Применения, способы и системы для доставки лазерного излучения адресуемой матрицы - RU2018105599A

1. Лазерная система для выполнения лазерных технологических операций, содержащая:

a. множество модулей лазерных диодов; при этом

b. каждый модуль лазерных диодов, содержит множество лазерных диодов, способных выдавать отдельный синий лазерный пучок по траектории лазерного пучка;

c. средство пространственного совмещения отдельных синих лазерных пучков для получения совмещенного лазерного пучка, имеющего одно пятно в дальней зоне, вводимого в оптическое волокно для доставки к целевому материалу; и при этом

d. средство пространственного совмещения отдельных синих лазерных пучков по траектории лазерного пучка находится в оптической связи с каждым лазерным диодом.

2. Система по п. 1, содержащая по меньшей мере три модуля лазерных диодов; и при этом каждый модуль лазерных диодов содержит по меньшей мере 30 лазерных диодов; причем модули лазерных диодов способны к распространению лазерных пучков, имеющих суммарную мощность по меньшей мере около 30 Вт и показатель параметра пучка ниже 20 мм⋅мрад.

3. Система по п. 2, причем показатель параметра пучка ниже 15 мм⋅мрад.

4. Система по п. 2, причем показатель параметра пучка ниже 10 мм⋅мрад.

5. Система по п. 1, причем средство пространственного совмещения выдает совмещенный лазерный пучок с яркостью, составляющей умноженную на N яркость отдельного лазерного пучка; где N - число лазерных диодов в модуле лазерных диодов.

6. Система по п. 5, причем средство пространственного совмещения повышает мощность лазерного пучка при сохранении яркости совмещенного лазерного пучка; в результате чего совмещенный лазерный пучок имеет мощность, которая составляет по меньшей мере 50-кратную мощность отдельного лазерного пучка, и в результате чего произведение параметров совмещенного лазерного пучка составляет не больше, чем умноженное на 2 произведение параметров отдельного лазерного пучка.

7. Система по п. 6, причем произведение параметров совмещенного лазерного пучка составляет не больше, чем умноженное на 1,5 произведение параметров отдельного лазерного пучка.

8. Система по п. 6, причем произведение параметров совмещенного лазерного пучка составляет не больше, чем умноженное на 1 произведение параметров отдельного лазерного пучка.

9. Система по п. 5, причем средство пространственного совмещения повышает мощность лазерного пучка при сохранении яркости отдельных лазерных пучков; в результате чего совмещенный лазерный пучок имеет мощность, которая составляет по меньшей мере 100-кратную мощность отдельного лазерного пучка, и в результате чего произведение параметров совмещенного лазерного пучка составляет не больше, чем умноженное на 2 произведение параметров отдельного лазерного пучка.

10. Система по п. 9, причем произведение параметров совмещенного лазерного пучка составляет не больше, чем умноженное на 1,5 произведение параметров отдельного лазерного пучка.

11. Система по п. 7, причем произведение параметров совмещенного лазерного пучка составляет не больше чем, умноженное на 1 произведение параметров отдельного лазерного пучка.

12. Система по пп. 1, 2 и 6, причем оптическое волокно является стойким к соляризации.

13. Система по пп. 1, 2 и 6, причем средство пространственного совмещения содержит модули, выбранные из группы, состоящей из выставляющих плоскопараллельных пластинок и клиньев, для коррекции по меньшей мере одного из ошибок положения или ошибок в наведении лазерного диода.

14. Система по пп. 1, 2 и 6, причем средство пространственного совмещения содержит поляризационное устройство совмещения пучков, способное повышать эффективную яркость совмещенных лазерных пучков по сравнению отдельными лазерными пучками.

15. Система по пп. 1, 2 и 6, причем модулями лазерных диодов заданы траектории отдельных лазерных пучков с пространством между каждой из этих траекторий, в результате чего отдельные лазерные пучки имеют пространство между каждым пучком; и причем средство пространственного совмещения содержит коллиматор для коллимирования отдельных лазерных пучков по быстрой оси лазерных диодов, периодическое зеркало для совмещения коллимированных лазерных пучков, при этом периодическое зеркало выполнено с возможностью отражения первого лазерного пучка с первого диода в модуле лазерных диодов и пропускания второго лазерного пучка со второго диода в модуле лазерных диодов, в результате чего заполняется пространство между отдельными лазерными пучками по быстрому направлению.

16. Система по п. 1, причем средство пространственного совмещения содержит структурированное зеркало на стеклянной подложке.

17. Система по п. 16, причем стеклянная подложка имеет достаточную толщину для сдвига вертикального положения лазерного пучка от лазерного диода для заполнения пустого пространства между лазерными диодами.

18. Система по п. 1, содержащая ступенчатый теплоотвод.

