[go: up one dir, main page]
More Web Proxy on the site http://driver.im/

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 PDF

Info

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
Application number
RU2015133253A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2015133253A (en
Inventor
Владимир Валентинович Павлов
Original Assignee
Владимир Валентинович Павлов
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Владимир Валентинович Павлов filed Critical Владимир Валентинович Павлов
Priority to RU2015133253A priority Critical patent/RU2632745C2/en
Publication of RU2015133253A publication Critical patent/RU2015133253A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2632745C2 publication Critical patent/RU2632745C2/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES 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
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/08Construction or shape of optical resonators or components thereof
    • H01S3/081Construction or shape of optical resonators or components thereof comprising three or more reflectors
    • H01S3/082Construction 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
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/10Sintering only
    • B22F3/105Sintering only by using electric current other than for infrared radiant energy, laser radiation or plasma ; by ultrasonic bonding
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/064Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES 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
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25Process 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

FIELD: physics.
SUBSTANCE: multiple-beam source consists of a generator and a multi-channel amplifier. Radiation generator comes to the input of the amplifier via the Extender, and then hardened individual fragments of a wide beam of the active element, consisting of laser plates located successively in several parallel ranges. Each plate contains elongated along the longitudinal axis of the plate at the heart of the active material and surrounding it with the side of a dormant shell. The space between all the plates is filled with heat sink elements. The pump radiation is fed through the free narrow faces of the plates. Treated material is placed on the base surface, conventionally divided into sectors according to the number of laser beams. Scanning heads installed over one of the vertices of each sector at an altitude determined by the formula h=d/tgα, where d is the diagonal length of the sector, α - maximum scan angle. To compensate alignment errors of laser heads used rigid frame with a square grid sensors.
EFFECT: invention allows the simultaneous use of a large number of powerful laser beams to speed the processing of large volume products.
5 cl, 14 dwg

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

1:one: задающий генераторmaster oscillator 2:2: выходной пучок излучения задающего генератораoutput radiation beam of the master oscillator 3:3: расширитель лазерного излученияlaser expander 4:four: выходной пучок расширителя лазерного излученияlaser beam expander output beam 5:5: массив выходных пучков многолучевого источника лазерного излученияarray of output beams of a multipath source of laser radiation 6:6: выходной луч лазерного сканераlaser scanner output beam 7:7: многолучевой лазерный усилительmultipath laser amplifier 8:8: отражательная призмаreflective prism 9:9: лазерный сканерlaser scanner 10:10: лазерная пластинаlaser plate 11:eleven: активная сердцевинаactive core 12:12: ряд последовательно установленных лазерных пластинseries of laser plates in series 13:13: продольная узкая граньlongitudinal narrow face 14:fourteen: широкая граньwide line 15:fifteen: дифракционная решеткаdiffraction grating 21:21: теплоотводящая пластинаheat sink plate 22:22: коллектор охлаждающей жидкостиcoolant manifold 23:23: штуцерfitting 24:24: сквозные отверстия для прокачки охлаждающей жидкостиthrough holes for pumping coolant 25:25: входная/выходная диафрагмы многолучевого лазерного усилителя.input / output diaphragm of a multipath laser amplifier. 31:31: линейка лазерных диодовlaser diode line 32:32: массив линеек лазерных диодовarray of laser diode lines 91:91: область сканированияscan area 92:92: зеркалоmirror 100:one hundred: станинаbed 101:101: базовая поверхностьbase surface 102:102: сетка квадратных или прямоугольных секторовgrid of square or rectangular sectors 103:103: координатная рамаcoordinate frame 104:104: датчики координатной сетки.grid sensors.

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 master oscillator 1, a laser beam expander 2, and a multi-channel amplifier 7. The multi-channel amplifier 7 shown in FIG. 7, includes several arrays of lines of laser pump diodes 32 with a cooling system and drivers for the power supply system (not shown in FIGS. 6 and 7), elements of the heat sink system 21, 22, 23 and a multi-channel active element shown in FIG. 8. The active element is a set of parallel-mounted rows 12, consisting of a sequence of laser plates 10, with coaxial active cores 11. The wide edges of adjacent plates in each row are rotated 90 degrees relative to each other.

