установка для скоростного лазерного клеймения

Формула изобретения

Установка для скоростного лазерного клеймения, содержащая проекционную систему, блок питания и лазер, включающий сопряженный резонатор, состоящий из двух софокусно расположенных линз, двух зеркал, усиливающей среды, импульсной лампы, пространственного модулятора света, отличающаяся тем, что в резонаторе дополнительно установлена маска в одной из двух сопряженных оптических плоскостей, пространственно совмещенных с поверхностями первого или второго зеркала, а пространственный модулятор света выполнен в виде диска с отверстиями, который закреплен на оси электродвигателя и расположен в сопряженной фокальной плоскости первой или второй линзы, совмещенной с поверхностью соответствующего зеркала.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к классу лазерных проекционных систем. Установка для скоростного лазерного клеймения может быть использована для нанесения микроизображений (маркировки) на изделия, изготовленные из металлов, хорошо отражающих свет, например серебро, золото и т.д. Областью применения может быть радиоэлектроника, медицина, ювелирная промышленность и т.д.

В качестве аналога рассмотрен комплекс “Лазермарк” фирмы “Люмоникс”, Канада [1].

Оптическая схема комплекса содержит источник излучения, диск с набором масок, например представляющих собой шрифт, электропривод, проекционный объектив.

Лазерное излучение, прошедшее сквозь прорези маски, попадает на проекционный объектив, который строит изображение маски на поверхности маркируемого изделия. Под действием лазерного излучения происходит удаление материала из облученной зоны и фиксация изображения маски. Комплекс “Лазермарк” предназначен для маркировки мелким шрифтом различных неметаллических материалов в радиоэлектронике, медицине и т.д.

Недостатками данной установки являются ограниченный набор наносимых установкой изображений, относительно небольшая мощность выходного лазерного излучения, сужающая круг материалов изделий, маркируемых установкой.

Известен лазерный клеймитель [2]. Лазерный клеймитель содержит импульсный твердотельный лазер, блок оптических клиньев, сканирующую призму, двигатель, маску, поворотные зеркала, объектив.

Излучение, прошедшее сквозь прорези маски, поворотными зеркалами направляется на объектив, который строит уменьшенное изображение маски на поверхности обрабатываемого изделия. Интенсивность лазерного излучения должна превышать порог испарения материала изделия. В этом случае происходит удаление материала из облученной зоны и фиксация рельефного изображение маски. Варьируя скорость вращения призмы, можно изменять время воздействия лазерного излучения на изделие и получать требуемую глубину рельефа изображения.

Основными недостатками лазерного клеймителя являются большие затраты лазерного излучения для формирования наносимого изображения и малая (не более 20 мкм) глубина рельефа изображения.

За прототип выбрана установка скоростной лазерной маркировки, описанная в [3]. Установка состоит из сканирующего лазера, проекционной системы (линзы), строящей изображение на маркируемой поверхности, устройства управления пространственно-временным модулятором света (ПВМС), блока питания лазера и компьютера. Сканирующий лазер включает в себя сопряженный резонатор, образованный двумя зеркалами, расположенными в фокальных плоскостях двух софокусно расположенных линз, усиливающую среду (активный элемент) с импульсной лампой накачки, ПВМС, состоящий из двух электроуправляемых пластин, фазовую пластинку, поляризатор, диафрагму и пассивный затвор.

Принцип работы установки скоростной лазерной маркировки состоит в формировании лазерным излучением на поверхности изделия требуемого изображения. Синтез изображения реализуется в результате последовательного облучения заданного топологического рисунка сфокусированным лазерным пучком. Для этой цели формируют регулярный растр строк развертки. Единичную строку развертки получают сканированием луча, генерируемого лазером за один импульс накачки. После того, как изделие смещается на заданную величину в направлении, перпендикулярном направлению строк, аналогично образуется следующая строка и таким образом последовательно образуют растр с необходимым числом строк, которое равно количеству импульсов генерации лазера. В результате получается контрастный рисунок.

Основными недостатками установки являются малая мощность выходного излучения, крайне низкое разрешение наносимого изображения (30 на 30 элементов), что ограничивает использование установки для маркировки клеймами со сложным по топологии рисунком, длительное время нанесения изображения ограничивает быстродействие установки, а также невозможность маркировки неподвижных изделий, что существенно сужает область применения установок такого типа.