19. Лазерная система для обеспечения лазерного пучка высокой яркости и большой мощности, содержащая:

a. множество модулей лазерных диодов; при этом

b. каждый модуль лазерных диодов содержит множество лазерных диодов, способных выдавать синий лазерный пучок, имеющий исходную яркость;

c. средство пространственного совмещения синих лазерных пучков для получения совмещенного лазерного пучка, имеющего конечную яркость и образующего одно пятно в дальней зоне, вводимого в оптическое волокно;

d. причем каждый лазерный диод фиксирован внешним резонатором на другой длине волны для значительного повышения яркости совмещенного лазерного пучка, в результате чего конечная яркость совмещенного лазерного пучка является примерно такой же, как исходная яркость лазерных пучков от лазерного диода.

20. Лазерная система по п. 1, причем каждый лазерный диод фиксирован на одной длине волны с помощью внешнего резонатора на основе дифракционной решетки, и каждый из модуля лазерных диодов объединен в совмещенный пучок с помощью средства совмещения, выбранного из группы, состоящей из узкополосного пространственного оптического фильтра и дифракционной решетки.

21. Лазерная система для выполнения лазерных технологических операций, содержащая:

a. множество модулей лазерных диодов; при этом

b. каждый модуль лазерных диодов содержит множество лазерных диодов, способных выдавать синий лазерный пучок по траектории лазерного пучка;

c. средство пространственного совмещения синих лазерных пучков для получения совмещенного лазерного пучка, имеющего одно пятно в дальней зоне, оптически вводимого в рамановский преобразователь, чтобы накачивать рамановский преобразователь для повышения яркости совмещенного лазерного пучка.

22. Лазерная система по п. 21, причем рамановский преобразователь представляет собой оптическое волокно, которое имеет сердцевину из беспримесного плавленого кварцевого стекла для создания источника с более высокой яркостью и фторсодержащую внешнюю сердцевину для удержания синего излучения накачки.

23. Лазерная система по п. 21, причем рамановский преобразователь использован для накачки рамановского преобразователя, такого как оптическое волокно, которое имеет легированную GeO₂ центральную сердцевину с внешней сердцевиной, для создания источника с более высокой яркостью и внешнюю сердцевину, которая крупнее, чем центральная сердцевина, для удержания синего излучения накачки.

24. Лазерная система по п. 21, причем рамановский преобразователь представляет собой оптическое волокно, которое имеет легированную P₂O₅ сердцевину, для создания источника с более высокой яркостью и внешнюю сердцевину, которая крупнее, чем центральная сердцевина, для удержания синего излучения накачки.

25. Лазерная система по п. 21, причем рамановский преобразователь представляет собой оптическое волокно, которое имеет сердцевину с градиентным показателем преломления, для создания источника с более высокой яркостью и внешнюю сердцевину, которая крупнее, чем центральная сердцевина, для удержания синего излучения накачки.

26. Лазерная система по п. 21, причем рамановский преобразователь представляет собой легированную GeO₂ сердцевину с градиентным показателем преломления и внешнюю сердцевину со ступенчатым показателем преломления.

27. Лазерная система по п. 21, причем рамановский преобразователь использован для накачки волокна рамановского преобразователя, которое представляет собой легированную P₂O₅ сердцевину с градиентным показателем преломления и внешнюю сердцевину со ступенчатым показателем преломления.

28. Лазерная система по п. 21, причем рамановский преобразователь использован для накачки волокна рамановского преобразователя, которое представляет собой легированную GeO₂ сердцевину с градиентным показателем преломления.

29. Лазерная система по п. 21, причем рамановский преобразователь представляет собой легированную P₂O₅ сердцевину с градиентным показателем преломления и внешнюю сердцевину со ступенчатым показателем преломления.

30. Лазерная система по п. 21, причем рамановский преобразователь представляет собой алмаз для создания лазерного источника с более высокой яркостью.

31. Лазерная система по п. 21, причем рамановский преобразователь представляет собой KGW для создания лазерного источника с более высокой яркостью.

32. Лазерная система по п. 21, причем рамановский преобразователь представляет собой YVO₄ для создания лазерного источника с более высокой яркостью.

33. Лазерная система по п. 21, причем рамановский преобразователь представляет собой Ba(NO₃)₂ для создания лазерного источника с более высокой яркостью.

34. Лазерная система по п. 21, причем рамановский преобразователь представляет собой газ высокого давления для создания лазерного источника с более высокой яркостью.

35. Способ обеспечения совмещенного лазерного пучка, содержащий функционирование матрицы лазеров с рамановским преобразованием для генерации синих лазерных пучков с отдельными различными длинами волн и совмещенных лазерных пучков для создания источника с более высокой мощностью при сохранении пространственной яркости исходного источника.

