RU2632745C2 - Multi-beam laser radiation source and device for handling materials with its use - Google Patents
Multi-beam laser radiation source and device for handling materials with its use Download PDFInfo
- Publication number
- RU2632745C2 RU2632745C2 RU2015133253A RU2015133253A RU2632745C2 RU 2632745 C2 RU2632745 C2 RU 2632745C2 RU 2015133253 A RU2015133253 A RU 2015133253A RU 2015133253 A RU2015133253 A RU 2015133253A RU 2632745 C2 RU2632745 C2 RU 2632745C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- laser
- plates
- radiation
- scanning
- amplifier
- Prior art date
Links
- 230000005855 radiation Effects 0.000 title claims abstract description 64
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 28
- 208000029154 Narrow face Diseases 0.000 claims abstract description 10
- 239000011149 active material Substances 0.000 claims abstract description 4
- 239000004606 Fillers/Extenders Substances 0.000 claims abstract 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 23
- 230000003321 amplification Effects 0.000 claims description 15
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 claims description 15
- 238000013459 approach Methods 0.000 claims description 3
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims description 3
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 claims description 2
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims description 2
- 238000004590 computer program Methods 0.000 claims 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 13
- 239000012634 fragment Substances 0.000 abstract description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 8
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 8
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 7
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 6
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 5
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 description 5
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 description 5
- JNDMLEXHDPKVFC-UHFFFAOYSA-N aluminum;oxygen(2-);yttrium(3+) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Y+3] JNDMLEXHDPKVFC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 3
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 3
- 229910019901 yttrium aluminum garnet Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000003491 array Methods 0.000 description 2
- 201000009310 astigmatism Diseases 0.000 description 2
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 2
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 2
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 description 2
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 2
- ZPDRQAVGXHVGTB-UHFFFAOYSA-N gallium;gadolinium(3+);oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Ga+3].[Gd+3] ZPDRQAVGXHVGTB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000087 laser glass Substances 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- 229910052684 Cerium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052692 Dysprosium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052693 Europium Inorganic materials 0.000 description 1
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052689 Holmium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052779 Neodymium Inorganic materials 0.000 description 1
- BPQQTUXANYXVAA-UHFFFAOYSA-N Orthosilicate Chemical compound [O-][Si]([O-])([O-])[O-] BPQQTUXANYXVAA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910019142 PO4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052777 Praseodymium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052772 Samarium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052775 Thulium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052769 Ytterbium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000001154 acute effect Effects 0.000 description 1
- 238000000149 argon plasma sintering Methods 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 1
- 239000000110 cooling liquid Substances 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005553 drilling Methods 0.000 description 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- UIWYJDYFSGRHKR-UHFFFAOYSA-N gadolinium atom Chemical compound [Gd] UIWYJDYFSGRHKR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002223 garnet Substances 0.000 description 1
- 230000004313 glare Effects 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 238000003698 laser cutting Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- HIQSCMNRKRMPJT-UHFFFAOYSA-J lithium;yttrium(3+);tetrafluoride Chemical compound [Li+].[F-].[F-].[F-].[F-].[Y+3] HIQSCMNRKRMPJT-UHFFFAOYSA-J 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 1
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-K phosphate Chemical compound [O-]P([O-])([O-])=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 1
- 239000010452 phosphate Substances 0.000 description 1
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 1
- 229910052706 scandium Inorganic materials 0.000 description 1
- SIXSYDAISGFNSX-UHFFFAOYSA-N scandium atom Chemical compound [Sc] SIXSYDAISGFNSX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QWVYNEUUYROOSZ-UHFFFAOYSA-N trioxido(oxo)vanadium;yttrium(3+) Chemical compound [Y+3].[O-][V]([O-])([O-])=O QWVYNEUUYROOSZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
- H01S3/08—Construction or shape of optical resonators or components thereof
- H01S3/081—Construction or shape of optical resonators or components thereof comprising three or more reflectors
- H01S3/082—Construction or shape of optical resonators or components thereof comprising three or more reflectors defining a plurality of resonators, e.g. for mode selection or suppression
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
- B22F3/10—Sintering only
- B22F3/105—Sintering only by using electric current other than for infrared radiant energy, laser radiation or plasma ; by ultrasonic bonding
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
- B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
- B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P10/00—Technologies related to metal processing
- Y02P10/25—Process efficiency
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Laser Beam Processing (AREA)
- Lasers (AREA)
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
Данное изобретение относится к области лазерной обработки материалов, в том числе лазерной резке, сварке, наплавке и селективному спеканию деталей большого объема или при обработке большого количества изделий на одном лазерном комплексе.This invention relates to the field of laser processing of materials, including laser cutting, welding, surfacing and selective sintering of large parts or when processing a large number of products on a single laser complex.
Уровень техникиState of the art
Мощные лазеры имеют множество приложений, в которых интенсивный пучок когерентного света фокусируется на подложку для обработки ее поверхности или спекания субстрата, уложенного на подложке, или воздействует на другие цели. Часто мощные лазерные системы используют задающий генератор и усилитель мощности, который доводит энергетические параметры лазерного пучка, сформированного задающим генератором, до уровня, требуемого конкретным приложением.High-power lasers have many applications in which an intense beam of coherent light is focused on a substrate to process its surface or sinter a substrate laid on a substrate, or acts on other targets. Often high-power laser systems use a master oscillator and a power amplifier, which brings the energy parameters of the laser beam generated by the master oscillator to the level required by a particular application.
В некоторых применениях лазеров желательно одновременно направлять несколько лазерных лучей в одну цель или одновременно обрабатывать несколько целей. Например, в лазерной микрообработке это может быть выгодно для сверления небольших и точных отверстий параллельно в нескольких местах для того, чтобы ускорить обработку. Один из возможных способов получения нескольких лазерных пучков состоит в том, чтобы разделить лазерный пучок от мощного источника на несколько лучей с пропорциональным уменьшением мощности каждого луча по сравнению с исходным пучком. Устройство такого типа описано в патентной заявке [1]. Оно является аналогом предлагаемого изобретения. Недостаток аналога состоит в невозможности получить большое количество лучей из-за резкого снижения их мощности при делении исходного лазерного пучка.In some laser applications, it is desirable to simultaneously direct multiple laser beams into a single target or process multiple targets simultaneously. For example, in laser microprocessing, this may be advantageous for drilling small and precise holes in parallel at several places in order to speed up the processing. One possible way to produce multiple laser beams is to divide the laser beam from a powerful source into several beams with a proportional decrease in the power of each beam compared to the original beam. A device of this type is described in patent application [1]. It is an analogue of the invention. The disadvantage of the analogue is the inability to obtain a large number of rays due to a sharp decrease in their power when dividing the original laser beam.