Задачами предлагаемой установки являются увеличение мощности выходного лазерного излучения при повышении быстродействия установки, увеличение глубины рельефа изображения, а также увеличение разрешения наносимого изображения.

Для решения поставленной задачи предложена установка для скоростного лазерного клеймения (УСЛК), состоящая из лазера, блока питания, электродвигателя и проекционной системы (объектива). Лазер состоит из сопряженного резонатора, образованного двумя зеркалами, установленными в фокальных плоскостях двух софокусно расположенных линз, и усиливающей среды с импульсной лампой накачки и блоком питания. Кроме того, дополнительно установлена маска, расположенная в одной из двух сопряженных оптических плоскостей, пространственно совмещенных с поверхностями первого или второго зеркала, а модулятор света, выполненный в виде диска с отверстиями (диск ПМС), закрепленный на оси двигателя, расположен в сопряженной плоскости первой или второй линзы.

Существенным является то, что в данной установке определенным образом установлены пространственно временной модулятор света в виде диска с отверстиями (диск ПМС) и маска с прорезями, топология последних совпадает с топологией наносимого изображения. Отверстия диска ПМС выполнены по витку спирали, отстоящие друг от друга на различные и определенные расстояния. Излучение происходит только в момент пересечения одного из отверстий диска ПМС с любой прорезью маски. Ввиду того, что диск ПМС непрерывно вращается, одно из отверстий совмещается с какой-либо прорезью маски. В результате этого осуществляется генерация излучения. Затем генерация прекращается до нового момента пересечения отверстия и следующей прорези маски. Выбирая длительность импульса лампы накачки равным или превышающим периода вращения диска ПМС, сканирование рисунка маски происходит за один оборот диска и соответственно формирование изображения маски на поверхности облучаемого материала формируется в течение одного светового импульса лампы накачки. Таким образом следует, что наличие в предлагаемой установке маски и диска ПМС, их взаимосвязь и расположение внутри резонатора являются существенными и необходимыми для достижения поставленных задач.

Установка состоит из пространственного модулятора света в виде диска 1, электродвигателя 2, блока питания 3, импульсной лампы 4, плоского зеркала 5, маски 6, двух линз 7, 8, усиливающей среды 9, плоского зеркала 10, объектива 11 (фиг.1).

Внутри резонатора, между линзами 7 и 8 расположена усиливающая среда 9 с системой накачки, например одно- или многоламповый квантрон с активным элементом из Nd:YAG. Проекционная система - это объектив, который строит изображение.

Возможно несколько вариантов взаиморасположения маски и диска ПМС внутри резонатора: например, маска установлена в оптически сопряженной плоскости линзы 7 пространственно совмещенной с поверхностью зеркала 5 (в плоскости зеркала 5), а диск ПМС - также в оптически сопряженной плоскости линзы 7 (фиг.1); маска - в плоскости зеркала 5, а диск ПМС - в оптически сопряженной плоскости линзы 8 пространственно совмещенной с поверхностью зеркала 10 (в плоскости зеркала 10); маска - в плоскости зеркала 10, а диск ПМС - в плоскости зеркала 5 (фиг.3); маска - в плоскости зеркала 10, а диск ПМС - в оптически сопряженной плоскости линзы 8. Принцип действия установки в целом остается неизменным при описанных вариантах взаиморасположения маски и диска ПМС. Это объясняется тем, что маска и диск ПМС будут установлены вблизи фокальных плоскостей линз 7 и 8, которые оптически сопряжены.

На фиг.1 приведена схема установки для скоростного лазерного клеймения. На фиг.2 приведен фронтальный вид одного из вариантов выполнения диска ПМС. Другая схема возможного варианта выполнения установки приведена на фиг.3.

На диске ПМС отверстия выполнены по витку спирали: отверстия расположены на различных расстояниях от центра диска ПМС с определенным интервалом в один (или менее) поперечного размера отверстий, по обходу диска ПМС - через различные и определенные углы. Расстояние между центрами двух соседних отверстий равно наибольшему вертикальному размеру маски (поля маски). Протяженность поля сканирования в горизонтальном направлении определяется произведением диаметра единичного отверстия на их количество. Для увеличения количества излучения, проходящего через единичный элемент маски, возможно выполнение диска ПМС с интервалом между отверстиями по радиусу диска ПМС менее их поперечного размера. В этом случае протяженность поля сканирования в горизонтальном направлении определяется с учетом этого интервала. Диск ПМС вращается при помощи электродвигателя 2, на оси которого он установлен.

