Лазерное устройство маломодового излучения для термической обработки материала

 

Изобретение относится к обработке материалов лазерным (Л) излучением и может быть использовано для поверхностного упрочнения изделий из металлов и сплавов, для Л сварки и резки. Л устройство содержит основной и по крайней мере один дополнительный генераторы (Г) с активными элементами и с оптической системой (ОП), преобразующей сходящиеся от отдельных Г лучи в узкий параллельный пучок. Излучение Г направлено в одну точку, расположенную в фокусе ОП, угол ϕ удовлетворяет условию tgϕ<(D-d)/F , где ϕ - угол схождения лучей, D - диаметр апертурной диафрагмы ОП, d - диаметр луча парциального Г в месте расположения диафрагмы, F - фокусное расстояние ОП. 5 ил.

Изобретение относится к обработке материалов лазерным излучением и может быть использовано в машиностроении для повеpхностного упрочнения изделий из металлов и сплавов, для лазерной резки, сварки, наплавки, для очистки повеpхности и других видов обработки материалов.

Известен (Т.Т. Баисев, А.Н. Кравец и др. "Квантовая электроника", 1991, т. 18, N 2, с. 223-224) технологический ИАГ-Nd-лазер с модуляцией добротности, состоящий из двух активных элементов, один из которых расположен в плоском резонаторе и образует задающий генератор, а другой - расположенный последовательно с ним активный элемент - используют как усилитель. Для получения одномодового режима генерации в резонатор помещают диафрагму.

Недостатками данного устройства являются существенная потеря мощности излучения, чрезмерные тепловые нагрузки на диафрагму, низкий ресурс работы.

Известен (Т.Т. Басиев, А.Н. Кравец и др. "Квантовая электроника", 1991, т. 18, N 7, с. 822-824) трехкаскадный усилитель одномодовогоо излучения ИАГ: Nd-лазера, задающий генератор которого содержит активный элемент, расположенный между выпуклым глухим зеркалом и плоским выходным зеркалом. Реализация одномодового режима генерации с гауссовым профилем распределения интенсивности достигается тем, что радиус кривизны глухого зеркала и его положение в резонаторе выбраны из условия соответствия диаметра пятна нулевой моды и диаметра активного элемента.

Недостатком данного устройства является то, что компенсация термолинзы, наведенной в активном элементе, осуществляется только в задающем генераторе и не осуществляется в последующих усилительных каскадах. Этот недостаток приводит к существенному ограничению мощности излучения лазерного устройства.

Другой недостаток состоит в том, что временные и энергетические параметры лазерного излучения определяются режимом работы задающего генератора и не могут изменяться в достаточно широких пределах, необходимых для различных видов лазерной обработки.

Цель изобретения - увеличение мощности маломодового излучения и его пространственной яркости, расширение диапазона вариации временных, энергетических и пространственных параметров излучения в зоне лазерного воздействия.

Поставленная цель достигается тем, что устройство дополнительно снабжено по крайней мере еще одним генератором и оптической системой, преобразующей сходящиеся от отдельных парциальных генераторов лучи в узкий параллельный пучок, при этом излучение генераторов направлено в одну точку, расположенную в фокусе оптической системы, а угол ϕ схождения лучей удовлетворяет условию tgϕ < где D - диаметр апертурной диафрагмы оптической системы, d - диаметр луча парциального генератора в месте расположения апертурной диафрагмы, F - фокусное расстояние оптической системы.

Отличием данного устройства от прототипа является то, что активные элементы соединены в оптическую систему не последовательно, а параллельно, что достигается с помощью оптической системы, преобразующей сходящиеся от отдельных генераторов лучи в узкий параллельный пучок, при этом излучение генераторов направлено в одну точку, расположенную в фокусе оптической системы, а угол схождения лучей удовлетворяет условию (1).

Предлагаемое устройство может быть изготовлено на базе любых серийно выпускаемых твердотельных технологических лазеров с непрерывной или импульсной накачкой и их различных комбинаций, что существенно расширяет диапазон вариации временных, энергетических и пространственных параметров лазерного излучения по сравнению с прототипом, в котором использованы ИАГ:Nd-лазеры типа ЛТН-103 с непрерывной накачкой и модуляцией добротности кристаллами LiF:F₂^-.