36. Лазерная система для выполнения лазерных технологических операций, содержащая:

a. множество модулей лазерных диодов; при этом

b. каждый модуль лазерных диодов содержит множество лазерных диодов, способных выдавать синий лазерный пучок по траектории лазерного пучка;

c. коллимирующую и совмещающую оптику вдоль траектории лазерного пучка, способную выдавать совмещенный лазерный пучок; и

d. оптическое волокно для приема совмещенного лазерного пучка.

37. Система по п. 1, причем оптическое волокно находится в оптической связи с легированным редкоземельным элементом волокном, в результате чего совмещенный лазерный пучок способен накачивать легированное редкоземельным элементом волокно для создания лазерного источника с более высокой яркостью.

38. Система по п. 1, причем оптическое волокно находится в оптической связи с внешней сердцевиной преобразователя яркости, в результате чего совмещенный лазерный пучок способен накачивать внешнюю сердцевину преобразователя яркости для получения более высокого коэффициента повышения яркости.

39. Рамановское волокно, содержащее сдвоенные сердцевины, при этом одна из сдвоенных сердцевин является центральной сердцевиной с высокой яркостью; и средство подавления рамановского сигнала второго порядка в центральной сердцевине с высокой яркостью, выбранное из группы, состоящей из фильтра, волоконной брэгговской решетки, разности в нормализованной частоте (V) для рамановских сигналов первого порядка и второго порядка и различия потерь на микроизгибах.

40. Система генерации второй гармоники, содержащая: рамановский преобразователь с первой длиной волны для генерации излучения на половине первой длины волны; и удваивающий частоту кристалл во внешнем резонаторе, выполненный с возможностью предотвращения распространения излучения с половинной длиной волны через оптическое волокно.

41. Система по п. 40, причем первая длина волны составляет примерно 460 нм; и удваивающий частоту кристалл во внешнем резонаторе представляет собой KTP.

42. Система генерации третьей гармоники, содержащая: рамановский преобразователь с первой длиной волны для генерации излучения со второй длиной волны, меньшей, чем первая длина волны; и удваивающий частоту кристалл во внешнем резонаторе, выполненный с возможностью предотвращения распространения излучения с меньшей длиной волны через оптическое волокно.

43. Система генерации четвертой гармоники, содержащая: рамановский преобразователь для генерации излучения при 57,5 нм с использованием удваивающего частоту кристалла во внешнем резонаторе, выполненного с возможностью предотвращения распространения излучения с длиной волны 57,5 нм через оптическое волокно.

44. Система генерации второй гармоники, содержащая легированный редкоземельной примесью преобразователь яркости, содержащий тулий, который генерирует когерентное излучение при 473 нм, будучи накачиваемым матрицей лазерных диодов синего свечения при 450 нм, для генерации излучения с длиной волны, равной половине длины волны лазерного источника или 236,5 нм, с использованием удваивающего частоту кристалла во внешнем резонаторе, но не позволяет распространение излучения с короткой длиной волны через оптическое волокно.

45. Система генерации третьей гармоники, содержащая легированный редкоземельной примесью преобразователь яркости, содержащий тулий, который генерирует когерентное излучение при 473 нм, будучи накачиваемым матрицей лазерных диодов синего свечения при 450 нм, для генерации излучения при 118,25 нм с использованием удваивающего частоту кристалла во внешнем резонаторе, но не позволяет распространение излучения с короткой длиной волны через оптическое волокно.

46. Система генерации четвертой гармоники, содержащая легированный редкоземельной примесью преобразователь яркости, содержащий тулий, который генерирует когерентное излучение при 473 нм, будучи накачиваемым матрицей лазерных диодов синего свечения при 450 нм, для генерации излучения при 59,1 нм с использованием удваивающего частоту кристалла во внешнем резонаторе, но не позволяет распространение излучения с короткой длиной волны через оптическое волокно.

47. Система по п. 21, причем рамановский преобразователь содержит некруговую внешнюю сердцевину, структурированную для повышения эффективности рамановской конверсии.

48. Лазерная система для выполнения лазерных технологических операций, содержащая:

a. по меньшей мере три модуля лазерных диодов; при этом

b. каждый из упомянутых по меньшей мере трех модулей лазерных диодов содержит по меньшей мере десять лазерных диодов, при этом каждый из упомянутых по меньшей мере десяти лазерных диодов способен выдавать синий лазерный пучок, имеющий мощность по меньшей мере примерно 2 Вт и произведение параметров пучка ниже 8 мм⋅мрад, по траектории лазерного пучка, при этом траектория каждого лазерного пучка является практически параллельной, в результате чего задано пространство между лазерными пучками, распространяющимися по траекториям лазерных пучков;

c. средство пространственного совмещения и сохранения яркости синих лазерных пучков, расположенных по всем из упомянутых по меньшей мере тридцати траекторий лазерных пучков, при этом средство пространственного совмещения и сохранения яркости содержит коллимирующую оптику по первой оси лазерного пучка, вертикальную матрицу призм по второй оси лазерного пучка и телескопическое устройство, в результате чего средство пространственного совмещения и сохранения заполняет пространство между лазерными пучками лазерной энергией, вследствие чего выдается совмещенный лазерный пучок мощностью по меньшей мере примерно 600 Вт и с произведением параметров пучка ниже 40 мм⋅мрад.

