ES2305554T3 - Dispositivo que comprende una unidad de formacion de un rayo dotada de dos lentes axicon para introducir energia de radiacion en una pieza de un material poco absorbente. - Google Patents

Abstract

Dispositivo para introducir energía de radiación en una pieza (14) de un material poco absorbente, con una fuente de radiación (6) y una unidad resonadora (5), comprendiendo un primer espejo resonador (13) y un segundo espejo resonador (19), entre los cuales está dispuesta la pieza (14), caracterizado porque antes de la unidad resonadora (5) está dispuesta una unidad de formación del rayo (4) para generar un haz de rayos de forma anular, con una lente de enfoque (2) y una primera lente Axicon (1) dispuesta a continuación, situada junto con la lente de enfoque (2) sobre un eje óptico (9) común, y cuya superficie óptica de forma cónica está orientada hacia la lente de enfoque (2), estando dispuesto sobre el eje óptico (9) y antes de la lente de enfoque (2) una segunda lente Axicon (3) con su superficie óptica de forma cónica alejada de la lente de enfoque (2), estando elegidos los parámetros de la lente de enfoque (2) y de la lente Axicon (1), (3) así como sus distancias entre sí de tal modo que un haz de rayos procedente de una fuente de radiación (6) situada sobre el eje óptico (9) antes de la segunda lente Axicon (3) y que atraviesa la unidad de formación del rayo (4) se conforma en un haz de rayos de forma anular con una zona central exenta de radiación enfocado en un primer punto de enfoque (8) y a continuación divergente, y el primer espejo resonador (13) está situado detrás del primer punto de enfoque (8) en la zona central exenta de radiación, porque hay una lente colectora (12) que rodea el primer espejo resonador (13) y enfoca el haz de rayos que incide sobre la pieza (14) en un segundo punto de enfoque (15), porque el segundo espejo resonador (19) está situado en una zona central exenta de radiación detrás del segundo punto de enfoque (15), rodeado de un espejo de enfoque (18) que conforma el haz de rayos divergente procedente del segundo punto de enfoque (15) en un haz de rayos convergente y lo refleja sobre un espejo (17) dispuesto entre el espejo de enfoque (18) y la pieza (14), y que refleja el haz de rayos sobre el segundo espejo resonador (19), porque el espejo (17) presenta un orificio (16) que tiene justamente el tamaño para que pueda atravesarlo el haz de rayos procedente del segundo punto de enfoque (15) y que transcurre en sentido hacia el espejo de enfoque (18), sin ser influenciado, y a través del cual el haz de rayos reflejado por el segundo espejo resonador (19) pasa sin ser influenciado y se enfoca por segunda vez al interior de la pieza (14) en el segundo punto de enfoque (15) antes de incidir a continuación sobre el primer espejo resonador (13) y es reflejado por éste hacia atrás al interior de la pieza (14).

Description

Dispositivo que comprende una unidad de formación de un rayo dotada de dos lentes Axicon para introducir energía de radiación en una pieza de un material poco absorbente.

La invención se refiere a un dispositivo para introducir energía de radiación en una pieza de un material poco absorbente según el preámbulo de la reivindicación 1, tal como se conoce genéricamente por el documento WO 02/48059 A.

La introducción de radiación electromagnética de gran potencia en una pieza de un material sólo poco absorbente sigue planteando todavía un problema básico en el mecanizado de materiales. A este respecto ocupa una posición destacada especialmente el mecanizado de material mediante láser con los correspondientes desarrollos ya que aquí están disponibles una serie de fuentes de radiación adecuadas con propiedades que se pueden adaptar eficazmente a una amplia gama de aplicaciones.

Con frecuencia no basta con el simple enfoque de la radiación sobre la superficie de la pieza para poder aprovechar de forma verdaderamente eficaz la energía disponible, es decir para introducirla en la pieza de forma óptima en cuanto al lugar y a la cantidad. Así se han desarrollado una multitud de procedimientos y dispositivos que tratan de conseguir una introducción de energía óptima, adaptada en cada caso a los cometidos específicos de mecanizado. Estos procedimientos y dispositivos están orientados a formar y conducir la radiación de modo diverso, determinado esencialmente por los diferentes problemas de mecanizado (por ejemplo, cortar, arrancar material o perforar) así como por la diferente geometría y el diferente material de la pieza a mecanizar.

Entre la multitud de soluciones que ofrece el estado de la técnica se consideran únicamente relevantes para la invención aquellas soluciones que o bien forman el haz de rayos produciendo un anillo de radiación y/o que conducen la radiación múltiples veces a través de la pieza.

La formación de un anillo de radiación viene dada en las soluciones conocidas por el estado de la técnica exclusivamente por el problema de irradiar una superficie de pieza en forma de línea circular, por ejemplo para recortar una lente. Lo ideal es enfocar la radiación en forma de anillo sobre la superficie de la pieza. Para transformar el haz de rayos en un anillo de radiación es conocido el hecho de emplear una lente Axicon.

Así, en el documento US 4.456.811 (o EP 0 189 027 A1) se consigue mediante una combinación de una lente colectora Axicon y un espejo cónico que el rayo láser se conforme en un anillo enfocado de modo que una superficie de pieza curvada con simetría de rotación sea alcanzada perpendicularmente por este anillo enfocado y se mecanice eficazmente.

El documento US 4.623.776 describe una disposición muy semejante en la que mediante el anillo de radiación enfocado que se ha generado se pueden recortar por ejemplo de forma óptima lentes de plástico.

Las memorias de patente PS 28 21 883 (US 4.275.288) y US 3.419.321 están dedicadas al objetivo básico puro de la combinación de una lente Axicon y una lente de enfoque, es decir a la generación de un anillo de radiación plano enfocado, empleándose por ejemplo el anillo de radiación obtenido para recortar agujeros de un diámetro definido, para soldar esos contornos o problemas similares del mecanizado de materiales mediante láser.