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 laser radiation generator 1 forms a thin, slightly diverging beam of electromagnetic radiation 2 with a good quality indicator in the range of M2 = 1.5 ... 2 mm mrad. This radiation enters the input of the expander 3. A wide beam of radiation 4 from the output of the expander 3 is divided into fragments, passing through the diaphragms 25 in the first collector of the coolant 22, which are separately amplified in the multi-channel active element. The amplified radiation beams 5 are output through the diaphragms 25 in the second coolant manifold 22. All wide faces of the composite laser plates 10 constituting the active element are in thermal contact with the heat-removing elements 21 having through holes 24 for pumping the coolant. The cooling liquid flows under pressure into the inlet manifold 22 through the nozzle 23 and is pumped through all coaxial openings 24 in the heat-removing elements 21 to the outlet manifold 22, from where the heated liquid through the nozzle 23 is discharged to the chiller for cooling and reuse or utilized. The active medium is pumped using a line of laser diodes 31, assembled into arrays 32. The pump radiation enters the multichannel active medium through free longitudinal narrow faces of the plates 10 and, thanks to the total internal reflection, propagates, gradually being absorbed by the material of the active core 11, through several plates 10, in which the longitudinal narrow faces have optical contact.

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 expander 3 must ensure at its output that the quality of the radiation beam 4 is maintained at a level close to the quality of the output radiation beam 2 of the master oscillator. In this case, the divergence of the radiation at the input of the multichannel amplifier compared with the divergence of radiation at the output of the master oscillator decreases in proportion to the ratio of the beam cross sections at the output 4 and input 2 of the expander 3. This means that the radiation from the plane of each of the parallel channels of the amplifier 7 is almost flat wave front.

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 beam 5 is of the order of 300 W, the total length of the active layers 10 in one gain channel is about 80 cm and the coefficient of use of the pump energy is about 0.7, a power equal to about 1.6 W should be dissipated in one linear centimeter of the active layer. When using yttrium-aluminum garnet with a thermal conductivity of 0.14 W / cm degree K, the temperature gradient in the cross section of the core can be approximately estimated for one running centimeter, assuming that all the heat is absorbed on the axis of the core and scattered on its surface, according to the formula :

Figure 00000001
,
Figure 00000001
,

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 plates 10 in each row 12, which compensates for the effect of induced birefringence, this effect also has practically no effect on the quality of the amplified laser beam.

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;

Figure 00000002
Figure 00000002

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 expander 4. This creates the conditions for the dominance of the useful mode, in accordance with the rule according to which the probability of stimulated emission is proportional to the radiation power density giving into the region of the active medium excited by pumping.

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 beam cross section 4 exiting the expander 3. With a master oscillator power of several tens of watts and an output power of high-quality radiation from each of dozens of channels in several hundred watts, these losses can be neglected.

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 plates 10 in each row, for example, even ones, have a wide pair of faces 14 in the shape of a parallelogram, and alternative plates have a longitudinal narrow pair of faces 13 in the shape of a parallelogram, with the corresponding angles of these parallelograms being equal, and the other faces of the plates being rectangular. The acute angle of the parallelograms may be equal to the Brewster angle. To eliminate astigmatism resulting from oblique incidence of rays, optical wedges can be installed at the input and output of the multichannel amplifier, or plates with end faces facing the input and output of each channel can have a corresponding shape.

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 active core 11 in the laser plates 10 increases as they approach the output of the amplifier, as shown in FIG. 10.

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 bed 100 with a base surface 101, scanning laser heads 9 with focusing optics and a multipath source of laser radiation, consisting of a master oscillator 1, a laser beam expander 3 and a multipath laser amplifier 7. From the output of the amplifier 7, the laser radiation in the form of a large number of beams 5 through reflective prisms 8 it enters the input windows of the laser scanning heads 9, similar to the heads of the Cambridge Technology type L2H14X2. The output radiation 6 of these heads is directed to the base surface 101. The output windows of the laser heads are mounted above the base surface with overlapping scanning areas providing processing of the material with at least two beams 6. For example, scanning heads can be mounted above the vertices of imaginary squares or rectangles, conditionally dividing the base surface into sectors by the number of rays of the laser source, at a height determined by the formula h = d / tgα, where d is the diagonal length of the sector, α is the maximum angle ol scan.

