Мощный технологический лазер «Лантан-5»

Технологическийлазер с быстрым протоком газа «Лантан-5» с выходной мощностью до 5 кВт в непрерывном режиме был разработан для высококачественной резки и сварки металлов. Исходя из взаимного расположения быстрого потока и оптической оси резонатора «Лантан-5» можно отнести к лазерам с быстрой поперечной прокачкой. «Лантан-5» является более мощной модификацией предыдущей модели «Лантан-3М» [20]. Эти два лазера, построенные на одних и тех же принципах, различаются мощностью разряда, импульсного генератора и средств быстрой прокачки газа. Основные характеристики лазера «Лантан-5» представлены в Таблице 1.4.

Оригинальный способ организации разряда лазеров «Лантан» — РПТ-ЕИР в сочетании с простой и надежной схемой быстрой поперечной прокачки — обеспечивает высокое качество излучения, возможность быстрого управления мощностью, высокий КПД и низкое потребление рабочих газов.

Выходная мощность может быть промодулирована в виде периодических импульсов прямоугольной формы, либо в виде единичного импульса в форме трапеции. Все режимы управления мощностью автоматизированы, так что лазер может использоваться в составе технологических комплексов с программным управлением.

Таблица 1.4 — Основные характеристики технологического лазера «Лантан-5».

Параметр, ед. измерения.	Значение.
Длина волны излучения, мм.	10,6.
Способ накачки.	Несамостоятельный тлеющий разряд постоянного тока.
Способ охлаждения.	Быстрая поперечная прокачка.
Параметр, ед. измерения.	Значение.
Выходная мощность (непрерывный режим), Вт.	5,000.
Структура излучения.	Смешанная мода 3-го порядка.
Диаметр луча, мм.
Расходимость луча, мрад.	3.0.
Импульсный режим.	Есть.
Способ модуляции излучения.	Модуляция разрядного тока.
Длительность импульсов, мс.	1- непрерывный режим.
Давление газа кПа.	6.0.
Состав смеси (//He).	1/15/10.
Потребление газов (н.л./час).
Габаритные размеры (длины х ширина х высота), мм3.	2500×1700×2100.
Вес, кг.

Используется несамостоятельный разряд постоянного тока с ионизацией безэлектродным (емкостным) импульсно-периодическим разрядом (РПТ-ЕИР). Источник питания основного разряда работает при постоянном напряжении, оптимальном для возбуждения колебаний молекул [21]. Мощность основного разряда регулируется путем изменения частоты следования импульсов ЕИР. Для стабилизации выходной мощности лазера в импульсно-периодическом режиме применяется быстродействующая обратная связь.

Благодаря схеме быстрой поперечной прокачки для охлаждения разряда достаточно двух установленных параллельно одноступенчатых осевых вентиляторов с встроенными водоохлаждаемыми электроприводами с частотой вращения 9000 оборотов в минуту. Надежность вентиляторов обеспечивается сравнительно небольшой рабочей частотой вращения, дающей относительный перепад давления 1,1 при полном абсолютном давлении смеси 6 кПа. Скорость потока в разрядной камере достигает 100 м/с.

Коэффициент усиления слабого сигнала в активной среде меняется от нуля до 0,5 м-1 при увеличении вкладываемой в разряд мощности от нуля до максимальной.

Первоначально для лазера «Лантан» был разработан многопроходный устойчивый резонатор. Оптическая длина резонатора 7,5 м. На этой длине оптическая ось совершает 5 проходов через активную среду, каждый из которых имеет длину 0,9 м. Оптическая схема резонатора включает в себя 4 плоских поворотных зеркала, вогнутое глухое зеркало, а также плоское выходное зеркало из селенида цинка с коэффициентом отражения 30% [22].

С радиусом кривизны глухого зеркала 15 м (полуконфокальный резонатор) резонатор дает многомодовое излучение с расходимостью выходного пучка 4,5…5 мрад. Из данных, представленных на рис. 1.3, видно, что излучение с полуконфокальным резонатором выводится с высоким электрооптическим КПД — до 20%. С целью уменьшения расходимости выходного пучка радиус кривизны глухого зеркала был увеличен до 30 м. В результате получена генерация, соответствующая смешанной моде третьего порядка с расходимостью 2,5…3 мрад. При этом КПД генерации снизился до 17% на номинальной мощности. Дальнейшее увеличение радиуса кривизны глухого зеркала делает резонатор слишком чувствительным к тепловым деформациям оптических элементов и конструкции резонатора в целом, а также ведет к снижению КПД генерации[23].