Las soluciones descritas solamente tienen en común con el objeto de la presente invención que se forma un haz de rayos mediante una lente Axicon.

Desde el punto de vista del planteamiento del problema son más relevantes las soluciones en las que se toman medidas que para incrementar la introducción de energía hacen pasar el haz de rayos varias veces a través de la pieza, para poder mecanizar también materiales que transmiten considerablemente la radiación y sólo la absorben escasamente.

Así se describe en la memoria GB 2 139 614 A un conjunto cuyo objetivo principal es por una parte un conformado especial de la radiación láser enfocada sobre la pieza, con lo cual se favorece la formación definida de una grieta de tensiones al efectuar el corte de cristal, y por otra parte se logra mediante un segundo espejo de enfoque dispuesto en la cara posterior de la pieza un segundo paso enfocado a través del mismo volumen de interacción en la pieza. Mediante el segundo paso de la radiación láser a través de la pieza se incrementa la cantidad de energía de radiación absorbida.

En la memoria de patente número 10 244 386 A publicada en los Patent Abstracts of Japan se describe también un procedimiento para el corte de piezas mediante la generación de una grieta de tensión térmica. Para ello se transmite por lo menos dos veces el rayo láser a través de la pieza simultáneamente o consecutivamente en el tiempo a lo largo de la zona de corte, esencialmente en el mismo lugar o en lugares escasamente separados entre sí. Antes de incidir el rayo láser sobre la pieza, atraviesa un espejo semitransparente. La parte de radiación transmitida atraviesa la pieza, vuelve a ser reflejada al interior de la pieza por un espejo dispuesto debajo de la pieza e incide nuevamente en el espejo semitransparente, que refleja una parte de la radiación devolviéndola sobre la pieza. La pieza dispuesta entre este espejo y un segundo espejo es atravesada así repetidas veces por el rayo. Ahora bien, las pérdidas de energía son enormes. Las proporciones de radiación que son reflejadas por el espejo semitransparente durante la primera incidencia de la radiación, y las proporciones de radiación que se transmiten al incidir de nuevo sobre el espejo semitransparente, se pierden primeramente en el mecanizado del material y en segundo lugar se reflejan devolviéndolos a la fuente de radiación.

Por el estado de la técnica no se conoce ninguna solución mediante la cual la energía de radiación disponible pueda ser absorbida casi en su totalidad en un pequeño volumen de interacción en una pieza parcialmente transparente. Este hecho se explica especialmente porque un elemento óptico que para este fin devuelve la radiación por lo menos una segunda vez al interior del volumen de interacción, se encuentra siempre en la trayectoria óptica de los rayos entre la fuente de radiación y la pieza. Puesto que no existe ningún elemento óptico que incluya capas ópticas que transmitan en su integridad una radiación inalterada en un sentido de paso, y la reflejen íntegramente en el otro sentido, no se pueden evitar pérdidas de energía. Para el especialista está claro que prácticamente todo elemento óptico que se encuentra en una trayectoria de un rayo da siempre lugar a pérdidas, aunque sean escasas. Pero estas pérdidas son siempre elevadas si para la radiación procedente de diferente sentido el elemento una vez es reflectante y una vez es transmisor, tal como sucede en un espejo semitransparente o en un cubo divisor.

La invención se basa en el objetivo de crear un dispositivo mediante el cual se puedan mecanizar materiales relativamente poco absorbentes, en gran parte transparentes, mediante radiación electromagnética, preferentemente la radiación láser de gran potencia, de modo que

-

multiplicando las absorciones individuales tenga lugar finalmente una absorción total elevada en el material y con ello un aprovechamiento eficaz de la energía de radiación para el proceso de mecanizado, siendo preciso garantizar que la energía de radiación se introduzca en un volumen de interacción lo más reducido posible (volumen de la pieza a través del cual se absorbe la radiación), para conseguir un mecanizado de alta precisión, y

-

se evite en gran medida que la radiación no absorbida se reacople en la fuente de radiación.

El objetivo conforme a la invención se resuelve mediante un dispositivo según la reivindicación 1.

En las reivindicaciones subsidiarias 2 a 5 se describen formas de realización ventajosas.

La esencia del dispositivo conforme a la invención viene determinada de modo decisivo por el efecto de la correspondiente unidad de formación del rayo, tal como se trata de explicar a continuación.

Para el especialista está claro que un rayo óptico solamente puede atravesar un medio (una pieza) repetidas veces por la misma trayectoria óptica (lo que es condición necesaria para poder introducir la energía de radiación en un volumen de interacción pequeño), si a ambos lados del medio está dispuesto un reflector, lo que significa forzosamente que un primer reflector está situado antes de la pieza, en el sentido de la radiación. Este primer reflector no cumple ninguna función para el primer acoplamiento de la radiación en la pieza, y por lo tanto debería dejar pasar la radiación sin influir apenas en ella. Solamente cuando la radiación, después de reflejarse en el segundo reflector y de atravesar por segunda vez la pieza incide de nuevo sobre este primer reflector deberá reflejar éste la radiación incidente lo más íntegramente posible. Aquí es donde comienza la idea básica de la invención. Para que el primer reflector prácticamente no influya en la radiación antes de su primera incidencia sobre la pieza, el haz de rayos deberá formarse de tal modo que si bien el primer reflector se encuentra en la trayectoria del rayo, el haz de rayos sin embargo no lo atraviesa sino que lo rodea. Esta formación del rayo se realiza mediante una unidad de formación del rayo que conforma el haz de rayos procedente de la fuente de radiación de tal modo que detrás de esta unidad de formación del rayo, en el sentido de la radiación, toda la radiación se concentra en un primer punto de enfoque, y a continuación se diverge de tal modo que se extienda como anillo, con una zona central definida exenta de radiación, cuyo diámetro aumenta en función lineal con la distancia al primer punto de enfoque. En esta zona central sin radiación está dispuesto un primer espejo resonador que forma parte de una unidad resonadora dispuesta a continuación de la unidad de formación del rayo. La unidad resonadora conforma y conduce la radiación definida con las propiedades de expansión descritas, de tal modo que el primer punto de enfoque se reproduce en un segundo punto de enfoque en la pieza y por lo tanto la energía de radiación se concentra en forma de punto en un volumen reducido de interacción, que es atravesado múltiples veces, pero por lo menos cuatro veces por la radiación, y de este modo se incrementa la suma de la radiación absorbida por la pieza a un múltiplo de igual número de veces de la absorción individual.

