Устройство для фокусировки лазерного излучения

 

Изобретение относится к области лазерной техники и может быть использовано в качестве фокусирующей системы для мощного лазерного излучения при создании лазерных технологических комплексов. Устройство для фокусировки лазерного излучения содержит входной и выходной аксиконы, периферийные отражающие поверхности которых расположены на корпусе. Устройство также снабжено устройством для подачи хладагента, двумя соплами, стержнем и пилонами, при этом внутренние отражающие поверхности аксиконов смонтированы на стержне, последний связан с корпусом пилонами, выполнен полым и разделен на два отсека герметичной перегородкой. Сопла закреплены на боковых поверхностях герметичной перегородки, размещены в отсеках с образованием каналов для прохода хладагента, а их выходы направлены в стороны внутренних отражающих поверхностей аксиконов. В одном пилоне выполнены каналы, входы которых подсоединены к устройству для подачи хладагента, а выходы гидравлически связаны с отсеками, которые гидравлически связаны с каналами для выхода хладагента, предусмотренными во втором и/или третьем пилоне. Технический результат – повышение лучевой плотности и мощности (энергии) фокусируемого излучения. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области лазерной техники и может быть использовано в качестве фокусирующей системы для мощного лазерного излучения при создании лазерных технологических комплексов.

Известно фокусирующее устройство, содержащее корпус (трубу), закрепленное в корпусе главное зеркало, оптически сопряженное с главным зеркалом малое зеркало, размещенное в оправе, связанной с корпусом посредством трех пилонов (см. Оптические и инфракрасные телескопы 90-х годов. Под ред. А. Хьюит. М.: Мир, 1983, стр. 110).

Известно устройство для фокусировки лазерного излучения, содержащее аксикон, выходная периферийная отражающая поверхность которого оптически сопряжена с входной внутренней конической отражающей поверхностью таким образом, что фокус параллельного входного пучка излучения расположен за периферийной отражающей поверхностью (см. L.W.Casperson and M.S.Shechani Breakdown in a Radial-Mode Focusing Element.// Appl. Opt., v. 13, №1, 1974, pp. 104-108).

Наиболее близким техническим решением (прототипом) к предлагаемому изобретению является устройство для фокусировки лазерного излучения, содержащее входной и выходной аксиконы, периферийные отражающие поверхности которых расположены на корпусе (см. W.R.Edmonds. The Reflaxicon, a New Reflective Optical Element, and Some Applications. // Appl. Opt., v. 12, №8, 1973, pp. 1940-1945).

Недостатком всех приведенных конструкций является ограничение фокусируемого лазерного излучения по мощности (энергии), что снижает эксплуатационные характеристики устройства.

Технический результат от использования предлагаемого технического решения заключается в расширении эксплуатационных характеристик и повышении срока службы.

В соответствии с предлагаемым изобретением вышеуказанный технический результат достигается тем, что в устройстве для фокусировки лазерного излучения, содержащем входной и выходной аксиконы, периферийные отражающие поверхности которых расположены на корпусе, дополнительно содержится устройство для подачи хладагента, два сопла, герметичная перегородка, стержень и пилоны, при этом внутренние отражающие поверхности аксиконов смонтированы на стержне, последний связан с корпусом пилонами, выполнен полым и разделен на два отсека герметичной перегородкой, сопла закреплены на боковых поверхностях герметичной перегородки, размещены в отсеках с образованием каналов для прохода хладагента, а их выходы направлены в стороны внутренних отражающих поверхностей аксиконов, в одном пилоне выполнены каналы, входы которых подсоединены к устройству для подачи хладагента, а выходы гидравлически связаны с отсеками, которые гидравлически связаны с каналами для выхода хладагента, предусмотренными во втором и/или третьем пилоне.

Кроме того, полость стержня выполнена цилиндрической формы с донными сужениями, направленными в стороны внутренних отражающих поверхностей аксиконов.

Кроме того, донные сужения полости стержня выполнены коническими.

Кроме того, устройство для фокусировки лазерного излучения дополнительно содержит устройства виньетирования лазерного излучения, расположенные перед пилонами со стороны входа излучения.

Кроме того, устройства виньетирования лазерного излучения выполнены в виде закрепленных на корпусе охлаждаемых пальцев цилиндрической формы.

Кроме того, охлаждаемые пальцы выполнены диаметром, равным или превышающим толщину пилонов в поперечном сечении.

Кроме того, устройство для фокусировки лазерного излучения выполнено из двух жестко связанных половин с линией разъема в продольном сечении устройства, проходящей через срединные области корпуса, пилонов, стержня и герметичной перегородки.

На фиг.1 представлено предлагаемое устройство для фокусировки лазерного излучения (со стороны входа лазерного излучения), на фиг.2 - то же, сечение А-А на фиг.1, на фиг.3 - устройство, выполненное из двух половин.

Устройство содержит входной 1 и выходной 2 аксиконы, выполненные в виде периферийных конусообразных отражающих поверхностей 3 и 4, расположенных на корпусе 5, и внутренних конусообразных отражающих поверхностей 6 и 7, смонтированных на стержне 8, связанном с корпусом 5 посредством пилонов 9 (например, в количестве трех), и оптически сопряженных между собой через поверхности 3 и 4.

В стержне 8 предусмотрена полость 10 цилиндрической формы, расположенная вдоль оптической оси устройства, имеющая сужающиеся донные участки конической формы, направленные в стороны внутренних отражающих поверхностей 6 и 7 аксиконов 1 и 2. Устройство снабжено также соплами 11 и 12 и герметичной перегородкой 13, разделяющей полость 10 на два отсека 14 и 15. Сопла 11 и 12 закреплены на боковых поверхностях перегородки 13, размещены в отсеках 14 и 15 с образованием каналов (зазоров) для прохода хладагента и направлены своими выходами в сторону донных участков полости 10.