Альтернатива расщепления излучения в лазерной системе с одним усилителем мощности заключается в разделении выходного излучения задающего генератора и использовании нескольких усилителей мощности. Этот подход реализован в лазерном устройстве, описанном в патенте [2] и выбранном в качестве прототипа настоящего изобретения. Недостаток прототипа состоит в том, что каждый канал усиления снабжен собственными системами накачки и охлаждения, что увеличивает габариты и стоимость многолучевой лазерной системы и не позволяет в устройстве с разумными размерами довести число лучей до нескольких десятков или сотен единиц. Другой недостаток прототипа состоит в неизбежном снижении качества получаемых лазерных пучков относительно качества излучения задающего генератора из-за влияния тепловых и дифракционных эффектов, что ограничивает возможность острой фокусировки пучка на отдаленных целях.An alternative to splitting radiation in a laser system with a single power amplifier is to separate the output radiation of the master oscillator and use several power amplifiers. This approach is implemented in the laser device described in the patent [2] and selected as a prototype of the present invention. The disadvantage of the prototype is that each amplification channel is equipped with its own pumping and cooling systems, which increases the size and cost of the multi-beam laser system and does not allow the number of beams to reach several tens or hundreds of units in a device with reasonable dimensions. Another disadvantage of the prototype is the inevitable decrease in the quality of the obtained laser beams relative to the radiation quality of the master oscillator due to the influence of thermal and diffraction effects, which limits the possibility of sharp focusing of the beam on distant targets.
Таким образом, существует потребность в многолучевом лазерном устройстве, в котором преодолены указанные недостатки.Thus, there is a need for a multi-beam laser device in which these disadvantages are overcome.
Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION
Недостатки, связанные с предшествующим уровнем техники, преодолеваются при воплощении настоящего изобретения благодаря использованию большого числа параллельно работающих каналов усиления мощности с общими для всех параллельных каналов системами накачки и охлаждения. При этом обеспечивается высокое качество создаваемых пучков излучения за счет расширения излучения задающего генератора, которое сопровождается значительным снижением расходимости лазерного пучка. Дальнейшее параллельное усиление отдельных фрагментов широкого пучка происходит в многоканальном усилителе со специально принятыми мерами для снижения влияния тепловых и дифракционных искажений волнового фронта. Для этого используется большое число скрещенных тонких пластин с активной сердцевиной, имеющей размер поперечного сечения примерно равный размеру поперечного сечения усиливаемого пучка в каждом канале. Скрещенное последовательное расположение участков тонкой усиливающей среды обеспечивает минимальный астигматизм, создаваемый температурными градиентами, по сравнению с другими профилями, благодаря наилучшим условиям отвода тепла и симметричному действию неизбежно возникающих в мощных устройствах тепловых линз и ортогональной ориентации осей наведенного теплом двулучепреломления в активной сердцевине. Снижение влияния дифракционных эффектов обеспечивается концентрацией усиления в оптически однородной части пластин, находящейся на расстоянии от внешних продольных поверхностей пластин, на которых резко меняется показатель преломления среды, вызывая дифракционные искажения волнового фронта. Появляющиеся вследствие дифракции электромагнитные волны распространяются под углом к оси усилительного канала и, благодаря скрещенному расположению пластин, могут быстро выводиться через неактивные части торцевых поверхностей, не имеющих оптического контакта с торцевыми поверхностями других пластин, практически не усиливаясь. Таким же образом, блокируется усиление основной части волноводных и других ненужных поперечных мод, а также спонтанного и паразитного излучений. Значительно меньшая часть подобных видов вредных излучений, попадающих в аксиальную область активной среды и проходящих по всей ее длине, подавляется за счет достаточно высокой плотности мощности непрерывного излучения, создаваемого задающим генератором. Доминирование полезного излучения обеспечивается благодаря пропорциональности вероятности вынужденного изучения плотности мощности излучения, которое распространяется в возбужденной накачкой среде [8].The disadvantages associated with the prior art are overcome by the embodiment of the present invention by using a large number of parallel power amplification channels with common pump and cooling systems for all parallel channels. This ensures high quality of the generated radiation beams due to the expansion of the radiation of the master oscillator, which is accompanied by a significant reduction in the divergence of the laser beam. Further parallel amplification of individual fragments of a wide beam occurs in a multichannel amplifier with specially adopted measures to reduce the influence of thermal and diffraction distortions of the wavefront. For this, a large number of crossed thin plates with an active core are used, having a cross-sectional size approximately equal to the cross-sectional size of the amplified beam in each channel. The crossed sequential arrangement of sections of the thin amplifying medium provides the minimum astigmatism created by temperature gradients, compared with other profiles, due to the best conditions for heat removal and the symmetrical action of the thermal lenses inevitably arising in powerful devices and the orthogonal orientation of the axes of the heat-induced birefringence in the active core. The decrease in the influence of diffraction effects is provided by the concentration of amplification in the optically homogeneous part of the plates located at a distance from the outer longitudinal surfaces of the plates, on which the refractive index of the medium changes sharply, causing diffraction distortions of the wave front. Electromagnetic waves appearing due to diffraction propagate at an angle to the axis of the amplification channel and, due to the crossed arrangement of the plates, can be quickly output through inactive parts of the end surfaces that do not have optical contact with the end surfaces of other plates, practically without amplification. In the same way, the amplification of the main part of the waveguide and other unnecessary transverse modes, as well as spontaneous and spurious emissions, is blocked. A much smaller part of such types of harmful radiation falling into the axial region of the active medium and passing along its entire length is suppressed due to the sufficiently high power density of the continuous radiation generated by the master oscillator. The dominance of useful radiation is ensured by the proportionality of the probability of the forced study of the radiation power density, which propagates in a pumped medium [8].
Эти преимущества позволяют в более широких пределах, чем у известных аналогов, масштабировать мощность лазерных установок, используя большое число скрещенных пластин с активной сердцевиной.These advantages make it possible to scale the power of laser systems, using a large number of crossed active core plates, over a wider range than conventional analogues.
