Лазерно-струйное устройство



Лазерно-струйное устройство
Лазерно-струйное устройство
Лазерно-струйное устройство

Владельцы патента RU 2700340:

Федеральное государственное автономное научное учреждение "Центральный научно-исследовательский и опытно-конструкторский институт робототехники и технической кибернетики" (ЦНИИ РТК) (RU)

Изобретение относится к лазерно-струйной технологии и может применяться для локальной лазерной обработки. Лазерно-струйное устройство с вводом лазерного излучения в струйный лучевод содержит лазерный излучатель импульсно-периодического режима, малогабаритный мобильный инструмент, включающий узел формирования струйного лучевода и узел ввода лазерного излучения в струйный лучевод, оптоволоконный кабель для доставки излучения от лазера к мобильному модулю, систему снабжения инструмента жидкостью. Ввод излучения из кварцевого волокна в струйный лучевод осуществляется без дополнительных оптических элементов фокусировки излучения в струю в результате прямого перехода из кварца в жидкость, при этом диаметр струи составляет 0,5-0,8 мм, давление 3-4 бар, диаметр оболочки оптоволокна меньше диаметра сопла, свободный полированный торец оптоволокна находится на оси струи и приподнят над верхней плоскостью сопла. Технический результат заключается в упрощении конструкции и уменьшении ее габаритов. 2 ил.

 

Область техники

Изобретение относится к устройствам, использующим лазерно-струйную технологию обработки материалов с доставкой излучения по струйному лучеводу и может применяться для локальной лазерной обработки мягких материалов, а также в медицине в качестве «холодного скальпеля» для локального рассечения кроветворных биологических тканей.

Предшествующий уровень техники

Хорошо известна технология «Laser microjet» фирмы Synova, Швейцария, подробно описанная в основополагающих патентах DE 4418845 С1 от 28.09.1995 г., WO 95/32834 от 07.12.1996 г., US 5,902,499 от 11.05.1999 "Method and apparatus for machining material with a liquid guided laser beam». В основе технологии «Laser microjet» лежит способ формирования устойчивой ламинарной микроструи и канализация в нее, как в лучевод, лазерного излучения с целью доставки и локализации зоны воздействия на объекте с одновременным удалением из нее тепла и продуктов обработки.

Известное устройство предполагает использование микроструй (на основе воды, минеральных масел и т.д.) диаметром менее ста микрон со скоростями до сотен метров в секунду и давлением более сотни бар. Как показал опыт многолетнего промышленного применения, устройство позволяет в полной мере реализовать достоинства технологии "Laser microjet" для целого ряда уникальных применений, широко описанных в литературе (T.A. Mai, N.U. Kling, N. Vago, B. Richerzhagen, K. Stray. «Laser microjet® technology - Fundamental Study and highlights of it's latest applications)). ALAC 2007, Boston, USA. 25.09.2007, pp. 1-9; F.Wagner, O. Sibailly, N. Vago, R. Romanowicz, B. Richerzhagen. «The Laser microjet® technology - 10 years of development)). ICALEO 2003. Jacksonville, USA, 13.10.2003), позволяет производить обработку глубоких отверстий, ультратонкую обработку твердых материалов и, в частности, изготавливать коронарные медицинские стенты высокого качества.

В то же время для ряда технологических применений, в частности, для резки мягких и легко обрабатываемых материалов (В.Ю. Холодный, А.Ф. Саленко. «Применение лазерно-струйного метода обработки для перфорирования сотового заполнителя авиационных сэндвич-панелей)). Восточно-Европейский журнал передовых технологий, 1/5 (79), 2016, с. 19-30), для рассечения биологических тканей (Агеева С.А., Минаев В.П. «Современные лазерные скальпели как основа внедрения высокоэффективных и стационарозамещающих технологий в оториноларингологии)). Национальный медицинский каталог 2003, 1(2), стр. 62-68), требования к плотности энергии лазерного излучения в струйном лучеводе, по сравнению с известным устройством "Laser microjet", могут быть значительно снижены. При этом, преимущества, связанные с использованием принципа доставки лазерного излучения по струйному лучеводу, сохраняются и могут быть реализованы в новом существенно более простом устройстве, являющемся предметом настоящего изобретения.