49. Система лазерной обработки с адресуемой матрицей, содержащая: по меньшей мере три лазерные системы по п. 48; при этом каждая из упомянутых по меньшей мере трех лазерных систем выполнена с возможностью ввода каждого из ее совмещенных лазерных пучков в одно оптическое волокно; в результате чего каждый из упомянутых по меньшей мере трех совмещенных лазерных пучков способен проходить по связанному с ним оптическому волокну; упомянутые по меньшей мере три оптических волокна в оптической связи с лазерной головкой; и систему управления; при этом система управления содержит программу, имеющую заданную последовательность доставки каждого из совмещенных лазерных пучков на заданное местоположение на целевом материале.

50. Система лазерной обработки с адресуемой матрицей по п. 49, причем заданная последовательность для доставки содержит отдельное включение и выключение лазерных пучков из лазерной головки, вследствие чего происходит отображение на слой порошка для плавления и вплавления целевого материала, в том числе содержащего порошок, в деталь.

51. Система лазерной обработки с адресуемой матрицей по п. 49, причем волокна в лазерной головке сконфигурированы в структуру, выбранную из группы, состоящей из линейной, нелинейной, круговой, ромбовидной, квадратной, треугольной и гексагональной.

52. Система лазерной обработки с адресуемой матрицей по п. 49, причем волокна в лазерной головке сконфигурированы в структуру, выбранную из группы, состоящей из 2×5, 5×2, 4×5, по меньшей мере 5 на по меньшей 5, 10×5, 5×10 и 3×4.

53. Система лазерной обработки с адресуемой матрицей по п. 49, причем целевой материал содержит слой порошка; и содержащая систему перемещения по x-y, способную транспортировать лазерную головку вдоль слоя порошка, благодаря чему осуществляются плавление и сплавление слоя порошка; и систему подачи порошка, расположенную позади лазерного источника, для обеспечения слоя свежего порошка позади сплавленного слоя.

54. Система лазерной обработки с адресуемой матрицей по п. 53, содержащая систему перемещения по z, способную транспортировать лазерную головку с увеличением и уменьшением высоты лазерной головки над поверхностью слоя порошка.

55. Система лазерной обработки с адресуемой матрицей по п. 53, содержащая: двунаправленное устройство размещения порошка, способное помещать порошок непосредственно позади подводимого лазерного пучка, когда оно перемещается в положительном направлении x или отрицательном направлении x.

56. Система лазерной обработки с адресуемой матрицей по п. 53, содержащая систему подачи порошка, которая расположена коаксиально со множеством траекторий лазерных пучков.

57. Система лазерной обработки с адресуемой матрицей по п. 53, содержащая систему подачи порошка самотеком.

58. Система лазерной обработки с адресуемой матрицей по п. 53, содержащая систему подачи порошка, причем порошок увлекается потоком инертного газа.

59. Система лазерной обработки с адресуемой матрицей по п. 53, содержащая систему подачи порошка, которая расположена поперек N лазерных пучков, где N≥1, и порошок помещается самотеком впереди лазерных пучков.

60. Система лазерной обработки с адресуемой матрицей по п. 53, содержащая систему подачи порошка, которая расположена поперек N лазерных пучков, где N≥1, и порошок увлекается потоком инертного газа, который пересекает лазерные пучки.

61. Способ обеспечения совмещенного синего лазерного пучка, имеющего высокую яркость, при этом способ содержит: функционирование множества лазеров с рамановским преобразованием для выдачи множества отдельных синих лазерных пучков и совмещение отдельных синих лазерных пучков для создания источника с более высокой мощностью при сохранении пространственной яркости исходного источника; при этом отдельные лазерные пучки из упомянутого множества имеют различные длины волн.

62. Способ лазерной обработки целевого материала, содержащий: функционирование лазерной системы обработки с адресуемой матрицей, содержащей по меньшей мере три лазерные системы по п. 1 для генерации трех отдельных совмещенных лазерных пучков в три отдельных оптических волокна; прохождение каждого совмещенного лазерного пучка по его оптическому волокну к лазерной головке; и направление в заданной последовательности трех отдельных совмещенных лазерных пучков от лазерной головки на заданное местоположение на целевом материале.