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 base surface 101, then this layer is leveled and compacted. An array of laser beams 6 is formed, simultaneously used for sintering various sections of the treated layer. It happens as follows.

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 laser radiation generator 1 forms a thin, slightly divergent beam of electromagnetic radiation 2 with a good quality indicator. This radiation enters the input of the expander 3. A wide beam of radiation 4 from the output of the expander 3 is divided into fragments, passing to the input of the multi-channel amplifier 7 through the diaphragms 25 in the first collector of coolant 22. The radiation beams 5 amplified by the multi-channel active medium are output through the diaphragms 25 in the second collector coolant 22.

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 laser beams 5 is sent to the input windows of the laser scanning heads 9 using reflective prisms 8. The output windows of the scanning heads are located above the vertices of square or rectangular sectors, which conditionally divide the base surface into separate segments, 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. As can be seen from FIG. 8, with this arrangement, the scanning region 91 of each beam 6 covers four sectors, excluding the rays 6 emerging from the scanning heads located above the outer boundary of the base surface 101.

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 frame 103 is additionally used, with coordinate grid sensors 104 installed on its edges to allow adjustment errors of the scanning heads, while the edges of the coordinate frame extend above the centers of square sectors in the peripheral scanning zone not used for processing materials. As the sensitive surface of these sensors can be used optical fiber, the core of which has dimensions that provide sufficient accuracy of compensation. Error compensation is carried out programmatically using triangulation methods, for example, as proposed in the patent source [7].

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 mirrors 92 is directed to the common area of the base surface. In this case, the number of sectors into which the base surface is conventionally divided decreases in proportion to the number of scanning heads above each vertex, and the shape of the base surface can be square or rectangular.

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)

