Патент на изобретение №2156484

(54) ФАЗОСДВИГАЮЩАЯ СИСТЕМА

(57) Реферат:

Фазосдвигающая система (ФСС) состоит из трех или четырех зеркал. Каждое из зеркал поворачивает излучение в одной плоскости так, что суммарный поворот излучения равен 0^o, и зеркала имеют величину разницы фазовых сдвигов, между S и Р отраженными компонентами излучения от 0 до 90^o, а суммарная величина разности фазовых сдвигов на выходе ФСС равна 90^o при номинальном значении углов падения излучения. Зеркала имеют возможность синхронного изменения угла падения на них излучения относительно номинального значения в пределах от +10 до -10^o. По крайней мере одно из зеркал имеет монотонную зависимость величины фазового сдвига от угла падения излучения. Причем ФСС имеет возможность поворота вокруг оси “вход-выход”, на которой расположены первое и последнее зеркала. Повышается качество преобразования поляризованного излучения и обеспечивается возможность применения с лазерами, имеющими произвольную ориентацию вектора Е. 4 ил., 1 табл.

Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к лазерной технике, и может быть использовано для создания фазосдвигающих систем, входящих в состав тракта транспортировки излучения лазерного комплекса резки.

В технологии лазерной резки металлов принципиальным является поляризация излучения, при оптимальном значении которой достигается высокая производительность и наилучшее качество. В случае линейной поляризации излучения лазера форма и ширина реза существенно различны при параллельном и перпендикулярном направлении перемещения материала по отношению к направлению колебаний электрического вектора поля E. Наилучшее качество резки и максимальная производительность достигаются при круговой поляризации.

Как правило, мощные технологические CO₂ – лазеры с целью достижения минимальной расходимости излучения, а следовательно, лучшей фокусировки, имеют линейную поляризацию. Следовательно, комплекс резки с таким лазером должен иметь фазосдвигающую систему (ФСС), преобразующую линейно-поляризованное излучение (ЛПИ) в излучение с круговой поляризацией (ИКП).

Существует множество оптических схем транспортировки излучения в лазерных комплексах резки.

Независимо от количества поворотных зеркал в тракте транспортировки по крайней мере одно из них выполняет роль преобразователя ЛПИ в ИКП. Для такого преобразователя принципиальным является то, что разница фазовых сдвигов между “S” и “P” отраженными компонентами () равна 90^o, а величина эллиптичности, т.е. отношение коэффициентов отражения “S” и “P” компонент () должно быть близко к 1. В этом случае остальные поворотные зеркала в оптическом тракте должны иметь = 0 ^{и эллиптичность = 1,0, чтобы не искажать ИКП и направить его в объектив. Такая схема транспортировки излучения имеет следующие недостатки: 1) малый допуск на результирующую величину , не превышающую 3o; 2) малый допуск на величину угла падения (), номинальное значение которого для фазосдвигающих зеркал, как правило, составляет = 45; 3) малый допуск на величину азимутального угла между плоскостью поворота излучения зеркалом-фазосдвигателем и плоскостью, в которой лежит вектор E и главная оптическая ось ЛПИ, который должен составлять 45o; 4) невысокие ресурсные характеристики зеркал-фазосдвигателей с = 90 из-за сравнительно высокого поглощения = (1-2)% (для рабочей длины волны 10,6 мкм).}

Известна фазосдвигающая система /1/, состоящая из 2-х или 3-х зеркал – фазосдвигателей, которая поворачивает излучение в одной плоскости при постоянном угле падения 45^o, где в первом случае зеркала имеют = 45^{, а во втором – = 30. Суммарный поворот излучения равен 0, зеркала имеют величину разницы фазовых сдвигов между “S” и “P” отраженными компонентами излучения от 0o до 90o, а суммарная величина разности фазовых сдвигов на выходе ФСС равна 90o при номинальном значении углов падения излучения, причем первое и последнее зеркала расположены на главной оптической оси “вход – выход” (US 4379622 A, 12.04.83). Основные недостатки этого ФСС те же, что в традиционном варианте, за исключением ресурсных характеристик, т.к. поглощение зеркал с = 45 или с = 30 меньше, чем для зеркал с = 90
Задачей изобретения является повышение качества преобразования ЛПИ в ИКП и универсальность применения с мощными технологическими лазерами, имеющими произвольно ориентированный азимут вектора E ЛПИ.}

Указанная задача решается за счет того, что в фазосдвигающей системе, состоящей из зеркал, каждое из которых поворачивает излучение в одной плоскости так, что суммарный поворот излучения равен 0^o, зеркала имеют величину разницы фазовых сдвигов между “S” и “P” отраженными компонентами излучения от 0^o до 90^o, а суммарная величина разности фазовых сдвигов на выходе ФСС равна 90^o при номинальном значении углов падения излучения, причем первое и последнее зеркала расположены на главной оптической оси “вход – выход”, ФСС состоит из трех или четырех зеркал, все зеркала имеют возможность синхронного изменения угла падения на них излучения относительно номинального значения в пределах от +10^o до -10^o, причем по крайней мере одно из зеркал имеет монотонную зависимость величины фазового сдвига от угла падения излучения, остальные зеркала имеют разницу фазовых сдвигов, не зависящую от угла падения излучения, а ФСС имеет возможность поворота вокруг оси “вход – выход”.