Согласно предлагаемому изобретению, задача получения десятков и сотен единиц мощных лазерных пучков с высоким качеством излучения решается в многолучевом источнике лазерного излучения, содержащем задающий генератор и многоканальный усилитель, за счет того, что выходное излучение задающего генератора поступает на вход многоканального усилителя через расширитель, снижающий расходимость и увеличивающий сечение лазерного пучка до размеров входной апертуры многоканального усилителя с последующим усилением отдельных фрагментов широкого пучка с использованием активного элемента, состоящего из большого числа лазерных пластин, расположенных последовательно в несколько параллельных рядов. Каждая пластина имеет форму прямоугольного параллелепипеда и содержит вытянутую вдоль продольной оси пластины сердцевину из активного материала и окружающую ее с боковых сторон неактивную оболочку из оптического материала с тем же или близким показателем преломления, при этом поперечный размер сердцевины меньше толщины пластины. В каждом ряду продольные оси соседних пластин совмещены и образуют оптическую ось канала усиления. Ряды расположены компактно, с одинаковым шагом в вертикальном и горизонтальном направлениях, при этом широкие грани, например, четных пластин во всех рядах расположены горизонтально, а широкие грани альтернативных пластин расположены вертикально и продольные узкие грани, обращенные друг к другу в соседних рядах, соединены между собой с оптическим контактом. Пространство между всеми пластинами заполняется теплоотводящими элементами, а излучение накачки создается линейками лазерных диодов и подводится через свободные узкие грани пластин. Благодаря предлагаемому размещению активных слоев в параллельных рядах обеспечивается свободный доступ теплоотводящей среды к широким поверхностям всех пластин, что позволяет эффективно отводить большие потоки тепла при низких температурных градиентах.According to the invention, the task of obtaining tens and hundreds of units of high-power laser beams with high radiation quality is solved in a multi-beam laser radiation source containing a master oscillator and a multichannel amplifier, due to the fact that the output radiation of the master oscillator is fed to the input of a multichannel amplifier through an expander that reduces the divergence and increasing the cross section of the laser beam to the size of the input aperture of a multichannel amplifier with subsequent amplification of individual fragments widely beam using an active element consisting of a large number of laser plates arranged in series in several parallel rows. Each plate has the shape of a rectangular parallelepiped and contains an active material core extended along the longitudinal axis of the plate and an inactive shell of optical material surrounding it on the sides with the same or close refractive index, while the transverse dimension of the core is less than the thickness of the plate. In each row, the longitudinal axes of adjacent plates are aligned and form the optical axis of the gain channel. The rows are arranged compactly, with the same pitch in the vertical and horizontal directions, with wide faces, for example, even plates in all rows, located horizontally, and wide faces of alternative plates, located vertically and narrow longitudinal faces facing each other in adjacent rows, connected between with an optical contact. The space between all the plates is filled with heat-removing elements, and the pump radiation is created by the lines of laser diodes and is fed through the free narrow edges of the plates. Thanks to the proposed placement of active layers in parallel rows, free access of the heat sink to the wide surfaces of all plates is ensured, which allows efficient removal of large heat fluxes at low temperature gradients.
Для снижения влияния отражений от свободных узких граней, перпендикулярных оптической оси, в каждом ряду, например, четные пластины могут иметь широкую пару граней в форме параллелограмма, а альтернативные пластины при этом должны иметь продольную узкую пару граней в форме параллелограмма, соответственные углы этих параллелограммов должны быть равны, а остальные грани пластин должны быть прямоугольными.To reduce the effect of reflections from free narrow faces perpendicular to the optical axis, in each row, for example, even plates can have a wide pair of faces in the form of a parallelogram, while alternative plates should have a longitudinal narrow pair of faces in the form of a parallelogram, the corresponding angles of these parallelograms should be equal, and the remaining faces of the plates should be rectangular.
Для компенсации дисперсии групповых скоростей (ДГС) при усилении ультракоротких импульсов, все или часть пластин могут иметь на каждой узкой грани, перпендикулярной продольной оси активного слоя, прозрачную дифракционную решетку с симметричным профилем штрихов, которая отклоняет падающее излучение в плоскости, перпендикулярной широким граням пластины, и обеспечивает распространение излучения вдоль оптической оси активной сердцевины в виде симметричных волноводных мод благодаря полному внутреннему отражению от широких граней. Компенсация ДГС обеспечивается за счет большего угла отклонения длинноволновой части спектра излучения, что приводит к увеличению длины оптического пути этой части спектра, по сравнению с коротковолновой частью, и уменьшению длительности усиливаемого импульса излучения.To compensate for the dispersion of group velocities (GVD) during amplification of ultrashort pulses, all or part of the plates can have on each narrow face perpendicular to the longitudinal axis of the active layer a transparent diffraction grating with a symmetrical line profile that deflects the incident radiation in a plane perpendicular to the wide faces of the plate, and ensures the propagation of radiation along the optical axis of the active core in the form of symmetrical waveguide modes due to total internal reflection from wide faces. Compensation of the GVD is ensured by a larger deviation angle of the long-wavelength part of the radiation spectrum, which leads to an increase in the optical path length of this part of the spectrum, compared with the short-wavelength part, and to a decrease in the duration of the amplified radiation pulse.
Использование многолучевого источника с высоким качеством лазерных пучков позволяет решить задачу увеличения числа одновременно обрабатываемых точек материала на базовой поверхности до десятков и сотен единиц с возможностью обработки каждой точки одновременно несколькими лучами. Для этого в установке, содержащей станину с квадратной или прямоугольной базовой поверхностью, многолучевой источник лазерного излучения и сканирующие лазерные головки, выходные окна этих головок устанавливают над вершинами условных квадратных или прямоугольных секторов базовой поверхности по числу лучей лазерного источника. Выходные окна размещают на высоте, определяемой по формуле h=d/tgα, где d - длина диагонали сектора, α - максимальный угол сканирования. При такой установке область сканирования лазерных головок охватывает по четыре сектора, исключая головки, установленные над границей базовой поверхности, что позволяет реализовать следующие варианты обработки материала на базовой поверхности:Using a multi-beam source with high quality laser beams allows us to solve the problem of increasing the number of simultaneously processed material points on the base surface to tens and hundreds of units with the possibility of processing each point simultaneously with several beams. To do this, in a setup containing a bed with a square or rectangular base surface, a multipath laser source and scanning laser heads, the output windows of these heads are installed above the vertices of the conditional square or rectangular sectors of the base surface according to the number of laser source rays. The output windows are placed at a height determined by the formula h = d / tgα, where d is the diagonal length of the sector, α is the maximum scanning angle. With this installation, the scanning area of the laser heads covers four sectors, excluding the heads mounted above the boundary of the base surface, which allows the following processing options for the material on the base surface to be realized:
- параллельная обработка одним лучом во всех секторах, как показано на фиг. 1 (заштрихованы одновременно обрабатываемые сектора);- parallel processing with a single beam in all sectors, as shown in FIG. 1 (shaded simultaneously processed sectors);
- параллельная обработка двумя лучами в части секторов, как показано на фиг. 2;- parallel processing of two beams in part of the sectors, as shown in FIG. 2;
- параллельная обработка тремя лучами в части секторов, как показано на фиг. 3;- parallel processing of three beams in part of the sectors, as shown in FIG. 3;
- параллельная обработка четырьмя лучами в части секторов, как показано на фиг. 4.- parallel processing with four beams in part of the sectors, as shown in FIG. four.