В одном из пилонов 9 устройства выполнены радиальные каналы 16 и 17, гидравлически связанные через сопла 11 и 12 с отсеками 14 и 15, которые, в свою очередь, гидравлически связаны с каналами 18 и 19 (см. фиг.1, фиг.2), выполненными во втором и/или третьем пилонах 9 для выхода хладагента (оба канала 18 и 19 могут быть выполнены также в одном из пилонов 9).

Для предотвращения лучевой нагрузки на пилоны 9 в конструкции предусмотрены устройства виньетирования лазерного излучения в виде радиальных цилиндрических пальцев 20, установленных в корпусе 5 перед пилонами 9 со стороны входа фокусируемого излучения. Пальцы 20 выполнены с наружным диаметром D, равным или превышающим толщину пилонов 9 в поперечном сечении, для обеспечения полного перекрытия (виньетирования) лазерного излучения, падающего на пилоны 9.

Пальцы 20 выполнены в виде гильз, в которых коаксиально последним втулки 21 для подачи хладагента, связанные герметичным пояском с гильзами, на которых предусмотрены патрубки 22 для выхода хладагента.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Лазерное излучение от источника (не показан) подается на внутреннюю коническую отражающую поверхность 6 аксикона 1 и, отражаясь от последней, попадает на его периферийную коническую отражающую поверхность 3, чем достигается формирование пучка кольцевого сечения.

Пучок кольцевого сечения подается на периферийную коническую отражающую поверхность 4 аксикона 2 и далее на его внутреннюю отражающую поверхность 7, выполненную торообразной формы с образующей в виде параболы. Излучение, отраженное от поверхности 7, собирается в точке F (фиг.2), формируя фокальную область с повышенным уровнем плотности лазерного излучения, которое может быть использовано в технологических процессах, где целесообразно применение лазерной обработки материалов.

Теплоотвод от внутренних отражающих поверхностей 6 и 7 и примыкающих к ним приповерхностных слоев конструкционного материала (как наиболее "нагруженных" лазерным излучением) производится за счет подачи хладагента (устройство подачи хладагента условно не показано) в каналы 16 и 17 одного из пилонов 9 и далее через сопла 11 и 12 в отсеки 14 и 15 полости 10.

После отбора тепловой энергии от отражающих поверхностей 6 и 7 и примыкающих к ним приповерхностных слоев хладагент отводится по каналам 18 и 19 второго и третьего пилонов 9.

Пальцы 20, установленные перед пилонами 9 и виньетирующие пучок лазерного излучения кольцевого сечения, полностью затеняют последние, чем исключается их "подгорание" и тепловая деформация.

Охлаждение пальцев 20 осуществляется аналогично охлаждению внутренних отражающих поверхностей 6 и 7 аксиконов 1 и 2.

Для повышения технологичности изготовления устройство может быть выполнено из двух половин I и II с линией разъема Б (см. фиг.3), проходящей через срединные области (участки) основания 5, пилонов 9, корпуса 8 и герметичной перегородки 13.

Из вышеизложенного следует, что предложенная конструкция за счет принудительного охлаждения элементов, испытывающих повышенную лучевую нагрузку, позволяет фокусировать лазерные пучки с повышенной плотностью излучения, а следовательно, с повышенной мощностью (энергией), что расширяет эксплуатационные возможности и увеличивает срок службы фокусатора.

Таким образом, предложенное устройство при реализации дает положительный технический результат, а именно расширяет эксплуатационные возможности и увеличивает срок службы.

По материалам заявки на предприятии изготовлен макетный образец изделия (паяной конструкции на основе меди), который подтвердил достижение вышеуказанного результата при его испытаниях.

Формула изобретения

1. Устройство для фокусировки лазерного излучения, содержащее входной и выходной аксиконы, периферийные отражающие поверхности которых расположены на корпусе, отличающееся тем, что оно снабжено устройством для подачи хладагента, двумя соплами, стержнем и пилонами, при этом внутренние отражающие поверхности аксиконов смонтированы на стержне, последний связан с корпусом пилонами, выполнен полым и разделен на два отсека герметичной перегородкой, сопла закреплены на боковых поверхностях герметичной перегородки, размещены в отсеках с образованием каналов для прохода хладагента, а их выходы направлены в стороны внутренних отражающих поверхностей аксиконов, в одном пилоне выполнены каналы, входы которых подсоединены к устройству для подачи хладагента, а выходы гидравлически связаны с отсеками, которые гидравлически связаны с каналами для выхода хладагента, предусмотренными во втором и/или третьем пилоне.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что полость стержня выполнена цилиндрической формы с донными сужениями, направленными в стороны внутренних отражающих поверхностей аксиконов.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что донные сужения полости стержня выполнены конической формы.

4. Устройство по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит устройства виньетирования лазерного излучения, расположенные перед пилонами со стороны входа излучения.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что устройства виньетирования лазерного излучения выполнены в виде закрепленных на корпусе охлаждаемых пальцев цилиндрической формы.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что охлаждаемые пальцы выполнены диаметром, равным или превышающим толщину пилонов в поперечном сечении.

7. Устройство по любому из пп.1-6, отличающееся тем, что оно выполнено из двух жестко связанных половин с линией разъема в продольном сечении устройства, проходящей через срединные области корпуса, пилонов, стержня и герметичной перегородки.

РИСУНКИ