Способ юстировки систем оптической разводки лазерного луча и устройство для его осуществления

 

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 юстировочного 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|

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И.ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОГ1ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4488844/08 (22) 03,10.88 (4.6) 07.07.92. Бюл. hh 25 (72) M.À.Ùåïàêèí (53) 621.791.72.03 (088.8) (56) Заявка Японии

hh 60 — 234788, кл. В 23 К 26/04, 1985.

Авторское свидетельство СССР

М 1506761, кл. В 23 К 26/00, 1987. (54) СПОСОБ ЮСТИРОВКИ CMCTEM OllTNЧЕСКОЙ РАЗВОДКИ ЛАЗЕРНОГО ЛУЧА И

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) 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 юстировочИзобретение 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, резки и сварки металлов с помощью лазера, Цель изобретения — упрощение способа и повышение качества юстировки систем оптической разводки лазерного луна, рас„„5U„„1745471 А1 (н)5 В 23 К 26/00; G 02 В 7/00 ного устройства. Устройство состоит иэ 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 юстировочного устройства и затем отражают ниж-. ним конусообразным зеркалом на верхний . диск, на поверхности которого в кольцевой зоне получаютоднночннн кольцепои 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, М ширение функциональных возможностей юстировочного 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 астировки, 1745471

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, ус- 5 тановленного в верхней части корпуса 1. На верхней поверхности диска 4 имеются две зоны — центральная 5 и кольцевая 6, покрытые слоем антистоксового люминофора, причем толщина слоя люминофора в цент- 10 ральной 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 15 волн, например ИК-диапазона, в видимую флуоресценцию. Верхнее значение толщины слоя люминофора в кольцевой зоне 6 выбрано столь малым иэ условия устойчивого прохождения видимого излучения флуо- 20 ресценции сквозь слой люминофора без заметного поглощения. При толщине слоя люминофора в кольцевой зоне 6 менее 50 мкм происходит ослабление яркости рефлекса от лазерного луча 7, что затрудняет 25

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 люмино- 30 фора 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 сфокуси- 35 рованного 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 40 нулевой толщины, прошедшего через центральное отверстие 3 диска 4 перпендикулярно его поверхности и отразившегося от

1 вершины конуса 2, Таким образом„диаметр центральной 45 зоны 5 определяется углом а при вершине конуса 2 и расстоянием Н от вершины конуса 2 до нижней поверхности диска 4 и нахоX дитСя пО фОрмулЕ D=2H /1д а /; g < а <ж.

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 55 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 юстировочным 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 эоны 6 от 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 h в излучение с Ь, причем ib> Лг, 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 Л=10,6 мкм, так и для Л =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 срезан. ного 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 эоны 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, 1745471

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 укаэанные на фиг. 1 параметры имеют следующие значения: ОО 8=0,2 мм, H)=5. мм, H=50 мм, Р -15О. а =0 — 10 — угол отклонения оси лазерного луча от вертикали (при значениях а >10 отклонения становятся явными).

Расчетные величины: La — удаление оси лазерного луча от вертикали, зависящее от угла падения а; d фф — диаметр лазерного а луча, прошедшего через отверстие (Оотг) под углом ha K s|.* T In ; da — размер пятна рефлекса лазерного луча на плоскости пластины, получаемый в плоскости падения лазерного луча. т.е. в плоскости фиг, 1; а vw — угол перехода вида рефлекса от пятна к кольцу, Для этих величин получены следующие зависимости:

La=2H

da eely=(Doge cosa — H< sin a);

<а

sin а+2

0отв

Н +Н

Расчетные данные этих величин для углов а =0 — 10 сведены в таблицу. отв 2

" "= "" РАЙ + H = " g 2250 + 5)=

1 о

= агсщ — = 1 т.е. при отклонении оси лазерного луча от вертикали а<1 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

5 типы люминофоров, соответствующих длине волны лазерного луча, снимает ограничения на тип юстируемой лазерной установки, что приводит к расширению технологических возможностей предлагаемого устрой10 ства.

Применение конусообразного нижнего зеркала позволяет повысить чувствительность предлагаемого устройства при малых углах отклонения оси лазерного луча от вер15 тикали, а также определять величину и направление отклонения оси лазерного луча от вертикали, что приводит к повышению точности и качества юстировки.

Формула изобретения

1, Способ юстировки систем оптической разводки лазерного луча, при котором ла- зерный луч пропускают по системе оптиче25 ской разводки, отклоняют поворотным зеркалом на фокусирующую линзу и далее на юстировочное устройство, о т л и ч а ю- . шийся тем, что, с целью упрощения способа и повышения качества юстировки, 30 луч невидимого диапазона длин волн, например инфракрасного, лазерной установки направляют на центральное отверстие юстировочного устройства и затем отражают нижним конусообразным зеркалом на

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

40 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, 45 о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей устройства, оно содержит нижнее конусообразное зеркало, обращенное вершиной вверх и соосное центральному отверстию

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

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

1745471

1745471

Составитель Л.Назарова

Техред М,Моргентал Корректор A.Oñýóëåíêî

Редактор И.Горная

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 2350 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5