Для коррекции ошибок юстировки лазерных головок между сканирующими головками и базовой поверхности может быть установлена жесткая рама с датчиками координатной сетки, позволяющими программными средствами компенсировать неточность юстировки лазерных сканирующих головок.To correct errors in alignment of laser heads between the scanning heads and the base surface, a rigid frame can be installed with sensors of the coordinate grid, allowing software to compensate for inaccuracies in the alignment of laser scanning heads.
Таким образом, в компактной установке для лазерной обработки материалов обеспечивается одновременное использование большого количества пучков лазерного излучения, что позволяет многократно повысить производительность установки, допускающей изготовление изделий большого объема или одновременное изготовление большого числа изделий на одной установке с одинаковыми или различными режимами воздействия электромагнитного излучения на обрабатываемый материал.Thus, in a compact installation for laser processing of materials, the simultaneous use of a large number of laser beams is ensured, which makes it possible to repeatedly increase the productivity of an installation that allows the manufacture of large volume products or the simultaneous manufacture of a large number of products in one installation with the same or different modes of exposure to material.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
На фиг. 1 показаны сектора базовой поверхности, одновременно обрабатываемые одним лазерным лучом.In FIG. 1 shows sectors of the base surface simultaneously processed by a single laser beam.
На фиг. 2 показаны сектора базовой поверхности, одновременно обрабатываемые двумя лазерными лучами.In FIG. 2 shows sectors of the base surface simultaneously processed by two laser beams.
На фиг. 3 показаны сектора базовой поверхности, одновременно обрабатываемые тремя лазерными лучами.In FIG. Figure 3 shows sectors of the base surface simultaneously processed by three laser beams.
На фиг. 4 показаны сектора базовой поверхности, одновременно обрабатываемые четырьмя лазерными лучами.In FIG. 4 shows sectors of the base surface simultaneously processed by four laser beams.
На фиг. 5 показаны лазерные пластины с активной сердцевиной, имеющие различный профиль поперечного сечения.In FIG. 5 shows laser plates with an active core having a different cross-sectional profile.
На фиг. 6 показан многолучевой источник лазерного излучения.In FIG. 6 shows a multipath source of laser radiation.
На фиг. 7 показан многолучевой усилитель лазерного излучения.In FIG. 7 shows a multi-beam laser amplifier.
На фиг. 8 показано размещение композитных лазерных пластин в многолучевом усилителе.In FIG. Figure 8 shows the placement of composite laser plates in a multipath amplifier.
На фиг. 9 показан один ряд лазерных пластин с одной парой граней в форме параллелограмма.In FIG. 9 shows one row of laser plates with one pair of faces in the shape of a parallelogram.
На фиг. 10 показан один ряд лазерных пластин с увеличивающимся размером сердцевины.In FIG. 10 shows one row of laser plates with an increasing core size.
На фиг. 11 показана пластина с дифракционной решеткой на торцевых узких гранях лазерных пластин.In FIG. 11 shows a plate with a diffraction grating at the narrow end faces of the laser plates.
На фиг. 12 показано устройство для обработки материалов с помощью многолучевого источника лазерного излучения.In FIG. 12 shows a device for processing materials using a multi-beam laser source.
На фиг. 13 показано устройство для обработки материалов с датчиками координатной сетки.In FIG. 13 shows a device for processing materials with grid sensors.
На фиг. 14 показана сдвоенная лазерная сканирующая головка.In FIG. 14 shows a dual laser scanning head.
Описание обозначенийDescription of symbols
Осуществление изобретенияThe implementation of the invention
Настоящее изобретение предлагает усовершенствованный многолучевой источник лазерного излучения, состоящий из задающего генератора, расширителя лазерного пучка и многоканального усилителя с общими системами накачки и охлаждения для всех параллельных каналов, использующий большое число композитных пластин, состоящих из неактивного оптического материала и встроенной в него активной сердцевины, вытянутой вдоль оси пластины. Эти пластины собраны в один или несколько параллельных рядов для получения большого числа интенсивных лазерных пучков с малой расходимостью и с высокой, и сверхвысокой мощностью.The present invention provides an improved multipath source of laser radiation, consisting of a master oscillator, a laser beam expander and a multi-channel amplifier with common pumping and cooling systems for all parallel channels, using a large number of composite plates consisting of an inactive optical material and an active core extended into it along the axis of the plate. These plates are assembled in one or more parallel rows to obtain a large number of intense laser beams with low divergence and with high and ultrahigh power.
Настоящее изобретение позволяет в компактной конструкции получить десятки и сотни мощных лазерных пучков с малой расходимостью.The present invention makes it possible to obtain tens and hundreds of powerful laser beams with low divergence in a compact design.
Ниже приведено определение терминов, используемых в этом документе.The following is a definition of the terms used in this document.
Термин композитная лазерная пластина относится к элементу, изготовленному из неактивного оптического материала, прозрачному для усиливаемого излучения и излучения накачки, со встроенной в него с глубоким оптическим контактом активной сердцевиной.The term composite laser plate refers to an element made of an inactive optical material, transparent to the amplified radiation and the pump radiation, with an active core embedded in it with a deep optical contact.
Термин активная сердцевина относится к вытянутой вдоль продольной оси части композитной лазерной пластины, которая изготовлена из оптического материала, состоящего из кристаллической или аморфной матрицы, легированной подходящими ионами, которые возбуждаются от накачки. Предпочтительными материалами являются:The term active core refers to the elongated along the longitudinal axis of the part of the composite laser plate, which is made of an optical material consisting of a crystalline or amorphous matrix doped with suitable ions that are excited by pumping. Preferred materials are:
алюмоиттриевый гранат (YAG), гадолиний-галлиевый гранат (GGG), гадолиний-yttrium aluminum garnet (YAG), gadolinium gallium garnet (GGG), gadolinium-
скандий-галлиевый гранат (GSGG), фторид иттрия-лития (YLF), ванадат иттрия,scandium gallium garnet (GSGG), yttrium-lithium fluoride (YLF), yttrium vanadate,
фосфатное лазерное стекло, силикатное лазерное стекло, сапфир и другие.phosphate laser glass, silicate laser glass, sapphire and others.
