PL245047B1 - Wielodiodowa głowica laserowa - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest wielodiodowa głowica laserowa o dużej mocy optycznej, która wykorzystuje złożony system optyczny do połączenia grupy wiązki laserowej wypromieniowanej z wielu niezależnych pojedynczych diod laserowych w wynikową wiązkę laserową skupioną na do jednej plamki, przeznaczona do grawerowania i cięcia różnych materiałów. Wielodiodowa głowica laserowa zawierająca we wspólnej obudowie zasilający układ elektroniczny, układ optyczny złożony z diod (1) emitujących światło oraz układ opto-machaniczny i układ chłodzenia. Układ optyczny (22) zawiera kolimująco-skupiający układ optyczny promieniujący światło w zakresie 440 — 460 nm, wyposażony w od 3 do 6 diod laserowych (1) o mocy optycznej od 15W do 30W, przesyłający wiązkę światła (25) do kolimujących soczewek (3) skąd skolimowane wiązki trafiają na pryzmatyczne zwierciadła (2), a następnie w postaci połączonych laserowych wiązek (27) do skupiającej w postać plamki (6) soczewki (5).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest wielodiodowa głowica laserowa o dużej mocy optycznej, która wykorzystuje złożony system optyczny do połączenia grupy wiązki laserowej wypromieniowanej z wielu niezależnych, pojedynczych diod laserowych w wynikową wiązkę laserową skupioną na do jednej plamki, przeznaczona do grawerowania i cięcia różnych materiałów.

Z amerykańskiego opisu patentowego nr US 7 773 655 B2 znany jest moduł laserowy o wysokiej jasności, zawierający zespół kompresji wiązki zdolny do zmniejszania średnicy równoległych wiązek światła, które są emitowane przez odpowiednio oddalone od siebie poszczególne diody laserowe. Moduł ma ponadto soczewkę obiektywu przeznaczoną do bezstratnego wypuszczania światła o zmniejszonej średnicy do światłowodu.

Celem wynalazku jest opracowanie wielodiodowej głowicy laserowej o dużej mocy optycznej, zawierającej system optyczny do połączenia grupy wiązki laserowej wypromieniowanej z wielu niezależnych, pojedynczych diod laserowych w wynikową wiązkę laserową skupioną do jednej plamki w taki sposób, że wiązki optyczne nie trzeba doprowadzać do materiału za pomocą dużych zwierciadeł, natomiast sama głowica porusza się nad obrabianym materiałem.

Wielodiodowa głowica laserowa zawierająca we wspólnej obudowie zasilający układ elektroniczny, układ optyczny złożony z diod emitujących światło oraz układ opto-mechaniczny i układ chłodzenia, według wynalazku, charakteryzuje się tym, że układ optyczny zawiera kolimująco-skupiający układ optyczny promieniujący światło w zakresie 440-460 nm, wyposażony w od 3 do 6 diod laserowych o mocy optycznej od 15W do 30W, przesyłający wiązkę światła do kolimujących soczewek, skąd skolimowane wiązki trafiają na pryzmatyczne zwierciadła, a następnie w postaci połączonych laserowych wiązek do skupiającej je w postać plamki soczewki. Każda dioda laserowa jest skolimowana i jej wiązka jest odbita pryzmatycznym zwierciadłem, tak że krawędź wiązki laserowej jest w odległości 0,1-0,3 mm od sąsiedniej wiązki laserowej. Połączone laserowe wiązki są skupione do jednej plamki przy pomocy soczewki asferycznej o długiej ogniskowej.