Para concentrar la radiación en un primer punto de enfoque y expandirla a continuación de tal modo que se forme un anillo de radiación, no basta trabajar con una lente de enfoque y una sola lente Axicon, tal como es usual en las soluciones conocidas por el estado de la técnica, que normalmente tratan de producir sobre la superficie de la pieza un anillo de enfoque. Estas soluciones están caracterizadas porque el punto de cruzamiento de los rayos centrales del anillo producido por la lente Axicon y el punto de enfoque de los distintos segmentos de radiación de este anillo, observados en el sentido de la expansión de la radiación, están encarados entre sí. Si se ajustan entre sí los parámetros de la lente de enfoque, los parámetros de la lente Axicon y su distancia entre sí de tal modo que todos los rayos coincidan a pesar de todo en un solo punto, el efecto es en última instancia el de una lente individual adecuada, es decir que los rayos que parten de este punto no forman un anillo con un agujero central exento de radiación, que va aumentando proporcionalmente a su distancia del foco. Este problema se puede resolver introduciendo una segunda lente Axicon en la trayectoria de los rayos. El efecto total de estos tres componentes (dos lentes Axicon + lente de enfoque) es entonces el siguiente: La primera lente Axicon se ocupa de la formación deseada del anillo. La lente de enfoque provoca la concentración de los rayos en el foco anular conocido, que mediante la superposición de una convergencia adecuada que suministra la segunda lente Axicon, degenera en el primer punto de enfoque requerido. Este primer punto de enfoque es ahora efectivamente el punto de partida de una radiación que se expande en forma de anillo, con una auténtica zona central exenta de radiación. Esta formación específica del rayo permite realizar el objetivo propiamente dicho del dispositivo mediante la unidad resonadora conforme a la invención. Y es que, dado que detrás de la unidad formadora del rayo, todos los componentes de la radiación parten de un solo punto, concretamente del primer punto de enfoque, se pueden volver a "reenfocar", es decir concentrar en otro punto de enfoque por las lentes colectoras o espejos cóncavos subsiguientes, manteniéndose siempre de carácter anular en la trayectoria del rayo entre los puntos de enfoque. Ésta es la condición necesaria para que las unidades resonadoras dispuestas a continuación puedan cumplir su función. Ésta tiene esencialmente la siguiente estructura: El elemento de entrada en la unidad resonadora es una lente colectora dispuesta a una distancia tal del primer punto de enfoque que la zona central del haz de rayos exenta de radiación sea suficientemente grande para disponer allí un espejo cóncavo que deberá actuar como primer espejo resonador, sin apantallar por ello partes del haz de rayos. Por lo tanto, al penetrar el haz de rayos en la unidad resonadora, se conduce íntegramente a través de esta lente colectora sin que el primer espejo resonador influya en este haz de rayos. La primera lente colectora enfoca la radiación dentro del volumen de interacción de la pieza que se trata de mecanizar, por ejemplo de una placa de cristal. Inmediatamente detrás de la pieza, cuyo espesor puede ser de varios milímetros, está situado un espejo con un agujero central. Este último ha de ser suficientemente grande para dejar pasar sin pérdidas el haz de rayos que detrás de la pieza vuelve a diverger. En su posterior trayectoria óptica, el haz de rayos incide sobre un espejo de enfoque que está situado a una distancia tal del espejo con el agujero central, que por una parte exista nuevamente sobre el espejo de enfoque una zona central exenta de radiación suficientemente grande que permita el posicionamiento de otro espejo cóncavo pequeño que actúa como segundo espejo resonador, y por otra parte se consiga, mediante la elección adecuada del radio de curvatura del espejo de enfoque, que el haz que vuelve en sentido hacia el espejo después de ser reflejado en el espejo de enfoque y que ahora vuelve a converger, sea reflejado íntegramente por el espejo y se concentre en un tercer punto de enfoque que está situado entre el espejo y el segundo espejo resonador, en general en las proximidades del segundo espejo resonador. El haz de rayos incide ahora con un diámetro relativamente pequeño sobre el segundo espejo resonador, cuyo radio de curvatura es tal que la radiación se vuelve a enfocar, concretamente de nuevo en el volumen de interacción en la pieza. El haz que después de ser reflejado en el segundo espejo resonador ya es bastante esbelto, atraviesa ahora la pieza por segunda vez y continúa en sentido hacia el primer espejo resonador. El radio de curvatura del primer espejo resonador está adaptado de tal modo que tenga lugar una nueva reflexión, concretamente exactamente en el tercer punto de enfoque. De este modo el haz incide de tal modo sobre el segundo espejo resonador que vuelven a darse las condiciones de partida del "primer ciclo resonador", sólo que con un diámetro de haz reducido. De este modo, la disposición conforme a la invención resuelve el problema de un efecto semejante a un resonador, es decir un paso múltiple de la radiación a través del volumen de interacción en la pieza. El haz "se va muriendo" debido a la absorción en la pieza sin que estas proporciones de radiación vuelvan a la fuente de radiación.