Подходящие легирующие примеси для этих лазерных генерирующих сред включают в себя Ti, Cu, Со, Ni, Cr, Се, Pr, Nd, Sm, Eu, Yb, Но, Dy и Tm, но не ограничены ими.Suitable dopants for these laser generating media include, but are not limited to, Ti, Cu, Co, Ni, Cr, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Yb, Ho, Dy and Tm.
Термин неактивный оптический материал относится к материалу, не содержащему легирующих добавок, предпочтительно тому же, что и материал активной сердцевины, или материалу с таким же или близким значением показателя преломления, если его величина не оговаривается особо.The term inactive optical material refers to a material that does not contain dopants, preferably the same as the material of the active core, or to a material with the same or similar value of the refractive index, unless its value is specified otherwise.
Продольными узкими гранями пластины называются грани, которые параллельны продольной оси активной сердцевины. Торцевыми узкими гранями пластины называются грани, через которые проходит продольная ось активной сердцевины.The longitudinal narrow faces of the plate are the faces that are parallel to the longitudinal axis of the active core. The narrow end faces of the plate are the faces through which the longitudinal axis of the active core passes.
При реализации предлагаемого изобретения размер поперечного сечения активной сердцевины должен быть меньше толщины пластины. Форма поперечного сечения активной середины может быть круглой, эллипсообразной, прямоугольной, квадратной и т.п., как показано на фиг. 5. Способы изготовления таких пластин раскрыты, например, в патентах [3…6].When implementing the invention, the cross-sectional size of the active core should be less than the thickness of the plate. The cross sectional shape of the active midpoint may be round, ellipsoidal, rectangular, square, and the like, as shown in FIG. 5. Methods of manufacturing such plates are disclosed, for example, in patents [3 ... 6].
В одном из вариантов реализации многолучевого источника лазерного излучения, показанном на фиг. 6, многолучевой лазерный источник состоит из задающего генератора 1, расширителя лазерного пучка 2 и многоканального усилителя 7. Многоканальный усилитель 7, показанный на фиг. 7, включает в свой состав несколько массивов линеек лазерных диодов накачки 32 с системой охлаждения и драйверами системы электропитания (на фиг. 6 и 7 они не показаны), элементы системы теплоотвода 21, 22, 23 и многоканальный активный элемент, показанный на фиг. 8. Активный элемент представляет собой набор параллельно установленных рядов 12, состоящих из последовательности лазерных пластин 10, с соосными активными сердцевинами 11. Широкие грани смежных пластин в каждом ряду развернуты на 90 градусов по отношению друг к другу.In one embodiment of the multi-beam laser source shown in FIG. 6, the multi-beam laser source consists of a
Многолучевой лазерный источник в этом варианте работает следующим образом.Multipath laser source in this embodiment works as follows.
Задающий генератор лазерного излучения 1 формирует тонкий, слабо расходящийся пучок электромагнитного излучения 2 с хорошим показателем качества в пределах М2=1,5…2 мм мрад. Это излучение поступает на вход расширителя 3. Широкий пучок излучения 4 с выхода расширителя 3 разделяется на фрагменты, проходя через диафрагмы 25 в первом коллекторе охлаждающей жидкости 22, которые раздельно усиливаются в многоканальном активном элементе. Усиленные пучки излучения 5 выводятся через диафрагмы 25 во втором коллекторе охлаждающей жидкости 22. Все широкие грани композитных лазерных пластин 10, составляющих активный элемент, находятся в тепловом контакте с теплоотводящими элементами 21, имеющими сквозные отверстия 24 для прокачки охлаждающей жидкости. Охлаждающая жидкость поступает под давлением во входной коллектор 22 через штуцер 23 и прокачивается через все соосные отверстия 24 в теплоотводящих элементах 21 к выходному коллектору 22, откуда нагретая жидкость через штуцер 23 отводится к чиллеру для охлаждения и повторного использования или утилизируется. Для накачки активной среды используются линейки лазерных диодов 31, собранные в массивы 32. Излучение накачки поступает в многоканальную активную среду через свободные продольные узкие грани пластин 10 и, благодаря полному внутреннему отражению, распространяется, постепенно поглощаясь материалом активной сердцевины 11, через несколько пластин 10, у которых продольные узкие грани имеют оптический контакт.The master
Для получения высококачественного излучения на выходе многолучевого лазерного источника, расширитель 3 должен обеспечить на своем выходе сохранение показателя качества пучка излучения 4 на уровне, близком к показателю качества выходного пучка 2 излучения задающего генератора. В этом случае расходимость излучения на входе многоканального усилителя по сравнению с расходимостью излучения на выходе задающего генератора уменьшается пропорционально отношению размеров сечений пучков на выходе 4 и входе 2 расширителя 3. Это означает, что на вход каждого из параллельных каналов усилителя 7 поступает излучение с практически плоским волновым фронтом.To obtain high-quality radiation at the output of a multi-beam laser source, the
Для получения высококачественного излучения на выходе многолучевого лазерного источника необходимо:To obtain high-quality radiation at the output of a multipath laser source, you must:
- минимизировать влияние термооптических эффектов в усилителе;- minimize the influence of thermo-optical effects in the amplifier;
- уменьшить влияние дифракционных эффектов;- reduce the effect of diffraction effects;
- устранить возможность распространения волноводных и других ненужных поперечных мод;- eliminate the possibility of propagation of waveguide and other unnecessary transverse modes;
- устранить усиленное спонтанное и паразитные излучения.- eliminate amplified spontaneous and spurious emissions.
Термооптические эффекты проявляются в основном в виде поперечного градиента показателя преломления и наведенного двулучепреломления. Поперечный градиент показателя преломления вызван неравномерным температурным полем, создаваемым в процессе отвода тепла от активных слоев, которые нагреваются в процессе накачки. При выходной мощности каждого луча 5 порядка 300 Вт, суммарной длине активных слоев 10 в одном канале усиления около 80 см и коэффициенте использования энергии накачки около 0,7, в одном погонном сантиметре активного слоя должна рассеиваться мощность, равная примерно 1,6 Вт. При использовании иттрий-аллюминиевого граната с теплопроводностью 0,14 Вт/см град.К, градиент температуры в поперечном сечении сердцевины можно приближенно оценить для одного погонного сантиметра, предположив, что все тепло поглощается на оси сердцевины, а рассеивается на ее поверхности, по формуле:Thermo-optical effects are manifested mainly in the form of a transverse gradient of the refractive index and induced birefringence. The transverse gradient of the refractive index is caused by an uneven temperature field created in the process of heat removal from active layers, which are heated during pumping. When the output power of each
, ,
где δТ - градиент температурного поля, равный разности температур в центре и на поверхности круглой активной сердцевины;where δТ is the temperature field gradient equal to the temperature difference in the center and on the surface of the round active core;
р - мощность потока тепла, рассеиваемого с каждого погонного сантиметра активной сердцевины;p is the power of the heat flux dissipated from each linear centimeter of the active core;
r - радиус сердцевины;r is the radius of the core;
λ - коэффициент теплопроводности.λ is the coefficient of thermal conductivity.