Благодаря тому, что активные элементы соединены в оптическую схему не последовательно, а параллельно, средняя суммарная мощность лазерного излучения может достичь несколько кВт и более и ограничена только оптической стойкостью системы, преобразующей сходящиеся лучи от парциальных генераторов в параллельный пучок. Указанная оптическая система может быть выполнена на основе собирающей линзы (фиг. 1), рассеивающей линзы (фиг. 2) или вогнутого зеркала (фиг. 3). В этом случае диаметр апертурной диафрагмы совпадает с диаметром линзы (или зеркала), а ее положение совпадает с главной плоскостью линзы (зеркала) (например, кн.: Б.Н. Бегунов. Геометрическая оптика. М. : МГУ, 1966, с. 57-60, с. 24). Благодаря тому, что парциальные генераторы имеют неустойчивые резонаторы (фиг. 4) с выпуклым глухим зеркалом и плоским выходным зеркалом, расходимость излучения может быть минимальной вплоть до дифракционной.

Для реализации одномодового режима генерации с минимальной расходимостью и гауссовым профилем распределения интенсивности радиус кривизны глухого зеркала и его положение относительно активного элемента выбирают из условия соответствия размеров диаметра пятна нулевой моды и диаметра активного элемента. В этом случае термолинза, наведенная в активном элементе, и выпуклое глухое зеркало образуют телескопическую систему. Известно (например, кн.: ГО.М. Зверев и др. Лазеры на алюмонатриевом гранате с неодимом. - М.: 1985. - С. 40-43), что расстояние главной плоскости термолинзы от торца активного элемента h=l/2n, где l - длина активного элемента, n - его показатель преломления. Телескопическая схема задающего генератора реализуется при выполнении условия f=R+ с+ l/2n, (2) где f - фокусное расстояние термолинзы, наведенной в активном элементе, определяемое экспериментально, R - радиус кривизны глухого зеркала, с - расстояние между вершиной зеркала и торцем активного элемента.

Из условия (2) следует, что при неизменных значениях f и l R=f-c-l/2n=max при с=0.

Поэтом получаем условие R≅f-l/2n=R_max.

В то же время при R< существенно возрастает плотность мощности на поверхности зеркала, а при R<2d, где d_o - диаметр активного элемента, резко возрастают дифракционные потери. Поэтому необходимо, чтобы R> d_o. Таким образом 2d_o< R≅f-/2n. (3)
При увеличении мощности накачки f уменьшается, поэтому уменьшают расстояние с путем перемещения глухого зеркала так, чтобы диаметр пятна нулевой моды равнялся диаметру активного элемента, что обеспечивает лучшее заполнение активных элементов и, как результат, большой энергосъем и КПД лазера. При этом на люминесцентном экране, расположенном на выходе парциального генератора наблюдают с помощью объектива одномодовую структуру излучения с гауссовым профилем распределения интенсивности.

Расстояние между вершиной выпуклого зеркала и торцем активного элемента находят по формуле
с=f-R-l/2n (4)
Так для ИАГ: Nd - лазера с непрерывной накачкой типа ЛТН-103 при f=480 мм, R=400 мм, l=100 мм, n=1,816; с=52 мм.

Лучи от парциальных генераторов направлены в одну точку, расположенную в фокусе оптической системы (фиг. 1, 2, 3), а угол схождения лучей удовлетворяет условию (1). Чем меньше ϕ , тем уже результирующий пучок. Минимальное значение ϕограничено конструктивными размерами лазерного устройства и может быть уменьшено с помощью вспомогательных поворотных зеркал. При ^tgϕ происходит потеря лазерного излучения, так как некоторая часть его не попадает в оптическую систему. При tgϕ =(D-d)/F часть излучения теряется из-за дифракции на краях диафрагмы. Например, при D=40 мм, d=6 мм, F=100 мм, ϕ< 19^о. При многомодовом режиме генерации расходимость лазерного излучения составляет 15 -20 мрад, поэтому выполнение условия (1) связано со значительными потерями мощности излучения и невозможностью преобразования пучка лучей от парциальных генераторов в один параллельный пучок.