El grado de rendimiento del conjunto, es decir la proporción entre la energía de radiación depositada en la pieza y la energía de entrada suministrada por la fuente de radiación está determinada únicamente por las inevitables pérdidas de principio, en particular la absorción en los elementos ópticos, pérdidas por refracción y pérdidas por errores de reproducción y de ajuste, y aún en el caso de materiales relativamente poco absorbentes (con una absorción inferior al 10% por pasada), deberá ser superior al 50%.

En la trayectoria de rayos descrita se admite que durante cada paso impar del haz de rayos a través de la pieza, siguiente al primer paso, el haz de rayos no se enfoca dentro de la pieza (segundo punto de enfoque) y por lo tanto dentro del volumen de interacción propiamente dicho, sino próximo a la pieza (en el tercer punto de enfoque), ya que sólo de este modo se puede conseguir un comportamiento de resonancia estable entre el primer y el segundo espejo resonador. Ahora bien, esto no es perjudicial para la mayoría de las aplicaciones, en particular también por el hecho de que el diámetro del haz se va reduciendo de pasada en pasada, y estando adecuadamente dimensionados los parámetros ópticos, se encuentra en cualquier caso en un orden de magnitud de 1 mm e inferior. Las proporciones de radiación que no estén enfocadas nítidamente pueden incluso repercutir favorablemente en determinados trabajos, ya que pueden tener un efecto atemperador o que reduzca el gradiente de temperatura.

La geometría de la unidad resonadora también se puede modificar sin problemas para que resulte posible una adaptación óptima a las características de la pieza, en especial a su comportamiento de absorción y al resultado de mecanizado deseado. Así por ejemplo se puede elegir la distancia focal del primer espejo resonador de tal modo que el haz procedente del segundo espejo resonador vuelva a enfocarse dentro del volumen de interacción, es decir que prácticamente vuelva sobre sí mismo. Después de las reflexiones en el segundo espejo resonador, en el espejo y en el espejo de enfoque, se atraviesa entonces la pieza de forma enfocada incluso una cuarta vez. Si la absorción no es demasiado reducida (\geq 20%), entonces ya se ha depositado la mayor parte de la energía de radiación en la zona de mecanizado. La radiación restante que no es absorbida en el volumen de interacción podría entonces llega a reacoplarse en la fuente de radiación, si no se toman medidas especiales. Pero este problema se puede resolver de forma relativamente sencilla, al colocar una unidad de desacoplamiento de radiación en la trayectoria del rayo entre la fuente del rayo y la unidad formadora del rayo, que elimina prácticamente en su totalidad la luz que retorna. Su funcionamiento eficaz presupone no obstante una radiación que proceda polarizada linealmente de la fuente de radiación. Entonces la unidad de desacoplamiento de radiación funciona del modo siguiente: La radiación polarizada lineal procedente de la fuente de radiación atraviesa primeramente un polarizador que está ajustado para paso total, es decir que el haz de rayos sufre sólo unas pérdidas mínimas. A continuación se transforma la radiación en radiación de polarización circular al atravesar una placa \lambda/4. Esta transformación es necesaria o al menos razonable para numerosas aplicaciones, ya que al emplear radiación de polarización circular para el mecanizado de materiales mediante láser desaparece del resultado de mecanizado la indeseable dependencia direccional. La polarización circular se mantiene en su mayor parte durante la anterior trayectoria del rayo, y también la proporción que retorna sigue todavía poseyendo esta característica. Ésta atraviesa ahora la unidad de desacoplamiento de radiación en sentido inverso, con el resultado de que la placa \lambda/4 sigue "girando" el vector de polarización de modo que de la luz polarizada circularmente vuelve a formarse luz con polarización lineal, si bien con un plano de polarización girado 90º respecto al campo de radiación electromagnético irradiado. Pero para esta radiación, el polarizador se encuentra ahora en posición de bloqueo, es decir que se impide el reacoplamiento a la fuente de radiación.

En general se puede buscar y elegir libremente dentro de unos límites relativamente amplios para unos parámetros ópticos dados el lugar que presenta las condiciones más favorables en cuanto a intensidad, diámetro del rayo y distribución de la intensidad mediante el desplazamiento de la pieza a lo largo del eje óptico. Ésta es por ejemplo una opción importante al cortar cristales mediante una grieta de tensiones.

Especialmente para este problema planteado puede ser necesario generar una grieta inicial. Para ello la invención suministra por ejemplo las 3 posibilidades siguientes:

1.)

Se elige una fuente de radiación que además del régimen continuo permita un régimen por impulsos con una punta de potencia muy sobreelevada (por ejemplo mediante la conexión de calidad de un láser), para provocar al inicio del proceso de mecanizado con un impulso de esta clase en el volumen de enfoque una "destrucción" de la estructura del material controlada de precisión, que suministra la grieta inicial. A continuación se cambia la fuente de radiación a régimen normal y se impulsa la grieta inicial como grieta de tensión a través de la pieza en la forma deseada, es decir con la finalidad de efectuar un proceso de corte definido.

2.)

Ya que la disposición conforme a la invención permite sin problemas realizar una variación rápida del emplazamiento relativo del foco y de la pieza, se puede proceder por ejemplo también de modo que (con una fuente de radiación que trabaje en régimen continuo) al comienzo del mecanizado la pieza se encuentre exactamente en el foco. Si se dispone de potencia de radiación suficiente, se puede generar entonces también la deseada destrucción de precisión de la estructura de la pieza, es decir la grieta inicial. Para el subsiguiente mecanizado en el que no se desea que haya fusión y evaporación, se saca la pieza fuera de la zona del foco hasta alcanzar unas condiciones de intensidad óptimas para el corte mediante una grieta de tensiones.