К преимуществам многомодового режима генерации мощно отнести высокий электрооптический КПД (до 20%) и однородное распределение интенсивности по сечению пучка в ближней и дальней зонах. Расходимость пучка в этом режиме в 5−10 раз выше дифракционного предела. Такое качество излучения подходит для термообработки и, в некоторых случаях, для сварки, однако оно непригодно для резки и для сварки с глубоким проникновением, особенно в случае цветных металлов.

Для того, чтобы получить одномодовое излучение в устойчивом резонаторе (ТЕМ00 моду) нужно уменьшить апертуру с помощью диафрагмы диаметром менее 20 мм.

Рисунок 1.3 -Зависимость выходной мощности излучения Pout от мощности, вкладываемой в разряд Pin в лазере «Лантан-5» с полуконфокальным резонатором в многомодовом режиме генерации.

При таком уменьшении апертуры и объема, заполненного излучением моды, выходная мощность снижается до уровня 1,5 кВт. При этом качество излучения обычно не превышает из-за искажений, вызванных дифракцией на диафрагме и генерацией моды более высокого порядка.

Высокая оптическая однородность активной среды, получаемой с помощью РПТ-ЕИР, позволяет получать пучки с высоким качеством излучения и с приемлемым КПД путем применения специальных схем оптических резонаторов.

Для активной среды лазера «Лантан-5» характерно число Френеля и коэффициент усиления малого сигнала 0,5% на см. В таких условиях часто используют конфокальный неустойчивый резонатор положительной ветви с дифракционным выводом излучения в виде кольца.

Основным недостатком резонатора такого типа является снижение качества излучения при небольшом значении параметра увеличения (), проявляющееся в уширении фокального пятна, а также в неравномерном распределении интенсивности излучения в поперечном сечении пучка в ближней зоне и в области фокального пятна. Эти явления изучались Ананьевым и Сигменом [24,25].

Перспективным способом обойти эти затруднения является использование частично прозрачного выходного зеркала в обычном неустойчивом резонаторе. Успешные опыты проводились с зеркалом с переменным по радиусу коэффициентом отражения (ВРМ), с зеркалом с компенсацией фазы, а также просто с частично прозрачным зеркалом.

Неустойчивый резонатор положительной ветви для лазера «Лантан-5» был спроектирован на основе конфигурации, близкой к конфигурации устойчивого резонатора [26]. В случае неустойчивого резонатора плоское выходное зеркало заменялось на выпуклое зеркало с радиусом кривизны — 20 м с супергауссовым профилем коэффициента отражения. Глухое зеркало имело радиус кривизны 35 м, что давало параметр увеличения неустойчивого резонатора .

Радиальный профиль коэффициента отражения выходного зеркала R® был близок к супергауссову, задаваемому соотношением:

(1.14).

где ;

.

Переменный по радиусу коэффициент отражения ВРМ был получен путем напыления на подложку из просветленного селенида цинка отражающего слоя с переменной по радиусу толщиной покрытия. Полное поглощение излучения в зеркале составляло 0,2…0,25% при номинальной мощности. Результат расчета в приближении геометрической оптики профиля интенсивности излучения в ближней зоне в отсутствие усиления в активной среде показан на рисунке 1.4 сплошной линией, там же приведены экспериментальные точки, полученные при выходной мощности 4 кВт. Пунктирной линией на рис. 1.5 представлено распределение интенсивности гауссова пучка того же диаметра.

Рисунок 1.4 — Распределение интенсивности в ближней зоне, полученное в неустойчивом резонаторе с ВРМ.

Рисунок 1.5 — Угловое распределение интенсивности в дальней зоне, полученное для неустойчивого резонатора с ВРМ.

Идеальный гауссов пучок и рассматриваемый реальный пучок считаются эквивалентными, если одинаковые по размерам поперечные сечения этих двух пучков в ближней зоне содержат по 86,5%полной мощности каждого из пучков.

Видно, что профиль интенсивности, в ближней зоне полученный с помощью ВРМ-резонатора довольно гладкий и однородный. Различие между теоретическим и экспериментальным профилями лежит в пределах точности теоретического приближения. Диаметр луча несколько возрастает при увеличении мощности, что соответствует изменению свойств активной среды при увеличении усиления [27].

Сплошная линия на рисунок 1.5 представляет собой теоретический расчет углового распределения интенсивности в дальней зоне при известном распределении интенсивности в ближней зоне в предположении плоского волнового фронта с учетом фазового искажения, возникающего при прохождении частично прозрачного слоя переменной толщины ВРМ. Прямоугольники показывают угловое распределение интенсивности, в дальней зоне полученное путем измерения распределения интенсивности в пятне излучения, сфокусированного линзой с фокусным расстоянием 14 м. Оба профиля нормированы на единицу по интенсивности на оси для сравнения соотношения интенсивностей на оси и в первом дифракционном кольце (крыльях). Если бы эти распределения были нормированы по мощности, интенсивность на оси экспериментальной кривой должна быть ниже, поскольку центральный пик экспериментальной кривой выглядит более широким, чем теоретический. Тем не менее, измерения распределения интенсивности в дальней зоне методом калиброванных диафрагм показали, что около 80% полной мощности излучается в телесном угле 0,3 мрад (половинный угол), что соответствует теоретически предсказанной величине.