При использовании неустойчивого резонатора и выполнении условий (3), (4) достигается одномодовый режим генерации с расходимостью излучения 1-2 мрад, то есть на порядок меньше, чем в многомодовом режиме. Поэтому реализация условия (1) при преобразовании сходящегося пучка от парциальных генераторов в один параллельный пучок сопровождается минимальными потерями мощности лазерного излучения. Этот параллельный пучок можно направить на значительное расстояние, и последующая фокусировка его на поверхности обрабатываемого изделия позволяет получтиь пятно малого размера с высокой пространственной яркостью, так как излучение каждого парциального генератора обладает высокой временной и пространственной когерентностью, а число мод в зоне лазерного воздействия ограничено и равно числу парциальных генераторов.

В предлагаемом устройстве средняя мощность излучения в 1,4-1,6 раза выше, чем в прототипе при том же числе используемых квантронов, равном четырем. При увеличении числа квантронов это преимущество возрастает, так как, в отличие от прототипа, наведенная термолинза компенсируется в каждом активном элементе. Так при использовании шести квантронов на базе трех лазеров типа ЛИТ-500 достигается средняя мощность излучения предлагаемого устройства равная 2 кВт. При синхронной накачке всех активных элементов с рабочей частотой 150 Гц энергия импульса излучения достигает 13,3 Дж. Путем сдвига фаз между импульсами накачки можно в широких пределах измерять энергию импульсов излучения и частоту их следования при неизменной средней мощности излучения. При этом расходимость излучения парциального генератора в 10 раз меньше, чем лазера ЛИТ-500.

На фиг. 5 приведена оптическая схема лазерного устройства маломодового излучения для термической обработки материалов.

Устройство содержит закрепленные неподвижно на основании по ходу световых лучей выпуклые глухие зеркала 1-6, активные элементы 7-12, пропускающие плоские зеркала 13-18, собирающую линзу 19, объектив 20, обрабатываемое изделие 21.

Устройство работает следующим образом. Лазерное излучение, возникающее при оптической накачке активных элементов 7-12, направляется в одну точку, расположенную в фокусе оптической системы (например, собирающей линзы), которое преобразует сходящиеся лучи в узкий параллельный пучок. Этот пучок фокусируется затем объективом 20 на поверхности обрабатываемого изделия 21. Таким образом, каждый активный элемент, расположенный между выпуклым глухим зеркалом и плоским выходным зеркалом, образует парциальный генератор одномодового излучения при выполнении условий (3), (4). Мощность излучения парциальных генераторов складывается аддитивно при его фокусировке на поверхности обрабатываемого изделия.

При использовании для фокусировки цилиндрической линзы, на поверхности обрабатываемого изделия получают одну или несколько параллельных эквидистантных полос, число которых равно числу парциальных генераторов. Ширина полос и расстояние между ними определяются величиной смещения поверхности обрабатываемого изделия от фокальной плоскости объектива 20. Яркость этих полос в сотни раз выше, чем в аналоге, благодаря более высокой плотности мощности лазерного излучения и его высокой когерентности. При этом можно изменять яркость в каждой полосе и сдвиг фаз между ними, так как каждый парциальный генератор может излучать независимо от других генераторов или согласованно с ними, что существенно расширяет технологические возможности предлагаемого устройства.

Предлагаемое устройство позволяет получить маломодовое излучение в 1,4-1,6 раз выше, чем у прототипа при одинаковом числе используемых квантронов благодаря компенсации термолинзы, наведенной в каждом активном элементе, что сопровождается увеличением пространственной яркости сфокусированного излучения.

Соединение парциальных генераторов в параллельную оптическую схему позволяет изменять в широких пределах временные, энергетические и пространственные параметры излучения в зоне лазерного воздействия, повысить эффективность и качество обработки материалов.

Формула изобретения

ЛАЗЕРНОЕ УСТРОЙСТВО МАЛОМОДОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛА, содержащее генератор с выпуклым глухим зеркалом и пропускным выходным зеркалом и расположенным между зеркалами активным элементом, объектив, фокусирующий лучи на поверхность обрабатывающего материала, отличающееся тем, что оно снабжено по крайней мере одним дополнительным генератором с активным элементом и оптической системой, при этом активные элементы генераторов соединены параллельно, излучение генераторов направлено в одну точку, расположенную в фокусе оптической системы, а угол ϕ схождения лучей удовлетворяет условию
tgϕ < (D-d) / F ,
где D - диаметр апертурной диафрагмы оптической системы;
d - диаметр луча парциального генератора в месте расположения апертурной диафрагмы;
F - фокусное расстояние оптической системы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5