3.)

Se obtiene una variante especialmente flexible si para generar la grieta inicial o también una secuencia de tales "puntos iniciales" con la finalidad de obtener un contorno exactamente especificado, se utiliza una fuente de radiación adicional también en el caso de formas de pieza complicadas. Ésta debería ser preferentemente un láser pulsado. En una disposición favorable puede estar situado por ejemplo un espejo de reenvío inmediatamente delante de la pieza, que sea transparente para la radiación de trabajo propiamente dicha (procedente de la primera lente colectora), pero que refleje íntegramente la radiación del segundo láser. Este último se conduce sobre la pieza a través de un reenvío de 90º enfocado nítidamente en este espejo de reenvío. La fuente de radiación adicional y la óptica de enfoque para su radiación están dispuestas para ello lateralmente fuera de la trayectoria del rayo principal. Mediante elementos de ajuste adecuados, que pueden actuar por ejemplo también durante el proceso de mecanizado mediante servomotores, es posible ajustar las posiciones relativas deseadas más diversas entre este foco nítido y el volumen de interacción propiamente dicho. Así por ejemplo se puede influir de modo controlado en la dirección de la grieta de tensiones durante el proceso de mecanizado.

Al cortar cristal mediante láser Nd: YAG o de diodos, procede por ejemplo emplear como fuente de radiación adicional un pequeño láser TEA-CO_{2}, cuya radiación es absorbida intensamente por los cristales. Un impulso de un láser de esta clase enfocado nítidamente sobre la superficie de la probeta de cristal basta entonces para generar la grieta inicial deseada.

Para el dispositivo conforme a la invención se abren otras aplicaciones novedosas que aquí únicamente se van a citar pero que no se describirán con mayor detalle. Así por ejemplo se puede disponer en el tercer punto de enfoque un cristal óptico no-lineal, con cuya ayuda se pueden generar armónicos superiores del rayo original. Debido a la disposición del resonador y a la intensidad relativamente alta en este tercer punto de enfoque se pueden conseguir velocidades de conversión elevadas. De este modo se podría mecanizar la pieza no sólo con la onda básica de la radiación sino también con un armónico superior, lo que puede conducir a efectos ventajosos.

Se ha descrito con mucho detalle la realización de un dispositivo conforme a la invención en el que un primer espejo resonador se encuentra en la zona central exenta de radiación. Para otras aplicaciones de la unidad de formación del rayo se pueden disponer otros elementos ópticos en lugar de este primer espejo resonador.

Por ejemplo podría haber un espejo de reenvío en este lugar, que ahora no tiene que ser un espejo semitransparente sino dotado de un recubrimiento altamente reflectante que refleje al máximo la radiación incidente. De este modo se puede resolver sin pérdidas la superposición sin pérdidas de varios haces de rayos.

\newpage

A continuación se describirá la invención con mayor detalle sirviéndose de ejemplos de realización representados en los dibujos. Éstos muestran:

Fig. 1 Trayectoria de los rayos a través de una lente Axicon (estado de la técnica)

Fig. 2 Trayectoria de los rayos a través de una lente colectora y de una lente Axicon (estado de la técnica)

Fig. 3 Trayectoria de los rayos a través de una unidad de formación del rayo compuesta por dos lentes Axicon y una lente colectora, tal como está representado en la Fig. 6 como conjunto 4 de un dispositivo conforme a la invención

Fig. 4 Expansión de un cono de radiación detrás de una unidad de formación de rayos según la Fig. 3

Fig. 5 Unidad resonadora con trayectoria detallada de los rayos tal como está representada en la Fig. 6 como conjunto 5 de un dispositivo conforme a la invención

Fig. 6 Dispositivo conforme a la invención con fuente de radiación, unidad de formación del rayo y unidad resonadora

Fig. 7 Unidad de desacoplamiento

Fig. 8 Unidad resonadora con fuente de radiación adicional para generar la grieta inicial

\vskip1.000000\baselineskip

Un dispositivo conforme a la invención se compone esencialmente de una fuente de radiación 6, de una unidad de formación del rayo 4 y de una unidad resonadora 5 donde dos lentes Axicon situadas en la unidad de formación del rayo 4 ocupan una función principal. Para entender fácilmente la invención, la Fig. 1 ilustra para ello primeramente la función básica de una única lente Axicon 1, que está caracterizado por el ángulo de conicidad \delta_{1}. El haz de rayos incidente que se supone ligeramente divergente y con simetría de rotación, con una sección de intensidad con por ejemplo forma de campana de Gauss o rectangular (sombrero de copa), incide exactamente centrado y ortogonal en la cara que forma el rayo (superficie cónica) de la primera lente Axicon 1. La refracción en esta superficie cónica da lugar a que la radiación salga de la primera lente Axicon 1 como anillo divergente. Los rayos centrales (representados como línea de trazos) se cruzan en un punto situado sobre el eje óptico 9 (representado como línea de trazos y puntos), debiendo tenerse siempre en cuenta la simetría de rotación del haz de rayos.

La Fig. 2 muestra una disposición para un caso de aplicación típico conocido por el estado de la técnica de una primera lente Axicon 1, concretamente para generar un foco anular. Para ello se coloca delante de la primera lente Axicon 1 una lente de enfoque 2 que a partir de un haz de rayos tal como el que en la Fig. 1 incide sobre la primera lente Axicon 1, forma un haz de rayos convergente. Debido al efecto de la primera lente Axicon 1, ya expuesto sirviéndose de la Fig. 1, se obtiene después de atravesar éste una radiación anular convergente cuyos rayos centrales se vuelven a cortar en un punto situado sobre el eje óptico 9 de la primera lente Axicon 1. De acuerdo con la distancia focal de la lente de enfoque 2 se forma en un plano definido un foco anular o también un anillo de radiación enfocado 10. Con independencia de los parámetros de la lente de enfoque 2 y de los de la primera lente Axicon 1, el punto de intersección de los rayos centrales y el foco anular siempre tienen entre sí una distancia a.