При таком градиенте изменение показателя преломления очень мало и практически не оказывает влияния на качество излучения.With such a gradient, the change in the refractive index is very small and has practically no effect on the quality of the radiation.
Благодаря низким температурным градиентам и скрещенному размещению пластин 10 в каждом ряду 12, обеспечивающему компенсацию влияния наведенного двулучепреломления, этот эффект также практически не оказывает влияния на качество усиливаемого лазерного пучка.Due to the low temperature gradients and the crossed placement of the
При большой длине усилительного канала должно быть исключено влияние спонтанного и других паразитных излучений, включая блики от поверхностей оптических элементов, волноводные и ненужные поперечные моды. В предлагаемом варианте реализации изобретения это обеспечивается тем, что сквозной оптический канал существует в каждом ряду только в непосредственной близости от активной сердцевины. Благодаря тому, что смежные пластины развернуты по отношению друг к другу на 90 градусов, в оптическом контакте находятся только торцы активных сердцевин и прилегающая к ним небольшая часть остальной поверхности торца. Через оставшуюся часть рассеиваются все поперечные моды, кроме основной, а также излучения паразитной генерации и усиленного спонтанного излучения. Эта часть торцевых поверхностей пластин может иметь поглощающее покрытие для блокирования распространения любых излучений, распространяющихся под углом к оптическим осям рядов, из которых составлен многоканальный усилитель.With a large length of the amplification channel, the influence of spontaneous and other spurious emissions, including glare from the surfaces of optical elements, waveguide and unnecessary transverse modes, should be excluded. In the proposed embodiment, this is ensured by the fact that the through optical channel exists in each row only in the immediate vicinity of the active core. Due to the fact that adjacent plates are rotated relative to each other by 90 degrees, only the ends of the active cores and the adjacent small part of the remaining surface of the end face are in optical contact. Through the remainder, all transverse modes are scattered, except for the fundamental, as well as spurious emission and amplified spontaneous emission. This part of the end surfaces of the plates may have an absorbing coating to block the propagation of any radiation propagating at an angle to the optical axes of the rows of which the multi-channel amplifier is composed.
Эти меры не работают в пределах угловой апертуры, определяемой геометрией канала и разностью показателей преломления в поперечном сечении усилительного канала в соответствии с формулами:These measures do not work within the angular aperture determined by the geometry of the channel and the difference in refractive indices in the cross section of the amplification channel in accordance with the formulas:
α1=d/L;α 1 = d / L;
где:Where:
d - размер сечения прозрачного усилительного канала;d is the cross-sectional size of the transparent amplification channel;
L - длина канала;L is the length of the channel;
n1, n2 - максимальный и минимальный показатели преломления в области поперечного сечения активной сердцевины.n 1 , n 2 - the maximum and minimum refractive indices in the cross section of the active core.
Эта область оказывается достаточно узкой благодаря большому отношению длины и сечения каждого усилительного канала и малому температурному градиенту, поэтому плотность мощности вредных излучений в пределах указанной угловой апертуры может быть сделана достаточно низкой по сравнению с плотностью мощности излучения, поступающего на вход каналов из расширителя 4. Это создает условия доминирования полезной моды, в соответствии с правилом, по которому вероятность вынужденного излучения пропорциональна плотности мощности излучения, попадающего в возбужденную накачкой область активной среды.This region is rather narrow due to the large ratio of the length and cross section of each amplifier channel and the small temperature gradient, therefore, the power density of harmful radiation within the specified angular aperture can be made quite low compared to the power density of the radiation entering the channel input from
Возможность достижения высокого качества мощного излучения на выходе многолучевого лазерного источника оправдывает значительные потери излучения задающего генератора, вызванные плохим коэффициентом использования сечения пучка 4, выходящего из расширителя 3. При мощности задающего генератора 1 в несколько десятков ватт и выходной мощности высококачественного излучения каждого из десятков каналов в несколько сотен ватт, этими потерями можно пренебречь.The ability to achieve high quality high-power radiation at the output of a multi-beam laser source justifies the significant loss of radiation from the master oscillator due to the poor utilization of the
Таким образом, в компактном многолучевом источнике лазерного излучения с общими для десятков и сотен каналов усиления системами накачки и охлаждения, за счет многократного расширения пучка излучения задающего генератора, блокирования распространения паразитного и спонтанного излучения и радикального снижения температурных градиентов, обеспечивается высокое качество каждого пучка многолучевого источника, что позволяет фокусировать излучение с помощью длиннофокусной оптики.Thus, in a compact multipath source of laser radiation with pumping and cooling systems common to tens and hundreds of amplification channels, due to the multiple expansion of the radiation beam of the master oscillator, blocking the propagation of spurious and spontaneous radiation and a radical decrease in temperature gradients, the high quality of each beam of the multipath source is ensured , which allows focusing radiation using long-focus optics.