С целью укорочения длительности импульса лазерного излучения, генерирующегося при пересечении любого отверстия диска ПМС прорези маски и повышению мощности (пиковой) лазерного излучения в резонатор может быть установлен пассивный или активный (с дополнительным блоком управления) затвор. Дополнение установки активным или пассивным затвором будет способствовать получению большей глубины рельефа наносимых изображений. Принцип действия установки в целом при этом останется неизменным.

Технические параметры установки были подтверждены в ходе исследования и испытания макета установки собранного в соответствии со схемой, приведенной на фиг.1.

При переводе УСЛК в рабочее состояние электродвигатель 2 осуществляет непрерывное вращение диска ПМС 1, на блок питания 3 импульсной лампы 4 подается команда “Накачка”. По этой команде блок питания 3 вырабатывает токовый импульс, который поступает на лампу накачки 4. Лампа 4 срабатывает и излучает световой импульс, длительность которого более времени оборота диска ПМС вокруг своей оси, что соответствует времени сканирования плоскости маски.

К примеру, при использовании электродвигателя типа ДПМ скорость вращения составляет 6000 об/мин. Диск ПМС непрерывно вращается, отверстие А₁ (фиг.2) совмещается с прорезью маски 6. В результате этого осуществляется генерация излучения. Затем генерация излучения прекращается до момента совмещения следующего отверстия (А₂) диска ПМС с прорезью маски 6 и т.д. Таким образом происходит построчное сканирование рисунка маски за один оборот диска ПМС и соответственно формирование изображения маски на поверхности облучаемого материала в течение одного светового импульса лампы накачки, длительность которого была выбрана около 10 мс. Время нанесения изображения таким образом составило около 10 мс.

Поскольку генерация лазерного излучения возможна только при условии совпадения отверстия диска ПМС с прорезью маски, то практически все 100% излучения лазера проходит через прорези маски. При использовании зеркал с коэффициентом отражения >99,5% и 40% в качестве зеркал 5 и 10 соответственно, а также линз 7 и 8 с фокусным расстоянием 175 мм была получена энергия выходного лазерного излучения до 10 Дж.

В месте попадания излучения на изделие, определяемое топологией маски, происходят структурные изменения материала изделия. В результате получили контрастное изображение, значения глубины рельефа изображения, в случае выполнения изделия из меди достигали 200 мкм. Разрешение наносимого изображения определялось сканирующими отверстиями диска ПМС, поперечный размер отверстий составлял 0,3 мм, таким образом было получено разрешение не менее 300 × 300 элементов.

Технико-экономический эффект:

Совокупность технических решений УСЛК позволяет решить поставленные задачи.

1. Повысилось быстродействие установки - время нанесения изображения составляет 10^-2 с (у прототипа 10^-1 с). Скорость клеймения в несколько раз больше по сравнению с прототипом, что повышает производительность.

2. Использование диска ПМС, стойкого к воздействию излучения, позволяет повысить энергию импульса генерации лазера на уровне 10 Дж (у прототипа 8 мДж). Применение импульсного режима работы позволяет увеличить мощность лазерного излучения.

3. Использование диска ПМС внутри сопряженного резонатора позволяет адресную генерацию лазерного излучения и значительно уменьшить его потери, что позволяет увеличить глубину рельефа изображения.

4. Количество маркируемых изделий может достигать величины нескольких десятков штук в секунду (у прототипа единицы штук в с).

5. Разрешение наносимого изображения увеличено в несколько раз.

6. Предлагаемая установка для скоростного лазерного клеймения обеспечивает скоростную маркировку как неподвижных, так и перемещающихся изделий, например, по конвейеру.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Технологические лазеры: Справочник: В 2 т. Т. 1: Расчет, проектирование и эксплуатация / Г.А.Абильсиитов, B.C.Голубев, В.Г.Гонтарь и др.; Под общ. ред. Г.А.Абильсиитова. - М.: Машиностроение, 1991. 432 с.: ил. Лазермарк.

2. Патент РФ №2111849. С.Г.Горный, А.М.Григорьев.

3. В.Н.Алексеев, В.Н.Котылев, В.И.Либер. Квантовая электроника, 27, 233, 1999.