Пристрій для перетворення пучка лазерного випромінювання

Реферат: Пристрій для перетворення пучка лазерного випромінювання з оптичним елементом у вигляді дзеркала. Його дзеркальна поверхня має мозаїчну структуру, а кожен її елемент має привод нахилу на визначений кут. UA 86594 U (12) UA 86594 U UA 86594 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до технології лазерної обробки і може бути використана в обробній промисловості для створення заданого характеру розподілу інтенсивності в пучку лазерного випромінювання на поверхні заготовки. Відомий оптичний елемент для створення заданого характеру розподілу інтенсивності в пучку лазерного випромінювання у вигляді циліндра, виготовленого із прозорого для випромінювання матеріалу, в якому обидва торці виготовлені у вигляді увігнутої конічної поверхні, причому кути біля її основи рівні між собою та складають 45°. Оптичний елемент такої форми перетворює пучок випромінювання круглого поперечного перерізу з максимумом інтенсивності в його центральній частині в пучок із зміщеним на його периферію максимумом інтенсивності [1]. Такий розподіл має переваги лише для інструменту в операціях розмірної обробки отворів, але він недієздатний при інших видах обробки (поверхневе загартування, зварювання тощо). Недоліком такого засобу перетворення пучка випромінювання є можливість створення лише одного характеру розподілу інтенсивності на поверхні заготовки. Також відомий пристрій з оптичним елементом у вигляді дзеркала для створення довільного характеру розподілу інтенсивності в пучку лазерного випромінювання на поверхні заготовки, причому в відомій конструкції це досягається наданням поверхні дзеркала під час його виготовлення вигляду фазового оптичного елемента, що перетворює його у відбиваючу зонну пластинку з регулярним мікрорельєфом [2]. Недоліком такого пристрою є складність визначення профілю рельєфу, відсутність реальної промислової технології його виготовлення, а також обмежена можливість використання в зв'язку з вимогою створення висоти рельєфу не більше величини  \ 2 (  - довжина хвилі випромінювання), тобто лише для випромінювання СО2 лазера. Задачею корисної моделі є розробка засобу для створення заданого характеру розподілу інтенсивності в пучку лазерного випромінювання та його попереку на поверхні заготовки більш простими методами. Поставлена задача вирішується тим, що в пристрої, який має оптичний елемент у вигляді дзеркала, його дзеркальна поверхня має мозаїчну структуру, а кожен її елемент має привод нахилу на визначений кут. Дія запропонованого пристрою заснована на поділі пучка лазерного випромінювання на окремі складові промені з визначеним рівнем інтенсивності та формуванні з них на поверхні заготовки заданого характеру розподілу інтенсивності шляхом їх суперпозиції у попереку вибраної форми. Для пояснення суті запропонованого пристрою додаються креслення: фіг. 1 - побудова дзеркальної поверхні дзеркала, фіг. 2 - вид та схема розташування п'єзоелементів приводу елементарних дзеркал, фіг. 3 - закон розподілу інтенсивності в пучку випромінювання, фіг. 4 потужність в пучку випромінювання. Використовуючи характерну нерівномірність розподілу інтенсивності в попереку пучка випромінювання та осьову симетрію останнього, складове дзеркало буде мати мозаїчну будову, де елементарні дзеркала утворено трьома рядами секторів 1 (фіг. 1), за умови кутової свободи кожного дзеркального елемента. В такому разі можливе формування в зоні опромінення поверхні заготовки пучка довільної поперечної форми, який заповнено інтенсивністю випромінювання за заданим законом. В цій конструкції для зміни кута нахилу кожного елементарного дзеркала пропонується використовувати швидкодіючий привод, наприклад п'єзопривод. Тоді вони розташовуються на торцях трубчастих або пластинчатих п'єзоелементів 2 (фіг. 2), встановлених в діелектричній підставі 3 і залучених до плати друкарського монтажу 4. При подачі напруги в межах 0÷200 В вісь п'єзоелемента скривлюється, приймаючи форму параболи y  ax 2 . При цьому вільний торець елемента відхиляється від