Zaletą wielodiodowej głowicy laserowej, według wynalazku jest to, że układ zarówno kolimujący wiązkę jak i skupiający wiązkę znajduje się wewnątrz kompaktowej obudowy, w wyniku czego dużo łatwiej jest utrzymać w czystości układ doprowadzający wiązkę do obrabianego materiału, ponieważ jest tylko jedna soczewka zewnętrzna do czyszczenia i nie ma systemu luster doprowadzających wiązkę do materiału;

- układ nie wymaga regularnego strojenia, ponieważ wszystkie jego elementy znajdują się wewnątrz kompaktowej obudowy i jest on odporny na drgania - raz ustawiona w fabryce głowica nie musi być przestrajana;

- przez to, że źródłem światła laserowego są diody laserowe głowica laserowa ma wyższą sprawność czyli niższą energochłonność zatem zużywa mniej energii elektrycznej pozwalając na uzyskanie tych samych efektów co inne porównywalne lasery;

- opracowana technologia wielodiodowa pozwala na łatwe skalowanie głowicy tak aby osiągała wyższe moce, a także pozwala na użycie diod o różnych długościach fali przez co jej praca z różnymi materiałami może być zoptymalizowana i można dobrać odpowiednią długość fali tak żeby lepiej procesować dany materiał;

- przez to że głowica jest kompaktowa i mniej waży to łatwiej jest ją zamontować na urządzeniu CNC i łatwiej jest zastosować środki ochrony laserowej.

Przedmiot wynalazku przedstawiony jest w przykładzie wykonania na rysunku, na którym na fig. 1 pokazano w widoku z góry wielodiodową głowicę laserową, fig. 2 pokazano w widoku z boku wielodiodową głowicę laserową, fig. 3 pokazano w widoku z przodu wielodiodową głowicę laserową, fig. 4 pokazano schematycznie układ optyczny wielodiodowej głowicy laserowej, fig. 5 pokazano w widoku z boku układ chłodzenia wielodiodowej głowicy laserowej, fig. 6 pokazano w widoku z góry zasilający układ elektroniczny wielodiodowej głowicy laserowej, fig. 7 pokazano w widoku z boku zasilający układ elektroniczny wielodiodowej głowicy laserowej, a na fig. 8 pokazano układ opto-mechaniczny wielodiodowej głowicy laserowej.

Jak przedstawiono na rysunku wielodiodowa głowica laserowa ma obudowę 20, w której umieszczony jest zasilający układ elektroniczny 21, układ optyczny 22, układ opto-mechaniczny 23 i układ chłodzenia 24. Układ chłodzenia 24 jest głównym elementem montażowym wielodiodowej głowicy laserowej, do którego są mocowane wszystkie kolejne układy, bezpośrednio lub przez dodatkowe elementy. Układ optyczny 22 jest zamocowany do radiatora 10 przy pomocy układu opto-mechanicznego 23 i służy on do pozycjonowania/ justowania elementów optycznych. Ciepło generowane przez diody laserowe 1 jest przekazywane do radiatora 10 przy pomocy układu opto-mechanicznego 23, natomiast układ elektroniczny 21 jest zamocowany nad układem opto-mechanicznym 23 i zamocowany również do radiatora 10 przy pomocy ramki 26.

Układ optyczny 22 składa się od 3 do 6 diod laserowych 1 dużej mocy optycznej, promieniejących światło o długość 440-460 nm, umieszczonych korzystnie w obudowie TO-CAN. Wiązka laserowa 4 jest skolimowana/skupiona w odległości nieskończonej od płaszczyzny soczewki kolimującej przy pomocy soczewki kolimującej asferycznej 3. Skolimowana wiązka laserowa 4 jest odbita przy pomocy zwierciadła pryzmatycznego 2 o dużym współczynniku odbicia. Każda kolejna dioda laserowa 1 jest skolimowana w taki sam sposób a jej wiązka 25 jest odbita zwierciadłem pryzmatycznym 2 w taki sposób aby krawędź wiązki laserowej 4 była w odległości 0,1-0,3 mm od poprzedniej wiązki laserowej 3. Grupy połączonych wiązek laserowych 27 są skupione przy pomocy soczewki sferycznej 5 o długiej ogniskowej skupiającej je do jednej plamki 6. Dany układ jest skalowany dla trzech, czterech i sześciu diod laserowych 1 powalających na uzyskanie mocy optycznej 15W, 20W oraz 30W.