Pero para la función del dispositivo conforme a la invención es necesario que a se acerque a cero, lo que no significa otra cosa que el anillo de radiación 10 enfocado degenera en un punto de enfoque que coincide con el punto de intersección de los rayos centrales. Este primer requisito, en combinación con el segundo requisito de que después de este punto de enfoque la radiación siga transcurriendo de nuevo como anillo divergente con una zona central exenta de radiación, solamente se puede conseguir mediante la disposición conforme a la invención de una segunda lente Axicon 3, tal como está representado en la Fig. 3.

La primera lente Axicon 1, la lente de enfoque 2 y la segunda lente Axicon 3 forman juntos la unidad de formación del rayo 4, que determina el dispositivo conforme a la invención junto con la unidad resonadora 5 descrita más adelante y una fuente de radiación 6 situada sobre un eje óptico común 9. El conjunto del dispositivo conforme a la invención está representado en la Fig. 6, pero se describe mediante sus conjuntos esenciales en la Fig. 3, la unidad de formación del rayo 4 y en la Fig. 5, la unidad resonadora 5.

La segunda lente Axicon 3 con un ángulo de conicidad \delta_{2} se ocupa de que el haz de rayos incidente, tal como se ha descrito con mayor detalle respecto a la Fig. 1, se preconforme primeramente de tal modo que ya incida en forma anular sobre la lente de enfoque 2, con lo cual se consigue que el haz de rayos convergente después de la lente de enfoque 2 ya incida sobre la primera lente Axicon 1 en forma anular con una zona central exenta de radiación, y que por el efecto de éste se refracte de tal modo que todo el haz de rayos anular convergente se enfoque detrás de la primera lente Axicon 1 en un primer punto de enfoque 8, y a continuación se abra como anillo de radiación divergente 10 con una zona central exenta de radiación que se va haciendo mayor. Los ángulos de conicidad \delta_{1} de la primera lente Axicon 1 y \delta_{2} de la segunda lente Axicon 3 así como sus distancias entre sí y a la lente de enfoque 2 se ajustan con la distancia focal de la lente de enfoque 2 de tal modo que se obtenga la trayectoria de rayos deseada.

La Fig. 4 vuelve a mostrar la expansión del haz de rayos después del punto de intersección común de todos los rayos en el primer punto de enfoque 8. Tal como ya se ha expuesto, el primer punto de enfoque 8 es el punto de partida de un haz de rayos de forma anular que se expande con una divergencia. A diferencia de las figuras antes descritas en las que los haces de rayos están representados respectivamente en sección longitudinal a través del sistema óptico mediante sus rayos centrales y marginales, se ha representado en la Fig. 4 el haz de rayos de forma anular en una sección ortogonal al eje óptico 9. En esta sección, el haz de rayos aparece como anillo de radiación 10 con una zona central exenta de radiación.

La Fig. 5 muestra la disposición de principio de la unidad resonadora 5 para el dispositivo conforme a la invención, compuesta por una lente colectora 12, un primer espejo resonador 13, un espejo 17 con agujero 16, un espejo de enfoque 18 y un segundo espejo resonador 19. La disposición de los elementos entre sí se explicará junto con el funcionamiento de la unidad resonadora 5.

La unidad resonadora 5 está dispuesta detrás de la unidad de formación del rayo 4 en el sentido de radiación de tal modo que su primer conjunto compuesto por una lente colectora 12 y un primer espejo resonador 13 esté situado a una distancia tal del primer punto de enfoque 8 que el anillo de radiación 10 incida íntegramente sobre la lente colectora 12, y el primer espejo resonador 13 esté completamente en la zona central exenta de radiación. Para ello no es forzoso que la lente colectora 12 y el primer espejo resonador 13 se encuentren en un mismo plano (el especialista sabe que siempre que se habla de que unos elementos reproductores ópticos están en un plano se trata de los planos principales). La lente colectora 12 enfoca el haz de rayos anular sobre la superficie de una pieza 14 o dentro del volumen de una pieza 14 (volumen de interacción) en el segundo punto de enfoque 15, dependiendo la posición relativa óptima del segundo punto de enfoque 15 respecto a la pieza 14 del cometido de trabajo respectivo. Después de este primer paso a través de la pieza y con ello de la primera absorción parcial, el haz de rayos pasa a través de un agujero 16 en el espejo 17, que tiene justamente el tamaño suficiente para dejar pasar sin pérdidas el haz de rayos que ahora vuelve a ser divergente. Para poder mantener este agujero 16 lo más pequeño posible, se sitúa el espejo 17 a escasa distancia detrás de la pieza 14.

En su ulterior trayectoria, el haz de rayos incide sobre el espejo de enfoque 18 que se encuentra a suficiente distancia de la pieza 14, detrás del segundo punto de enfoque 15, de modo que también aquí hay una zona central exenta de radiación, de un diámetro suficientemente grande para posicionar allí el segundo espejo resonador 19. Este segundo espejo resonador puede estar dispuesto, o bien fijo en el espejo de enfoque 18, o para asegurar otros grados de libertad de ajuste, la disposición puede ser libremente ajustable. En este último caso es preciso que el espejo de enfoque 18 tenga un orificio suficientemente grande para que mediante la correspondiente unidad de ajuste 21 que está situada detrás del espejo de enfoque 18, es decir fuera de toda la trayectoria de los rayos y por consiguiente sin menoscabo de éstos, el segundo espejo resonador 18 se pueda bascular o también desplazar longitudinalmente respecto al eje óptico 9 en caso de necesidad. De este modo resulta posible el ajuste de precisión del resonador propiamente dicho, que está formado por el primer espejo resonador 13 y el segundo espejo resonador 19.