В другом варианте предлагаемого изобретения, для снижения влияния отражений от торцевых узких граней лазерные пластины, показанные на фиг. 9, изготовлены в виде скошенных параллелепипедов. В этом варианте часть пластин 10 в каждом ряду, например, четные, имеют широкую пару граней 14 в форме параллелограмма, а альтернативные пластины имеют продольную узкую пару граней 13 в форме параллелограмма, причем соответственные углы этих параллелограммов равны, а остальные грани пластин прямоугольные. Острый угол параллелограммов может быть равен углу Брюстера. Для устранения астигматизма, возникающего из-за наклонного падения лучей, на входе и выходе многоканального усилителя могут быть установлены оптические клинья, или соответствующую форму могут иметь пластины с торцевыми гранями, обращенными ко входу и выходу каждого канала.In another embodiment of the present invention, in order to reduce the influence of reflections from narrow end faces, the laser plates shown in FIG. 9 are made in the form of beveled parallelepipeds. In this embodiment, part of the
В третьем варианте предлагаемого изобретения, для снижения влияния дифракционных эффектов за счет создания аподизирующего поперечного профиля усилительного канала, в каждом ряду размер поперечного сечения активной сердцевины 11 в лазерных пластинах 10 увеличивается по мере их приближения к выходу усилителя, как показано на фиг. 10.In a third embodiment of the invention, in order to reduce the influence of diffraction effects by creating an apodizing transverse profile of the amplifier channel, in each row, the cross-sectional size of the
В четвертом варианте предлагаемого изобретения для компенсации дисперсии групповых скоростей при усилении ультракоротких импульсов, все или часть, например, только одинаково ориентированные в пространстве пластины 10, имеют на каждой поперечной узкой грани прозрачную дифракционную решетку 15 с симметричным профилем штрихов, показанную на фиг. 11. Эта дифракционная решетка разделяет нормально падающее на нее излучение на спектральные составляющие, отклоняя их под разными углами в плоскости, перпендикулярной широким граням пластины, и они распространяются вдоль оптической оси активного ядра в виде симметричных волноводных мод благодаря полному внутреннему отражению от широких граней. Дифракционная решетка может быть выгравирована непосредственно на торцевых гранях пластины или на этой поверхности может быть установлена внешняя прозрачная решетка. Выгравированная дифракционная решетка работает в одном порядке дифракции, примерно также, как решетка типа эшелетт, только не в отраженных, а в проходящих лучах.In the fourth embodiment of the invention, to compensate for the dispersion of group velocities during amplification of ultrashort pulses, all or part, for example, only plates equally oriented in space, 10 have a transparent diffraction grating 15 with a symmetrical stroke profile on each transverse narrow face shown in FIG. 11. This diffraction grating separates the radiation normally incident on it into spectral components, deflecting them at different angles in a plane perpendicular to the wide faces of the plate, and they propagate along the optical axis of the active core in the form of symmetrical waveguide modes due to total internal reflection from wide faces. The diffraction grating can be engraved directly on the end faces of the plate, or an external transparent grating can be installed on this surface. An engraved diffraction grating works in the same diffraction order, much like an echelette grating, but not in reflected, but in transmitted rays.
Для снижения поляризационных потерь при последовательном проходе через решетки с ортогональной ориентацией штрихов на четных и нечетных пластинах, дифракционные решетки должны быть устроены только на части пластин с одинаковой ориентацией граней или между четными и нечетными пластинами должны быть установлены кварцевые пластинки, поворачивающие плоскость поляризации на 90 градусов.To reduce polarization losses during sequential passage through gratings with orthogonal strokes on even and odd plates, diffraction gratings should be arranged only on parts of the plates with the same face orientation, or quartz plates should be installed between the even and odd plates, rotating the plane of polarization 90 degrees .
Один из вариантов реализации устройства для обработки материалов с помощью предлагаемого многолучевого источника лазерного излучения показан на фиг. 12. Устройство имеет в своем составе станину 100 с базовой поверхностью 101, сканирующие лазерные головки 9 с фокусирующей оптикой и многолучевой источник лазерного излучения, состоящий из задающего генератора 1, расширителя лазерного пучка 3 и многолучевого лазерного усилителя 7. С выхода усилителя 7 лазерное излучение в виде большого числа пучков 5 через отражательные призмы 8 поступает на входные окна лазерных сканирующих головок 9, аналогичные головкам типа L2H14X2 фирмы Cambridge Technology. Выходное излучение 6 этих головок направляется на базовую поверхность 101. Выходные окна лазерных головок устанавливаются над базовой поверхностью с перекрытием областей сканирования, обеспечивающим обработку материала, по крайней мере, двумя лучами 6. Например, сканирующие головки могут быть установлены над вершинами воображаемых квадратов или прямоугольников, условно разделяющих базовую поверхность на сектора по числу лучей лазерного источника, на высоте, определяемой по формуле h=d/tgα, где d - длина диагонали сектора, α - максимальный угол сканирования.One embodiment of a device for processing materials using the proposed multi-beam laser source is shown in FIG. 12. The device includes a
Предлагаемая установка лазерной обработки материалов при использовании, например, для лазерного спекания металлических порошков работает следующим образом.The proposed installation of laser processing of materials when used, for example, for laser sintering of metal powders works as follows.
Металлический порошок в количестве, необходимом для спекания одного слоя, насыпается на базовую поверхность 101, затем этот слой выравнивается и уплотняется. Формируется массив лазерных пучков 6, одновременно используемых для спекания различных участков обрабатываемого слоя. Происходит это следующим образом.The metal powder in the amount necessary for sintering one layer is poured onto the
Задающий генератор лазерного излучения 1 формирует тонкий слабо расходящийся пучок электромагнитного излучения 2 с хорошим показателем качества. Это излучение поступает на вход расширителя 3. Широкий пучок излучения 4 с выхода расширителя 3 разделяется на фрагменты, проходя на вход многоканального усилителя 7 через диафрагмы 25 в первом коллекторе охлаждающей жидкости 22. Усиленные многоканальной активной средой пучки излучения 5 выводятся через диафрагмы 25 во втором коллекторе охлаждающей жидкости 22.The master
Сформированный таким образом многолучевой массив лазерных пучков 5 направляется на входные окна лазерных сканирующих головок 9 с помощью отражательных призм 8. Выходные окна сканирующих головок расположены над вершинами квадратных или прямоугольных секторов, которые условно разделяют базовую поверхность на отдельные сегменты, на высоте, определяемой по формуле: h=d/tgα, где d - длина диагонали сектора, α - максимальный угол сканирования. Как видно из фиг. 8, при таком расположении область сканирования 91 каждого луча 6 накрывает по четыре сектора, исключая лучи 6, выходящие из сканирующих головок, расположенных над внешней границей базовой поверхности 101.The thus formed multi-beam array of
В другом варианте установки для лазерной обработки материалов, показанном на фиг. 9, дополнительно используется жесткая координатная рама 103, с установленными на ее ребрах датчиками координатной сетки 104, позволяющими корректировать ошибки юстировки сканирующих головок, при этом ребра координатной рамы проходят над центрами квадратных секторов в периферийной зоне сканирования, не используемой для обработки материалов. В качестве чувствительной поверхности этих датчиков может быть использовано оптоволокно, сердцевина которого имеет размеры, обеспечивающие достаточную точность компенсации. Компенсация ошибок осуществляется программным способом с использованием методов триангуляции, например, так, как предложено в патентном источнике [7].In another embodiment of the laser material processing apparatus shown in FIG. 9, a rigid coordinate
В третьем варианте установки для лазерной обработки материалов над вершинами квадратов, на которые разделена базовая поверхность, установлено по две или более сканирующих головок, как показано на фиг. 10, выходное излучение которых с помощью зеркал 92 направляется в общую зону базовой поверхности. При этом число секторов, на которые условно разделяется базовая поверхность, уменьшается пропорционально числу сканирующих головок, стоящих над каждой вершиной, и форма базовой поверхности может быть квадратной или прямоугольной.In the third embodiment of the apparatus for laser processing of materials above the vertices of the squares into which the base surface is divided, two or more scanning heads are installed, as shown in FIG. 10, the output radiation of which with the help of
Использованные источникиUsed sources
1. US 2013011126721. US 201301112672
2. US 74439032. US 7443903
3. US 62706043. US 6,270,604
4. US 58466384. US 5846638
5. US 60250605. US 6025060
6. US 65115716. US 6511571
7. US 79163757. US 7916375
8. Koechner, W., Solid-State Laser Engineering, Sixth Revised and Updated Edition, 2006, W.T. Rhodes et al., eds., Springer Science + Business Media.8. Koechner, W., Solid-State Laser Engineering, Sixth Revised and Updated Edition, 2006, W.T. Rhodes et al., Eds., Springer Science + Business Media.