Układ chłodzenia 24 jest złożony z pięciu elementów w postaci podstawki 11, wentylatora 8, elementu w postaci kratki ochronnej 7 chroniącej wentylator 8, komory powietrznej 9 i radiatora 10. Chłodzenie odbywa się przez wymuszoną wymianę ciepła pomiędzy radiatorem 10 a powietrzem otoczenia. Ciepło generowane prze diody laserowe 1 jest przekazywane do radiatora 10, a powietrze z otoczenia jest zasysane przy pomocy wentylatora 8. Przed wentylatorem 8 jest umieszczona kratka ochrona 7, chroniąca wentylator 8 przed uszkodzeniami mechanicznymi i zabezpieczająca go przed przeniknięciem niepożądanych przedmiotów. Powietrze następnie trafia do komory 9, która kieruje powietrze do radiatora 10, który ma mniejszy przekrój od wentylatora. Podstawka 11 pełni rolę utrzymywania obecności strumienia powietrza w środku radiatora 10.

Układ elektroniczny 21 zawiera sterownik 12, który służy do zasilania/sterownia diod laserowych 1 oraz do zabezpieczenia ich przed uszkodzeniami elektrostatycznymi - ESD i/lub termicznym w postaci przegrzania. Dodatkową funkcją sterownika 12 jest zasilanie wentylatora 8 z układu chłodzenia 24 oraz sygnalizacja aktualnego stanu, w jakim znajduje się głowica laserowa. Sterowanie oraz zasilanie sterownika 12 jest podawane przez złącze 13. Sterownik diod laserowych 1 wraz z jego elementami jest zamocowany do podstawki 14, która odprowadza/rozprasza ciepło.

Układ opto-mechaniczny 23 ma obudowę 15 na diodę laserową 1, która służy dla przekazywania ciepła od diody laserowej 1 do radiatora 10, natomiast soczewka kolimująca 3 jest zamocowana w środku tulejki 17 zaopatrzonej w uchwyt 16. Takie połączenie jest niezbędne aby zapewnić prawidłowe ustawienie soczewki kolimującej 3 w trzech osiach XYZ. Ustawiacz do pryzmatycznych zwierciadeł 2 jest złożony z dwóch elementów. Pryzmatyczne zwierciadło 2 jest mocowane do uchwytu 19 a sam uchwyt jest przykręcany do głównego elementu 18 pozycjonowania zwierciadeł 2. Główny element 18 pozycjonowania zwierciadeł 2 zapewnia możliwość przesuwu w dwóch osiach i możliwość obracanie w dwóch osiach.

Claims (3)

1. Wielodiodowa głowica laserowa zawierająca we wspólnej obudowie zasilający układ elektroniczny, układ optyczny złożony z diod emitujących światło oraz układ opto-mechaniczny i układ chłodzenia, znamienna tym, że układ optyczny (22) zawiera kolimująco-skupiający układ optyczny promieniujący światło w zakresie 440-460 nm, wyposażony w od 3 do 6 diod laserowych (1) o mocy optycznej od 15W do 30W, przesyłający wiązkę światła (25) do kolimujących soczewek (3) skąd skolimowane wiązki trafiają na pryzmatyczne zwierciadła (2), a następnie w postaci połączonych laserowych wiązek (27) do skupiającej w postać plamki (6) soczewki (5).

2. Wielodiodowa głowica laserowa, według zastrz. 1, znamienna tym, że każda dioda laserowa (1) jest skolimowana i jej wiązka (25) jest odbita pryzmatycznym zwierciadłem (2), tak że krawędź wiązki laserowej (4) jest w odległości 0,1-0,3 mm od sąsiedniej wiązki laserowej (3).

3. Wielodiodowa głowica laserowa, według zastrz. 1, znamienna tym, że połączone laserowe wiązki (27) są skupione do jednej plamki (6) przy pomocy soczewki asferycznej (5) o długiej ogniskowej.