La ulterior trayectoria de los rayos después de su reflexión en el espejo de enfoque 18 manifiesta la importancia de la función del espejo 17. Éste prepara la función del resonador por el hecho de que conduce el haz de rayos procedente ahora de nuevo de forma convergente del espejo de enfoque 18, en el tercer punto de enfoque 20. Hay que señalar que el espejo 17 no tiene porqué ser forzosamente un espejo plano, tal como está representado, sino que según necesidad puede presentar también una curvatura de efecto óptico, por ejemplo si se quiere subdividir el efecto colector necesario que reúne la radiación en el tercer punto de enfoque 20 aproximadamente por igual entre el espejo 17 y el espejo de enfoque 18. El tercer punto de enfoque 20 que está situado a una distancia relativamente reducida delante del segundo espejo resonador 19, juega un papel básico para el resonador. La distancia focal del segundo espejo resonador 19 y su distancia al tercer punto de enfoque 20 están ajustadas entre sí de tal modo que el haz de rayos se enfoca una segunda vez dentro del volumen de interacción en la pieza 14, y después de la segunda absorción parcial que allí tiene lugar, incide como haz de rayos esbelto sobre el primer espejo resonador 13. Si se elige la distancia focal de éste ahora de tal modo que la radiación reflejada después del tercer paso a través de la pieza 14 se vuelva a concentrar exactamente en el tercer punto de enfoque 20, se cumple la condición necesaria para una auténtica función de resonador, es decir una ida y vuelta múltiple de la radiación entre los dos espejos resonadores 13 y 19. Debido a la absorción que tiene lugar cada vez que atraviesa la pieza, el haz acaba "muerto", e incluso con una absorción escasa se deposita la potencia de radiación disponible en su mayor parte en el material que se trata de mecanizar. Otra segunda ventaja muy esencial es que se evitan totalmente proporciones de radiación que vuelvan a la fuente de radiación 6, de modo que en esta realización preferida de la disposición conforme a la invención se puede renunciar a medidas especiales para el desacoplamiento de la fuente de radiación 6.

En un segundo ejemplo de realización de un dispositivo conforme a la invención, se trata de enfocar el haz de rayos en cada uno de los pasos a través de la pieza 14 en el volumen de interacción, para reducir de este modo el volumen de interacción e introducir la energía de modo más concentrado localmente. Para ello la distancia focal del primer espejo resonador 13 ha de elegirse de tal modo que el haz de rayos no se enfoque en el tercer punto de enfoque 20 sino una tercera vez en la pieza 14, en el segundo punto de enfoque 15. Esta ventaja se obtiene sin embargo a costa de un retorno de la radiación residual no absorbida en sentido hacia la fuente de radiación 6 (durante un cuarto paso enfocado a través de la pieza 14), ya que deja de cumplirse la condición básica de la función del resonador. En este caso hay que colocar por lo tanto una unidad de desacoplamiento especial 22 en el sentido de la radiación, detrás de la fuente de radiación 6, tal como se muestra a título de ejemplo en la Fig. 7.

La unidad de desacoplamiento de la radiación 22 aquí representada presupone que la fuente de radiación 6 emite una radiación electromagnética con polarización lineal, tal como sucede para la mayoría de los láser. En la representación de la Fig. 7 se supone que su plano de polarización está situado en el plano del dibujo. Esta radiación atraviesa sin pérdidas importantes el polarizador 23, ajustado para el paso, e incide a continuación sobre la placa \lambda/4 24 dispuesta inmediatamente detrás del polarizador 23. Ésta influye en la polarización de modo que a partir de rayos inicialmente polarizados linealmente se forme un haz de rayos con polarización circular, que transcurre en la dirección de la anterior trayectoria de lo rayos. El haz de rayos que vuelve después de haber atravesado varias veces la pieza 14 posee esencialmente todavía las mismas propiedades de polarización, es decir que todavía tiene polarización circular. Si este haz de rayos incide ahora en sentido de marcha opuesto sobre la placa \lambda/4 24 se modifica el estado de polarización de modo que a partir de la radiación con polarización circular vuelve a obtenerse una radiación de polarización lineal, si bien ahora con un plano de polarización girado 90º respecto al haz de rayos original. Para la radiación que está polarizada perpendicularmente al plano del dibujo, el polarizador 23 se encuentra ahora en sentido de bloqueo, de modo que se impide el paso a esta radiación y no se puede reacoplar en la fuente de radiación 6.

Mediante la Fig. 8 se trata de explicar un tercer ejemplo de realización. A diferencia del primer ejemplo de realización representado en la Fig. 6, se ha intercalado entre la lente colectora 12 y la pieza 14 una unidad de reenvío 25, mediante la cual se acopla en la trayectoria de rayos de la disposición de conjunto una radiación procedente de una fuente de radiación adicional 27, enfocada por medio de una lente 26. Esta radiación adicional está prevista para generar una grieta inicial al cortar cristal. La fuente de radiación adicional 27 es preferentemente un láser TEA-CO_{2} cuya radiación pulsante de alta potencia y energía de impulsos se enfoca nítidamente sobre la pieza 14 mediante la lente 26, ocupándose la unidad de reenvío 25 de que este foco adicional 28 esté situado exactamente en el lugar deseado con relación al emplazamiento del volumen de interacción. Con el fin de poder ajustar posiciones cualesquiera para el foco adicional 28, la unidad de reenvío 25 está acoplada con un dispositivo de ajuste 29. La unidad de reenvío 25 puede consistir preferentemente en una placa plana paralela recubierta de modo que sea totalmente transparente para la longitud de onda de la radiación electromagnética incidente de la fuente de radiación 6, y que refleje totalmente la radiación de la fuente de radiación adicional 27.