На фиг. 1 показана оптическая схема роботизированного лазерного комплекса резки металла.

На фиг. 2 показана оптическая схема 4-зеркальной ФСС по изобретению.

На фиг. 3 показана оптическая схема 3-зеркальной ФСС по изобретению.

На фиг. 4 показана зависимость от в 4-зеркальной ФСС.

На фиг. 1 показан мощный технологический лазер 1, в состав резонатора которого входит линейный поляризатор 2, лазер имеет горизонтальную главную оптическую ось. Зеркала 3, 4, 5 и 6 образуют тракт транспортировки излучения лазера и направляют излучение в объектив 7 и далее на объект обработки 8. Зеркало 3 выполняет роль ФСС, имеет = 90^o и работает при фиксированном угле падения = 45^{, остальные зеркала (4, 5 и 6) имеют = 0 и работают в широкой области падения углов.}

На фиг. 2 дана схема 4-зеркальной ФСС по изобретению. Первое и последнее зеркала (1 и 4) расположены на главной оптической оси “вход – выход”, совпадающей с главной оптической осью лазера, зеркала поворачивают излучение в одной плоскости с результирующей величиной 0^o на выходе без смещения. Все зеркала имеют возможность синхронного изменения угла . На фиг. 2а зеркала ФСС находятся в номинальном положении при = 45^{, чему соответствуют = 90. На фиг. 2б зеркала ФСС находятся при = 50, т.е. более номинального, при этом имеет величину более 90o, причем положение оси “вход – выход” в пространстве не изменилось. На фиг. 2в зеркала находятся при угле падения = 40 т.е. менее номинального, при этом имеет величину менее 90o при неизменном положении в пространстве оси “вход – выход”.}

На фиг. 3 показана 3-х-зеркальная ФСС по предлагаемому изобретению, где первое и последнее зеркала (1 и 3) расположены на главной оптической оси “вход – выход”, зеркала поворачивают излучение на выходе на 0^o без смещения. Для этой схемы характерно соотношение 2– = 90^{.
На фиг. 4 показана расчетная монотонная зависимость величины от зеркала, имеющего при номинальном угле падения = 45 = 22,5. На фиг 4б показана расчетная монотонная зависимость величины от для ФСС по изобретению, состоящей из 4-х зеркал, имеющих при номинальном = 45 = 22,5. Как можно видеть, при синхронном изменении угла от 35o до 55o величина на выходе ФСС изменяется монотонно в пределах от 48o до 156o.}

В данном техническом решении использован принцип перестройки за счет изменения зеркал, имеющих монотонную зависимость величины от . Синхронное изменение означает либо его увеличение, либо уменьшение для всех зеркал ФСС при условии сохранения неизменной в пространстве оси “вход – выход”. Величина изменения в пределах 10^o выбрана оптимальной, поскольку реализует достаточно широкую область перестройки _/ от 48^o до 156^o без существенных ограничений по апертуре для излучения мощного технологического лазера.

Использование в ФСС зеркал с монотонной зависимостью величины от позволяет (при изменении угла падения ) перестраивать величину также с монотонной зависимостью, что позволяет калибровать характеристику перестройки. При этом 3- и 4-зеркальные ФСС могут быть реализованы из зеркал с различным произвольным сочетанием номинальных значений , что в качестве примера показано в таблице. Возможность поворота ФСС позволяет настроить оптимальную величину азимута, не нарушая юстировку всего тракта лазерного комплекса резки, что особенно важно для технологических лазеров с произвольно ориентированным в пространстве вектором E.

Изобретение реализуется следующим образом.

Вначале необходимо выбрать 3- или 4-зеркальную схему ФСС. Наиболее просто реализуется 4-зеркальная схема, т.к. она имеет меньшие ограничения по апертуре и менее сложный механизм синхронного изменения . Целесообразно в этом случае выбрать номинальным = 45^{. Исходя из относительной простоты реализации отражающего – фазосдвигающего покрытия, имеющего минимальное поглощение на рабочей длине волны, целесообразно выбрать зеркала с номинальной величиной = 22,5 и монотонной зависимостью от по крайней мере в области углов падения от 35o до 55o. Производят расчет конструкции зеркального – фазосдвигающего покрытия с монотонной зависимостью от , при этом необходимо, чтобы коэффициент отражения был не менее 99%, а эллиптичность близка к единице.}

Изготавливают зеркала, например, для CO₂-лазерного комплекса резки на основе меди или кремния, отполированных с оптическим качеством. Наносят термическим испарением и конденсацией в вакууме отражающее – фазосдвигающее покрытие.