1. Многолучевой источник лазерного излучения, содержащий задающий генератор и многоканальный усилитель, отличающийся тем, что 1. A multipath source of laser radiation containing a master oscillator and a multi-channel amplifier, characterized in that - между задающим генератором и многоканальным усилителем установлен расширитель, который увеличивает сечение лазерного пучка задающего генератора до размеров входной апертуры многоканального усилителя;- an extender is installed between the master oscillator and the multichannel amplifier, which increases the cross section of the laser beam of the master oscillator to the size of the input aperture of the multichannel amplifier; - многоканальный усилитель состоит из параллельных рядов, которые составлены из последовательно расположенных лазерных пластин;- a multi-channel amplifier consists of parallel rows, which are composed of sequentially located laser plates; - в каждом ряду лазерные пластины совмещены так, что их продольные оси лежат на одной прямой, образующей оптическую ось одного из каналов усиления;- in each row, the laser plates are aligned so that their longitudinal axes lie on one straight line forming the optical axis of one of the amplification channels; - ряды лазерных пластин расположены с одинаковым шагом в вертикальном и горизонтальном направлениях;- the rows of laser plates are arranged with the same pitch in the vertical and horizontal directions; - каждая лазерная пластина выполнена в форме прямоугольного параллелепипеда и содержит вытянутое вдоль продольной оси пластины ядро из активного материала и окружающую его с боковых сторон неактивную оболочку из оптического материала с показателем преломления, равным или близким показателю преломления активного материала;- each laser plate is made in the form of a rectangular parallelepiped and contains a core made of active material elongated along the longitudinal axis of the plate and an inactive shell of optical material surrounding it from the sides with a refractive index equal to or close to the refractive index of the active material; - поперечный размер проекции ядра на широкую грань лазерной пластины меньше толщины упомянутой пластины;- the transverse size of the projection of the core onto a wide face of the laser plate is less than the thickness of the plate; - широкие грани нечетных пластин во всех рядах расположены горизонтально, широкие грани четных пластин расположены вертикально, а продольные узкие грани пластин, обращенные друг к другу в соседних рядах, оптически соединены между собой.- the wide faces of the odd plates in all rows are arranged horizontally, the wide faces of the even plates are arranged vertically, and the longitudinal narrow faces of the plates facing each other in adjacent rows are optically interconnected. 2. Многолучевой источник по п. 1, отличающийся тем, что активное ядро каждой лазерной пластины в каждом ряду выполнено с поперечным сечением, увеличивающимся по мере приближения к выходу усилителя2. A multipath source according to claim 1, characterized in that the active core of each laser plate in each row is made with a cross section that increases as it approaches the output of the amplifier 3. Многолучевой источник по п. 1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, часть лазерных пластин, одинаково ориентированных в пространстве, имеют на каждой поперечной узкой грани прозрачную дифракционную решетку с симметричным профилем штрихов с возможностью разделения нормально падающего на нее излучения на спектральные составляющие с отклонением их в плоскости, перпендикулярной широким граням пластины, и распространением их вдоль оптической оси активного ядра в виде симметричных волноводных мод за счет полного внутреннего отражения от широких граней, при этом в каждом ряду между пластинами, имеющими дифракционные решетки и по разному ориентированными в пространстве, установлены оптические элементы, выполненные с возможностью поворота плоскости поляризации усиливаемого излучения на 90 градусов.3. A multipath source according to claim 1, characterized in that at least a portion of the laser plates, equally oriented in space, have a transparent diffraction grating with a symmetrical line profile on each transverse narrow face with the possibility of dividing the radiation normally incident on it into spectral components with their deviation in the plane perpendicular to the wide faces of the plate, and their propagation along the optical axis of the active core in the form of symmetric waveguide modes due to the total internal reflection of t of wide faces, while in each row between the plates having diffraction gratings and differently oriented in space, optical elements are installed that can rotate the plane of polarization of the amplified radiation by 90 degrees. 4. Устройство для лазерной обработки материалов, содержащее:4. Device for laser processing of materials, containing: - станину с базовой поверхностью;- a bed with a base surface; - многолучевой источник лазерного излучения;- multipath source of laser radiation; - сканирующие лазерные головки со встроенной фокусирующей оптикой, работающие под управлением компьютерной программы;- scanning laser heads with built-in focusing optics operating under the control of a computer program; - зеркала или призмы, расположенные с возможностью направления одного из лучей многолучевого лазерного источника на упомянутые сканирующие лазерные головки,- mirrors or prisms arranged to direct one of the beams of a multipath laser source to said scanning laser heads, отличающееся тем, что:characterized in that: - многолучевой источник лазерного излучения выполнен в соответствии с п. 1;- a multipath source of laser radiation is made in accordance with paragraph 1; - базовая поверхность станины поделена на квадратные или прямоугольные сектора в компьютерной программе, управляющей сканирующими лазерными головками;- the base surface of the bed is divided into square or rectangular sectors in a computer program that controls the scanning laser heads; - выходные окна сканирующих лазерных головок размещены над вершинами этих секторов на высоте h=d/tgα, где d - длина диагонали сектора, α - максимальный угол сканирования.- the output windows of the scanning laser heads are placed above the vertices of these sectors at a height h = d / tgα, where d is the diagonal length of the sector, α is the maximum scanning angle. 5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что оно снабжено координатной рамой со сквозными проемами, размещенной между базовой поверхностью станины и выходными окнами сканирующих лазерных головок, при этом сквозные проемы выполнены в форме секторов, а на ребрах координатной рамы установлены датчики координатной сетки, выполненные с возможностью корректировки ошибок юстировки лазерных сканирующих головок, при этом ребра координатной рамы расположены над центрами секторов и размещены в периферийной зоне сканирования, не используемой при обработке материала.5. The device according to claim 4, characterized in that it is provided with a coordinate frame with through openings located between the base surface of the bed and the output windows of the scanning laser heads, while the through openings are made in the form of sectors, and coordinate grid sensors are installed on the edges of the coordinate frame made with the possibility of correcting alignment errors of laser scanning heads, while the edges of the coordinate frame are located above the centers of the sectors and placed in the peripheral scanning zone, not used when processing material.
RU2015133253A 2015-08-10 2015-08-10 Multi-beam laser radiation source and device for handling materials with its use RU2632745C2 (en)

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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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