Раскрытие сущности предлагаемого изобретения.

Предлагаемое изобретение относится к лазерно-струйной обработке материалов с доставкой излучения по струйному лучеводу. Оно позволяет упростить известное устройство - прототип ("Laser microjet" Synova, Патент US 5,902,499) и использовать в нем новые решения, в частности, прямой ввод излучения из оптоволокна в струйный лучевод.

Известное устройство для реализации принципа лазерно-струйной обработки «Laser microjet)) предполагает локализацию лазерного излучения с высокой плотностью энергии в ламинарной микроструе жидкости диаметром в несколько десятков микрон. При этом длина волны лазера выбирается в области поглощения обрабатываемого материала и в области прозрачности жидкости, формирующей струю.

Формирование устойчивых микроструй с диаметрами в несколько десятков микрон требует необходимости использования высоких (более сотни бар) давлений жидкости и микросопел с уникальной геометрией и сложной технологией изготовления.

Увеличение диаметра струйного лучевода приводит к снижению плотности энергии в зоне обработки и некоторому ограничению возможностей обработки, но при этом существенно упрощает устройство для формирования ламинарной устойчивой струи. Как показали эксперименты, водяные струи диаметром от 0,5 до 0,8 мм устойчивы при скоростях, не превышающих десятка метров в секунду, давлениях 3-5 бар и могут формироваться в простых цилиндрических соплах, изготавливаемых обычным сверлением.

В результате, в предлагаемом лазерно-струйном устройстве требования, предъявляемые к системе формирования струи, а также к системе ввода в нее лазерного излучения, резко упрощаются, а сам лазерный инструмент перестает быть уникальным.

Узел ввода лазерного пучка в струю в области сопла имеет новую простую конфигурацию, предполагающую непосредственный вход пучка из кварцевого оптоволокна в струйный лучевод (переход кварц - жидкость) и исключающую необходимость дополнительных оптических элементов.

На Фиг. 1 приведены конфигурации системы ввода излучения "Laser microjet" Synova (а) и предлагаемого устройства (б).

На Фиг. 2 приведено взаимное расположение торца оптоволокна и цилиндрического сопла.

В известной системе прототипа (Фиг. 1(а)) излучение лазера 1 после доставки по оптоволокну 2 расширяется коллиматором 3 и попадает на линзу 4, фокусирующую излучение через окно 5 в плоскость сопла 6. Далее излучение по струйному лучеводу 7 доставляется на объект обработки 8.

Окно 5, разделяющее водяную и воздушную среды, в этом случае изготовлено из материала, пропускающего лазерное излучение (стекло). Кроме этого, разделительное окно в конструкции устройства «Laser microjet» (Фиг. 1) располагается вблизи плоскости фокусировки излучения, и его нижняя грань, граничащая с жидкостью, подвергается значительным лучевым нагрузкам и риску возникновения оптического пробоя, в особенности, если на нее нанесено просветляющее покрытие.

В предлагаемом устройстве (Фиг. 1б) система фокусировки исключена, а оптоволокно 2 через разделительный элемент 9, например, стандартную оптоволоконную феррулу, вводится непосредственно в рабочую жидкость, например, в воду таким образом, чтобы открытый полированный торец оптоволокна располагался напротив оси сопла 6. Жидкость в обоих случаях может подаваться в инструмент через несколько отверстий 10, расположенных симметрично относительно оси струйного лучевода 7.

Ввод излучения из оптоволокна с диаметром керна d в струйный лучевод, формируемый соплом диаметром D (Фиг. 2), может осуществляться без потерь при условии, что диаметр оболочки оптоволокна меньше диаметра сопла, и полированный торец приподнят над верхней плоскостью сопла на расстояние h, не превышающее значение, определяемое соотношением:

где NA - значение числовой апертуры кварцевого волокна, а -коэффициент преломления жидкости, формирующей струйный лучевод (для воды ).