Изготавливают конструктив ФСС для 4-зеркальной схемы, имеющий механизм синхронного изменения угла всех зеркал в пределах 10^o, включающий орган настройки и индикатор в соответствии со схемой на фиг. 3. Устанавливают зеркала в конструктив ФСС и юстируют их по оси “вход – выход” при номинальном угле = 45^{. Калибруют шкалу настройки ФСС с помощью эллипсометра. Устанавливают и юстируют ФСС в оптический тракт лазерного комплекса резки, например, непосредственно около лазера, таким образом, чтобы ось “вход – выход” совпадала с главной оптической осью лазера. По калиброванной шкале устанавливают величину 90o. Если известна ориентация вектора E ЛПИ, то устанавливают угол азимута 45o между плоскостью поворота зеркал ФСС и плоскостью, в которой лежит вектор E и главная оптическая ось лазера, для чего поворачивают ФСС вокруг оси “вход – выход” на нужную величину и фиксируют. В зависимости от комплектации всего тракта транспортировки излучения лазерного комплекса поворотными зеркалами с конкретными значениями производят окончательную настройку величины , например, используя критерии качества резки конкретного материала.}

Был изготовлен экспериментальный образец ФСС по 4-зеркальной схеме для CO₂-лазерного комплекса резки мощностью до 1,5 кВт. Зеркала для ФСС были изготовлены из кремния 50 мм под апертуру 20 мм при номинальном = 45^{. Зеркала имели зеркальное – фазосдвигающее покрытие вида П Cr Cu BiF₃ 0,7 ZnSe, где: П – подложка из кремния, Cr – адгезионный слой хрома, Cu – отражающий слой меди, далее нанесено фазосдвигающее покрытие, состоящее из четвертьволнового (для 10,6 мкм) слоя фторида висмута и селенида цинка. Эти зеркала при номинальном угле = 45 имели следующие характеристики: коэффициент отражения 99% , разность фазовых сдвигов = (20-25) с монотонной зависимостью от , аналогичной на фиг.5a, эллиптичность = 1,01.
Принцип конструкции 4-зеркальной ФСС с синхронным изменением угла показан на фиг. 3. Попарно зеркала 1 и 2 и 3 и 4 закреплены неподвижно друг относительно друга таким образом, что зеркальные поверхности обращены друг к другу и параллельны
между собой. Каждый из двух таких узлов имеет возможность поворота в плоскости чертежа около оси, проходящей через центр симметрии. Поворачивая эти узлы в разные направления на одинаковую величину в пределах 10o, тем самым не нарушая положения в пространстве оси “вход – выход”, изменяют величину в тех же пределах и, следовательно, производят перестройку величины .
Зеркала были установлены в вышеописанную конструкцию ФСС и съюстированы при номинальном угле падения = 45 по оси “вход – выход”. Затем была прокалибрована шкала настройки с помощью ИК (на 10,6 мкм) лазерного эллипсометра по в пределах 5o. Область перестройки ФСС составила 70 – 120o аналогично характеристике на фиг. 4б. Коэффициент передачи ФСС составил не менее 97%, а эллиптичность = 1,05.
ФСС была испытана в 4-зеркальной портальной схеме CO₂ – лазерного комплекса резки, для чего ФСС была установлена непосредственно около лазера и съюстирована осью “вход – выход” по главной оси лазера. Лазер ТЛ-1,5 имел азимут вектора E, равный 45o. Испытания ФСС проводились как при комплектации портальной схемы комплекса поворотными зеркалами с = 0, так и простыми с = -(4-6). В последнем случае окончательная настройка ФСС осуществлялась по критериям качества резки листовой стали (ширина и форма реза, скорость резки и др.).}

Таким образом данная ФСС позволяет производить настройку в широких пределах с необходимой точностью величины и угла азимута при любой ориентации в пространстве вектора E ЛПИ. При этом не происходит нарушение юстировки всего оптического тракта комплекса резки. Кроме того, широкая область перестройки позволяет использовать как в составе ФСС, так и в составе тракта транспортировки зеркала с допуском величины по крайней мере до 5^o.

Формула изобретения

Фазосдвигающая система (ФСС), состоящая из зеркал, каждое из которых поворачивает излучение в одной плоскости так, что суммарный поворот излучения равен 0⁰, зеркала имеют величину разницы фазовых сдвигов между S и Р отраженными компонентами излучения от 0 до 90^o, а суммарная величина разности фазовых сдвигов на выходе ФСС равна 90^o при номинальном значении углов падения излучения, причем первое и последнее зеркала расположены на главной оптической оси “вход-выход”, отличающаяся тем, что она состоит из трех или четырех зеркал, все зеркала имеют возможность синхронного изменения угла падения на них излучения относительно номинального значения в пределах от +10 до -10^o, причем по крайней мере одно из зеркал имеет монотонную зависимость величины фазового сдвига от угла падения излучения, остальные зеркала имеют разницу фазовых сдвигов, не зависящую от угла падения излучения, а ФСС имеет возможность поворота вокруг оси “вход-выход”.

РИСУНКИ