Принимая во внимание ошибки измерения, можно утверждать, что осевая яркость излучения, полученного с помощью ВРМ-резонатора (интенсивность центрального пика распределения в дальней зоне), в 1,7…1,9 раз ниже осевой яркости эквивалентного гауссова пучка (пунктирные линии на рисунке 1.4,1.5).

На рисунке 1.6 показана зависимость мощности излучения на выходе ВРМ-резонатора от мощности, вкладываемой в разряд лазера «Лантан-5». На номинальной мощности достигнут электрооптический КПД 13%. Дифференциальный КПД достигает 17%, пороговая мощность разряда, соответствующая началу генерации — 7,5 кВт. Из значения пороговой мощности следует, что мощность потерь излучения через выходное зеркало составляет 0,8 от полной мощности излучения, падающего на выходное зеркало, а величина обратной связи — 0,2. последняя величина соответствует полученной теоретически в приближении геометрической оптики.

Рисунок 1.6 — Зависимость выходной мощности Pout от мощности, вкладываемой в разряд, Pin полученной в лазере «Лантан-5» конфокальным неустойчивым резонатором с ВРМ.

Чувствительность к разъюстировке была средней, профиль интенсивности в ближней зоне при разъюстировке оставался гладким, образования так называемых «горячих точек» не наблюдалось. Эффект теплового клина, характерный для активных сред с быстрой поперечной прокачкой, был мал и не сказывался на основных результатах экспериментов.

Как видно, КПД в случае ВРМ-резонатора ниже, чем в случае полуконфокального устойчивого резонатора в многомодовом режиме в аналогичных условиях [29]. Это обусловлено, в частности, низким порядком супергауссовой моды, возбуждаемой в резонаторе. Различие в электрооптическом КПД в случае супергауссовой моды высокого и низкого порядка наблюдалось экспериментально Серри с.

Несмотря на больший электрооптический КПД, тем не менее, супергауссова мода более высокого порядка имеет худшее качество излучения, чем мода низкого порядка. Если сравнить, например, результаты для супергауссовой моды с и с, полученные в, видно, что распределение интенсивности в дальней зоне во втором случае имеет более интенсивные крылья, чем в первом.

Экспериментальные результаты с ВРМ-резонаторами, описанные в литературе, как и данные настоящих экспериментов, свидетельствуют, что распределение интенсивности в дальней зоне отличается более интенсивными крыльями, чем это следует из теоретических расчетов в геометрооптическом приближении, в которых не учитываются эффекты искажения фазы [30]. Очевидно, это противоречие свидетельствует о наличии искажений фазы выходящего из резонатора пучка, а вопрос заключается в том, что является источником этих искажений.

В нашем случае приближение геометрической оптики использовалось, чтобы получить распределение интенсивности излучения на выходном зеркале внутри резонатора. Профиль интенсивности выходного пучка получался, таким образом, из вычисленного распределения интенсивности внутри резонатора на выходном зеркале и известного распределения коэффициента отражения ВРМ. Волновой фронт пучка, падающего внутри резонатора на выходное зеркало при этом считался плоским. Профиль фазы выходного пучка определялся как сдвиг фазы в отражающем слое переменной толщины, образующем отражающее пятно на выходном зеркале [31]. Профиль интенсивности в дальней зоне, вычисленный в этих приближениях, близок к наблюдаемому экспериментально: как теоретический, так и экспериментальный график имеют почти одинаковое соотношение между интенсивностью центрального пика и крыльев соответствующего распределения. Этот факт показывает полезность такого рода упрощенного теоретического рассмотрения.

Как следствие, настоящие результаты позволяют сделать заключение, что искажение фазы в отражающем слое переменной по радиусу толщины является основным ограничением, препятствующим дальнейшему улучшению характеристик ВРМ-резонатора.

Данные эксперименты демонстрируют возможность генерации пучка мощностью 5 кВт с расходимостью, близкой к дифракционному пределу, в технологическом лазере с быстрой поперечной прокачкой с ВРМ-резонатором с супергауссовым профилем коэффициента отражения. Полученные результаты близки к достигнутым Такенакой с выходным зеркалом, с согласованной фазой и активной средой, возбуждаемой безэлектродным разрядом переменного тока средней частоты, и находятся в хорошем согласии с результатами расчета на основе приближения геометрической оптики, с учетом фазового сдвига в слое переменной толщины.