Claims (20)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015133253A RU2632745C2 (en) | 2015-08-10 | 2015-08-10 | Multi-beam laser radiation source and device for handling materials with its use |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015133253A RU2632745C2 (en) | 2015-08-10 | 2015-08-10 | Multi-beam laser radiation source and device for handling materials with its use |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2015133253A RU2015133253A (en) | 2017-02-15 |
RU2632745C2 true RU2632745C2 (en) | 2017-10-09 |
Family
ID=58454260
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2015133253A RU2632745C2 (en) | 2015-08-10 | 2015-08-10 | Multi-beam laser radiation source and device for handling materials with its use |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2632745C2 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2021080448A1 (en) * | 2019-10-23 | 2021-04-29 | Общество С Ограниченной Ответственностью "3Д-Медуза" | Multi-beam scanning machine for selective laser melting |
RU2791739C1 (en) * | 2019-10-23 | 2023-03-13 | Общество С Ограниченной Ответственностью "3Д-Медуза" | Multibeam raster selective laser melting machine |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2082264C1 (en) * | 1994-08-02 | 1997-06-20 | Научно-исследовательский институт комплексных испытаний оптико-электронных приборов и систем ВНЦ "ГОИ им.С.И.Вавилова" | Scanning laser |
RU2142665C1 (en) * | 1998-08-10 | 1999-12-10 | Швейкин Василий Иванович | Injection laser |
US6229939B1 (en) * | 1999-06-03 | 2001-05-08 | Trw Inc. | High power fiber ribbon laser and amplifier |
JP2001185795A (en) * | 1999-12-27 | 2001-07-06 | Fuji Photo Film Co Ltd | Ultraviolet laser device |
US7443903B2 (en) * | 2006-04-19 | 2008-10-28 | Mobius Photonics, Inc. | Laser apparatus having multiple synchronous amplifiers tied to one master oscillator |
-
2015
- 2015-08-10 RU RU2015133253A patent/RU2632745C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2082264C1 (en) * | 1994-08-02 | 1997-06-20 | Научно-исследовательский институт комплексных испытаний оптико-электронных приборов и систем ВНЦ "ГОИ им.С.И.Вавилова" | Scanning laser |
RU2142665C1 (en) * | 1998-08-10 | 1999-12-10 | Швейкин Василий Иванович | Injection laser |
US6229939B1 (en) * | 1999-06-03 | 2001-05-08 | Trw Inc. | High power fiber ribbon laser and amplifier |
JP2001185795A (en) * | 1999-12-27 | 2001-07-06 | Fuji Photo Film Co Ltd | Ultraviolet laser device |
US7443903B2 (en) * | 2006-04-19 | 2008-10-28 | Mobius Photonics, Inc. | Laser apparatus having multiple synchronous amplifiers tied to one master oscillator |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2021080448A1 (en) * | 2019-10-23 | 2021-04-29 | Общество С Ограниченной Ответственностью "3Д-Медуза" | Multi-beam scanning machine for selective laser melting |
RU2791739C1 (en) * | 2019-10-23 | 2023-03-13 | Общество С Ограниченной Ответственностью "3Д-Медуза" | Multibeam raster selective laser melting machine |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2015133253A (en) | 2017-02-15 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US8238399B2 (en) | High-gain diode-pumped laser amplifier | |
US7085304B2 (en) | Diode-pumped solid state disk laser and method for producing uniform laser gain | |
KR101702246B1 (en) | Laser beam amplification by homogenous pumping of an amplification medium | |
US6834070B2 (en) | Edge-facet pumped, multi-aperture, thin-disk laser geometry for very high average power output scaling | |
AU723309B2 (en) | Laser pump cavity apparatus with integral concentrator and method | |
JPH07193307A (en) | Solid laser source, method of removing influence of multiplerefraction and zigzag amplifier | |
CN110932077B (en) | End pump multi-pass lath laser amplifier | |
AU730093B2 (en) | Thermally improved slab laser pump cavity apparatus with integral concentrator | |
Vetrovec et al. | Progress in the development of solid state disk laser | |
RU2632745C2 (en) | Multi-beam laser radiation source and device for handling materials with its use | |
EP2835881B1 (en) | Optical amplifier arrangement | |
US20030031226A1 (en) | System and method for pumping a slab laser | |
KR102523726B1 (en) | Laser amplification method | |
RU2626723C2 (en) | Solid amplifier of laser radiation with diode pump with large amplification coefficient and high average power | |
CN109638617B (en) | Compact high-energy pulse laser | |
Vetrovec et al. | Development of solid state disk laser for high-average power | |
Marshall et al. | Next-generation laser for inertial confinement fusion | |
KR20230119143A (en) | A device for amplifying a laser beam | |
Kuznetsov et al. | Along-the-side pump concept for rod laser amplifiers with high average power | |
CN104064943A (en) | Chemical laser device with seed injection unstable resonator | |
RU2569904C1 (en) | Laser device having laminar optical element | |
Seyedzamani et al. | Simple highly efficient pumping configuration in high-power thin-disk laser | |
WO2017058054A1 (en) | Waveguide laser device | |
WO2007129074A1 (en) | Side-pumped laser or amplifier device | |
CN106707503A (en) | High-power semiconductor stack smile face correcting and line width narrowing device and method |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20170811 |