нормального до осі положення на розмір y  ax , де x - довжина елемента, a -параметр параболи, значення якого визначається рівнем напруги для кожного конкретного типу п'єзоелемента. Була розроблена та виготовлена конструкція пристрою, де елементарні дзеркала утворено трьома рядами секторів у межах апертури пучка випромінювання: центральний промінь радіусом r1, чотири сектори в межах радіусів r1-r2 і шістнадцять секторів у межах радіусів r2-r3. Для кутового позиціювання дзеркал-секторів використано п'єзопластини d  b  l  115 70 мм, розташовані в підставці так, що їхню широку підставку направлено перпендикулярно радіусу. Для таких п'єзоелементів розмір a має практично лінійну залежність від рівня напруги, що оживлює. Якщо обмежити розмір поперечного зсуву краю дзеркала розміром зазору між сусідніми дзеркалами ( умакс  0,3 мм), то при найбільшому рівні напруги, що оживлює, ( Uмакс 200 B) значення можна визначити по залежності: a 1 UA 86594 U aмакс  yмакс / x 2  0,3 / 70 2  6,12  10 5 . Тоді максимальний кут повороту його торця aмакс , а значить і дзеркального сектора, приклеєного до нього складе 5 10 15 aмакс  y  2ax  2  6,12  10 5  70  8,571 10 рад ~0,491° ~30'. Для зменшення розміру попереку пучка випромінювання на поверхні заготовки, сформованого суперпозицією елементарних променів, що мають кут α із віссю лінзи, до dмакс  2Ftg макс використано додаткову лінзу, розташовану за дзеркалом на шляху пучка. Так, при F=200 мм dмакс  2  200  8,571 10 3  3,4 мм. Тобто в межах цього розміру можна зосередити потужність випромінювання з будь-яким розподілом інтенсивності за рахунок накладення (часткового або повного елементарних променів). Для спрощення алгоритму керування розміром кута нахилу дзеркал, у результаті чого досягається необхідні форма і розміри поперечного перерізу зони опромінення, а також заповнення її інтенсивністю, необхідно підібрати такі розміри дзеркал, їхню форму, щоб, незважаючи на дійсний вид розподілу інтенсивності в пучку, елементарні промені мали рівну потужність, тобто Pi  P / N ( P - сумарна потужність пучка випромінювання, N - кількість елементарних дзеркал). Тому що більшість сучасних СО2 - лазерів має модовий склад пучка випромінювання близький до ТЕМ00, роздивимося схему розподілу такого пучка на промені рівної потужності. Інтенсивність випромінювання в центрі пучка І0 можна визначити з залежності: r 2  1 , I0  1   2  e2    тобто: 2, P 20 r 2 1 2   184 Вт/см 2P 1  1/ e 2 (для Р = 1000 Вт і D=40 мм). Тоді закон розподілу інтенсивності в пучку можна зобразити графічно (фіг. 3). Там же нанесена залежність потужності, що утримується в частині пучка радіусом r2 і r1 (кільце), яка має площу ΔS: I0  25  35 40   2 2 I r   I0ekr ; S   r2  r1 . Залежність P r  , отриману в результаті графічного інтегрування кривої ISr  показано на фіг. 4. За цією залежністю можна визначити значення радіуса r1, у котрому укладена частина потужності випромінювання, рівна P / N1  1000 / 1 4  16  47,62 Вт: r1=2,3 мм. В другому ряду елементарних дзеркал (N2=4) повинна бути розподілена потужність, рівна P2  4P / 21  190,48 Вт. Щоб знайти значення радіуса r1 необхідно у балансі енергії врахувати її частину, що виділилася на центральному дзеркалі r2, тобто P1  P2  47,62  190,48  238,1 Вт. Цьому рівню енергії відповідає радіус r1=6,2 мм. Зовнішній радіус дзеркала 2 повинний перевершувати розмір пучка випромінювання, тобто 2r3  40 мм; у зовнішньому ряду розподіляється залишок потужності випромінювання 16P / 21. Пристрій установлюється замість поворотного дзеркала, традиційного для оптичних систем лазерних технологічних установок. Бібліографічні данні посилань: 1. А.С. SU 1318964 G02B 5/04 2. А.С. SU 1314291 G02B5/10 2 30  ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 45 Пристрій для перетворення пучка лазерного випромінювання, з оптичним елементом у вигляді дзеркала, який відрізняється тим, що його дзеркальна поверхня має мозаїчну структуру, а кожен її елемент має привод нахилу на визначений кут. 2 UA 86594 U 3 UA 86594 U Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4