которое необходимо транспортировать лазерный луч для осуществления технологических операций в зоне обработки, диаметр Dот транспортируемого лазерного луча, размер которого обеспечивают стабильным на расстоянии Lот для осуществления технологических операций и диаметр лазерного луча D01 , с которым луч приходит к оптической стабилизирующей системе. 

Стабильность и передачу лазерного луча диаметром Dот обеспечивают оптической стабилизирующей системой.

Затем, исходя из соотношения диаметра Doт лазерного луча и Do1, определяют кратность оптической системы К=Doт/Do1 и геометрические характеристики оптических элементов этой системы. Диаметр Dот лазерного луча формируют и стабилизируют путем изменения расстояний между оптическими элементами (линзами) по ходу прохождения лазерного луча с последующим транспортированием его в зону обработки.

При использовании трехэлементной оптической системы формирование, стабилизация и транспортировка лазерного луча заданного размера и на заданное расстояние осуществляют посредством подбора расстояний между двояковогнутой и первой плосковыпуклой линзой “а” и первой и второй плосковыпуклой линзами “в”, исходя из соотношения а:в=(1,2-1,7):(1,1-1,6). 

Транспортировка со стабилизированным лазерным лучом и оптическая система стабилизации апробированы в изделиях МЛТИ-1000 (модуль лазерный технологический, мощностью 1000 Вт) и МЛТ-500 (модуль лазерный технологический импульсный, мощностью 1000 Вт). 

В лазере МЛТИ-1000 с угловой расходимостью 17 мрад расстояния между двояковогнутой и первой плосковыпуклой и первой плосковыпуклой и второй плосковыпуклой составляют а=40 мм и в=30 мм соответственно, при этом фокус двояковогнутой линзы был выбран -70 мм, а фокусы плосковыпуклых линз +270 мм.

В лазере МЛТ-500 с угловой расходимостью 13 мрад расстояния между двояковогнутой и первой плосковыпуклой и первой плосковыпуклой и второй плосковыпуклой составляют а=60 мм и в=40 мм соответственно, при этом фокус двояковогнутой линзы был выбран -70 мм, а фокусы плосковыпуклых линз +270 мм. 




ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ


1. Твердотельный лазер, включающий излучатель, систему зеркал и оптическую стабилизирующую систему на оптической оси, отличающийся тем, что расстояния между излучателем и оптической стабилизирующей системой и оптической стабилизирующей системой и выходом из зоны обработки выбираются от соотношения (0,8-1,2):(10-30).

2. Твердотельный лазер, включающий излучатель, систему зеркал и оптическую стабилизирующую систему на оптической оси, отличающийся тем, что оптическая стабилизирующая система выполнена трехэлементной из последовательно расположенных вдоль оси лазера двояковогнутой и двух плосковыпуклых линз, причем первая из них рассеивающая, а вторая и третья - собирающие длиннофокусные, а расстояния между двояковогнутой и первой плосковыпуклой и первой плосковыпуклой и второй плосковыпуклой находятся в пределах (1,2-1,7):(1,1-1,6).