В реализованном лазерно-струйном устройстве в качестве источника излучения используется иттербиевый оптоволоконный импульсно-периодический лазер ИРЭ «Полюс» YLPM-1-4×200-20-20 с пиковой мощностью до нескольких десятков киловатт, длительностью импульса в несколько десятков наносекунд и средней мощностью до 20 Вт. Излучение лазера выводится через серийное многомодовое кварцевое оптоволокно 315/400 мкм с диаметром керна d=315 мкм, NA=0,22.

Предпочтительный диаметр цилиндрического сопла, изготовленного из металла, составляет D=0,5 мм, высота цилиндра - 3 мм, наибольшее удаление торца волокна от сопла, вычисленное по формуле (1), составляет для воды: h=0,55 мм. Как показали эксперименты, целесообразно выпустить торец оптоволокна из феррулы на расстояние H, равное 2-3 мм (Фиг. 2).

Технический результат, достигаемый предлагаемым изобретением, сводится к формированию устойчивой ламинарной струи, эффективному вводу в нее лазерного излучения и к достижению преимуществ, присущих лазерно-струйной обработке, в сочетании с простотой устройства для его реализации.

Локализация в струе импульсно-периодического лазерного излучения с высокой пиковой и средней мощностью обеспечивает возможность точной обработки мягких материалов (например, полистирола), а также позволяет производить рассечение кроветворных биологических тканей в результате испарительной абляции. Как показали эксперименты, проводимые на образцах говяжьей печени in vitro, наличие эффекта охлаждения зоны обработки, локализованной струйным лучеводом, обеспечивает локальную коагуляцию краев разреза без карбонизации шва и термического перегрева прилегающих к нему областей.

В качестве жидкости в технологических применениях может использоваться вода, в медицинских применениях - водный физиологический раствор.

Промышленная применимость.

Устройство может найти применение в технологии тонкой обработки мягких конструкционных пластиков, а также в области лазерной хирургии, в качестве «холодного скальпеля» для рассечения кровонасыщенных биологических тканей.

Лазерно-струйное устройство с вводом лазерного излучения в струйный лучевод, содержащее лазерный излучатель импульсно-периодического режима, малогабаритный мобильный инструмент, включающий узел формирования струйного лучевода и узел ввода лазерного излучения в струйный лучевод, оптоволоконный кабель для доставки излучения от лазера к мобильному модулю, систему снабжения инструмента жидкостью, отличающееся тем, что ввод излучения из кварцевого волокна в струйный лучевод осуществляется без дополнительных оптических элементов фокусировки излучения в струю в результате прямого перехода из кварца в жидкость, при этом диаметр струи составляет 0,5-0,8 мм, давление 3-4 бар, диаметр оболочки оптоволокна меньше диаметра сопла, свободный полированный торец оптоволокна находится на оси струи и приподнят над верхней плоскостью сопла.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к установкам для производства оптических микрорезонаторов. Техническим результатом является повышение качества микрорезонаторов.

Изобретение относится к области цифровой техники. Технический результат - расширение функциональных возможностей стандартного разъема универсальной последовательной шины за счет увеличения скорости передачи данных на расстояния, соответствующие оптоволоконным линиям.

Изобретение относится к светоизлучающим устройствам. Устройство (100, 200, 300) содержит тело (10) из твердого материала, имеющее поверхность (11), световодный элемент (101, 110), частично заделанный в упомянутое тело, и множество твердотельных источников (12) света.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к средствам измерения угловых перемещений. Волоконно-оптический датчик угла поворота состоит из микроконтроллера, лазерного диода, оптического делителя мощности, фотодетектора, двух отрезков оптического волокна, свернутых в полукольца и оптически соединяющих лазерный диод с фотодетекторами.