La unidad de reenvío 25 también puede ser un simple espejo 17 para la radiación de la fuente de radiación adicional 27 que se introduce o abate dentro de la trayectoria de los rayos para generar la grieta inicial y que se vuelve a retirar fuera de la trayectoria de los rayos antes del mecanizado propiamente dicho de la pieza 14, que es un corte efectuado en combinación con una generación de grieta inicial.

Relación de las referencias empleadas

1

primera lente Axicon

2

lente de enfoque

3

segunda lente Axicon

4

unidad de formación del rayo

5

unidad resonadora

6

fuente de radiación

8

primer punto de enfoque

9

eje óptico

10

anillo de radiación

11

lente colectora

13

primer espejo resonador

14

pieza

15

segundo punto de enfoque

16

agujero

17

espejo

18

espejo de enfoque

19

segundo espejo resonador

20

tercer punto de enfoque

21

unidad de ajuste

22

unidad de desacoplamiento de la radiación

23

polarizador

24

placa \lambda/4

25

unidad de reenvío

26

lente

27

fuente de radiación adicional

28

foco adicional

29

dispositivo de ajuste

\delta1

ángulo de conicidad de la primera lente Axicon

\delta3

ángulo de conicidad de la segunda lente Axicon

a

distancia.

Claims (5)

1. Dispositivo para introducir energía de radiación en una pieza (14) de un material poco absorbente, con una fuente de radiación (6) y una unidad resonadora (5), comprendiendo un primer espejo resonador (13) y un segundo espejo resonador (19), entre los cuales está dispuesta la pieza (14),

caracterizado porque

antes de la unidad resonadora (5) está dispuesta una unidad de formación del rayo (4) para generar un haz de rayos de forma anular, con una lente de enfoque (2) y una primera lente Axicon (1) dispuesta a continuación, situada junto con la lente de enfoque (2) sobre un eje óptico (9) común, y cuya superficie óptica de forma cónica está orientada hacia la lente de enfoque (2), estando dispuesto sobre el eje óptico (9) y antes de la lente de enfoque (2) una segunda lente Axicon (3) con su superficie óptica de forma cónica alejada de la lente de enfoque (2), estando elegidos los parámetros de la lente de enfoque (2) y de la lente Axicon (1), (3) así como sus distancias entre sí de tal modo que un haz de rayos procedente de una fuente de radiación (6) situada sobre el eje óptico (9) antes de la segunda lente Axicon (3) y que atraviesa la unidad de formación del rayo (4) se conforma en un haz de rayos de forma anular con una zona central exenta de radiación enfocado en un primer punto de enfoque (8) y a continuación divergente, y

el primer espejo resonador (13) está situado detrás del primer punto de enfoque (8) en la zona central exenta de radiación,

porque hay una lente colectora (12) que rodea el primer espejo resonador (13) y enfoca el haz de rayos que incide sobre la pieza (14) en un segundo punto de enfoque (15),

porque el segundo espejo resonador (19) está situado en una zona central exenta de radiación detrás del segundo punto de enfoque (15), rodeado de un espejo de enfoque (18) que conforma el haz de rayos divergente procedente del segundo punto de enfoque (15) en un haz de rayos convergente y lo refleja sobre un espejo (17) dispuesto entre el espejo de enfoque (18) y la pieza (14), y que refleja el haz de rayos sobre el segundo espejo resonador (19), porque el espejo (17) presenta un orificio (16) que tiene justamente el tamaño para que pueda atravesarlo el haz de rayos procedente del segundo punto de enfoque (15) y que transcurre en sentido hacia el espejo de enfoque (18), sin ser influenciado, y a través del cual el haz de rayos reflejado por el segundo espejo resonador (19) pasa sin ser influenciado y se enfoca por segunda vez al interior de la pieza (14) en el segundo punto de enfoque (15) antes de incidir a continuación sobre el primer espejo resonador (13) y es reflejado por éste hacia atrás al interior de la pieza (14).

2. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque los parámetros del segundo espejo resonador (19) y del espejo de enfoque (18) están elegidos de tal modo que el haz de rayos reflejado por el espejo de enfoque (18) se enfoca en un tercer punto de enfoque (20) antes de incidir sobre el segundo espejo resonador (19), el cual se reproduce por medio del segundo espejo resonador (19) en el segundo punto de enfoque (15), y

porque los parámetros del primer espejo resonador (13) están elegidos de tal modo que un haz de rayos procedente del segundo punto de enfoque (15) que incide sobre el primer espejo resonador (13) se enfoca en el tercer punto de enfoque (20).

3. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque los parámetros del segundo espejo resonador (19) y del espejo de enfoque (18) están elegidos de tal modo que el haz de rayos reflejado por el espejo de enfoque (18) se enfoca opcionalmente con o sin enfoque intermedio después de su reflexión en el segundo espejo resonador (19) por segunda vez, después de su reflexión en el primer espejo resonador (13) por tercera vez y después de una nueva reflexión en el segundo espejo resonador (19) una cuarta vez en el segundo punto de enfoque (15), y porque entre la fuente de radiación (6) y la unidad de formación del rayo (4) está antepuesta una unidad de desacoplamiento de la radiación (22) que impide el reacoplamiento de partes de la radiación en la fuente de radiación (6).

4. Dispositivo según la reivindicación 2, caracterizado porque la fuente de radiación (6) emite luz polarizada linealmente y porque la unidad de desacoplamiento de la radiación (22) está formada por un polarizador (23) y por una placa \lambda/4 (24).

5. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque para generar una grieta inicial hay una fuente de radiación adicional (27) cuya radiación adicional se puede enfocar temporalmente dentro de la pieza (14) por medio de una lente (26) y de una unidad de reenvío (25).