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может найти применение для изготовления волоконных брэгговских решеток, длиннопериодных решеток показателя преломления.

Способ формирования композитной конструкции, содержащей структурированные элементы для задания оптической траектории, включает создание основания из первого материала, задающего первый структурированный элемент; введение второго материала в сквозное отверстие, заданное в основании, где второй материал отличен от первого материала; и штамповку второго материала, чтобы структурно присоединить второй материал к основанию и задать второй структурированный элемент на втором материале, таким образом формируя композитную конструкцию, содержащую основание из первого материала и вспомогательную часть из второго материала с созданным на ней вторым структурированным элементом.

Изобретение относится к электротехнике, к конструкциям оптических модулей и кабелей, использующихся в системах связи и передачи информации, и в частности в судовых кабелях, в кабелях для геофизических исследований, кабелях-датчиках физических величин.

Изобретение относится к оптическому волокну. Оптическое волокно включает стеклянное волокно и покровный полимерный слой.

Изобретение относится к средствам воспроизведения объемного статического изображения. Панель объемного растрового изображения с замкнутым волноводом выполнена из плотно скрепленных между собой растровой пластины и проекционной пластины.

Изобретение относится к осветительной системе против обрастания, которая выполнена с возможностью предотвращения или уменьшения биообрастания на обрастающей поверхности объекта, которая во время использования подвергается воздействию жидкости.

Способ когерентного сложения включает в себя разделенное на каналы лазерное излучение, направленное на соответствующие каналам фазовые модуляторы. После прохождения фазовых модуляторов все каналы выставляют параллельно друг другу, при этом волновой фронт в каждом канале делают плоским.

Устройство для совмещения нескольких лучей включает в себя: секцию сдвига фаз, секцию наложения, секцию регистрации и секцию регулирования фазы. Секция сдвига фаз формирует группу лазерных лучей со сдвигом фаз за счет выполнения сдвига фаз для каждого луча из группы лазерных лучей.

Изобретение относится к области исследований кристаллохимической и магнитной структуры твердых тел, строения биологических объектов, а также сред с естественной или наведенной оптической анизотропией оптическими методами и предназначено для анализа и контроля поляризации используемого излучения.

Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к адаптивной оптике, и может быть использовано при построении адаптивных оптических систем. .

Изобретение относится к области оптического приборостроения, в частности к преобразователям оптического излучения, преобразователям теплового изображения в кристаллах, приборам для измерения оптических характеристик в зависимости от оптического знака кристалла.

Изобретение относится к устройствам для измерения вибраций и перемещений и может быть использовано для измерения параметров вибрации и перемещений в процессе испытания и эксплуатации различных изделий.

Изобретение относится к области получения наноструктурированных порошков твердых растворов на основе иттрий-алюминиевого граната, легированных редкоземельными элементами для производства керамики, используемой в качестве активной среды твердотельного лазера, термостойкого высокотемпературного электроизоляционного материала, окон или линз в оптических приборах, оптических элементах в ИК области спектра.

Изобретение относится к лазерно-струйной технологии и может применяться для локальной лазерной обработки. Лазерно-струйное устройство с вводом лазерного излучения в струйный лучевод содержит лазерный излучатель импульсно-периодического режима, малогабаритный мобильный инструмент, включающий узел формирования струйного лучевода и узел ввода лазерного излучения в струйный лучевод, оптоволоконный кабель для доставки излучения от лазера к мобильному модулю, систему снабжения инструмента жидкостью. Ввод излучения из кварцевого волокна в струйный лучевод осуществляется без дополнительных оптических элементов фокусировки излучения в струю в результате прямого перехода из кварца в жидкость, при этом диаметр струи составляет 0,5-0,8 мм, давление 3-4 бар, диаметр оболочки оптоволокна меньше диаметра сопла, свободный полированный торец оптоволокна находится на оси струи и приподнят над верхней плоскостью сопла. Технический результат заключается в упрощении конструкции и уменьшении ее габаритов. 2 ил.

Наверх