Введение к работе
Актуальность темы
Стремительное развитие в последние десятилетия лазерной физики и современных лазерных технологий тесно связано с созданием мощных высокоэффективных лазерных систем. Впечатляющие успехи, достигнутые в этих областях, обусловлены развитием физики твердотельных лазеров. Появление новых лазерных материалов, использование узкополосных полупроводниковых систем накачки, совершенствование конструктивной элементной базы - все это позволяет сегодня создавать исключительно компактные системы с параметрами излучения, приближающимися к предельно возможным фундаментальным значениям.
Широкое распространение среди рабочих сред твердотельных лазеров получили неодимсодержащие активные кристаллы. Благодаря сравнительно низкой стоимости, отработанной технологии производства, а также хорошему сочетанию спектрально-люминесцентных характеристик и эксплуатационных показателей они занимают лидирующие позиции в общей доле твердотельных активных сред современных источников мощного когерентного излучения.
Уникальные характеристики излучения твердотельных лазеров обусловливают их многочисленные применения в самых различных областях, начиная с фундаментальной науки и заканчивая техническим приборостроением. Сегодня можно говорить о лазерном приборостроении и лазерных технологиях как о самостоятельных областях техники. Кроме того, глобальные тенденции к миниатюризации продукции дали развитие отдельному техническому направлению - лазерному микромашинингу.
Современные твердотельные лазеры и устройства на их основе широко применяются в оптоэлектронике, медицине, химии, биотехнологиях, экомониторинге и ряде других научно-технических отраслей. Впечатляющие успехи достигнуты и при их технологическом использовании. Исключительно высокая концентрация энергии при фокусировании пучков ультракоротких импульсов позволяет проводить обработку материалов с прецизионной точностью, обеспечивая рекордные значения технологических параметров.
Однако широкое разнообразие областей применения твердотельных лазеров, появление новых материалов и повышение технологических требований к их обработке требуют постоянного функционального совершенствования оптических квантовых генераторов. Важной перспективой современного развития твердотельных лазеров является реализация различных, в том числе, специфических режимов генерации (например, комбинированные режимы модуляции и одновременной синхронизации мод, автомодуляционный режим и др.). Весьма важным оказывается поиск методов и технических решений по управлению параметрами лазерной генерации, в том числе, с использованием новых лазерных материалов, обеспечивающих возможность пассивного управления процессами генерации.
Детальное развитие этих вопросов и последующий комплексный анализ полученных результатов позволит не только повысить технико-технологическую эффективность работы твердотельных лазеров, но и, в перспективе, способствовать лучшему пониманию физических процессов взаимодействия мощного когерентного излучения с веществом.
Таким образом, исследование и разработка высокоэффективных твердотельных неодимсодержащих лазеров, расширение их функциональных возможностей и методов управления их режимами генерации представляет актуальную современную задачу, имеющую важную научную и практическую значимость.
Целью диссертационной работы является совершенствование методов управления режимами модуляции добротности и синхронизации мод кристаллических неодимовых лазеров для повышения эффективности лазерного аблирования глубоких каналов в металлах, их сплавах и керамиках.
Для достижения поставленных целей в работе решались следующие задачи:
разрабатывался метод адаптированного управления пассивной модуляцией добротности многопетлевого Nd:YAG-лазера с дифракционно связанным резонатором с помощью градиентно окрашенного кристалла LiF:F2 ;
для различных видов твердотельных лазеров исследовался режим генерации наносекундных цугов пикосекундных импульсов с использованием методов пассивной сихронизации мод с помощью полимерных пленок с одностенными углеродными нанотрубками и тонких пластин из арсенида галлия GaAs;
- разрабатывались методы управления параметрами генерации
высокоэффективных твердотельных лазерных систем с использованием поперечной
диодной системы накачки активной рабочей среды;
- исследовался комбинированный режим генерации Nd:YAG-лазера с
поперечной диодной накачкой активной рабочей среды с одновременной активной
модуляцией добротности и синхронизацией мод;
проводились исследования практической эффективности способа лазерного аблирования глубоких каналов с помощью наносекундных цугов пикосекундных импульсов, следующих с высокой частотой в металлах, их сплавах и керамиках;
проводились комплексные исследования по адаптированному динамическому регулированию процессов лазерного аблирования глубоких каналов в различных тугоплавких и сверхтвердых материалах.
Научная новизна исследований, выполненных в диссертационной работе, состоит в том, что в них впервые:
- предложен и реализован режим генерации комбинированных импульсов
(наносекундных цугов пикосекундных импульсов) в лазерах на неодимовых
кристаллах Nd:GdV04, Nd:Y0;9Gdo;iV04 и Nd:YAG с ламповой и диодной системой
накачки активной среды с использованием пассивных пленочных затворов с одностенными углеродными нанотрубками (ОУН);
- предложен и реализован режим модуляции добротности дифракционно
связанного резонатора Nd:YAG-лазера с динамически регулируемыми параметрами
импульсно-периодической генерации с использованием пассивного лазерного затвора
на кристалле LiF:F2 с градиентной окраской;
- разработан эффективный метод лазерного аблирования металлов, их сплавов и
керамик комбинированными импульсами Nd:YAG лазера с одновременной
модуляцией добротности и активной синхронизацией мод;
- установлены закономерности лазерного воздействия на металлы и сплавы
(сталь 9ХС, алюминиевый сплав В95) и труднообрабатываемые керамики (SiC и А120з)
при динамически управляемых параметрах пассивной модуляции добротности
Nd:YAG-лазера, позволившие реализовать эффективный метод адаптированного
лазерного аблирования каналов рекордного аспектного отношения и глубины.
Практическая ценность работы:
экспериментально получен закон адаптированной подстройки параметров генерации многопетлевого Nd:YAG-лазера с дифракционно связанным резонатором при управлении режимом модуляции добротности с помощью пассивного лазерного затвора на основе градиентно окрашенного кристалла LiF:F2 , позволивший провести лазерную абляцию в керамике А120з каналов рекордного аспектного отношения (более 100) и глубины (до 27 мм);
предложен и экспериментально реализован метод плазменной «расчистки» аблируемого канала, позволяющий проводить коррекцию геометрической формы глубоких каналов;
в сравнении с режимом модулированной добротности продемонстрирована технологическая эффективность комбинированного режима генерации Nd:YAG-лазера, обеспечивающего генерацию наносекундньгх цугов пикосекундных импульсов, позволяющих при воздействии на исследуемые материалы (сталь 9ХС, алюминиевый сплав В95, керамики SiC и А120з) в 1,3-2,5 раза увеличить глубину лазерного аблирования ив 1,3 раза снизить интенсивность излучения, требуемую для начала процесса разрушения мишени.
Защищаемые положения:
-
Режим динамического управления пассивной модуляцией добротности многопетлевого Nd:YAG-лазера с дифракционно связанным резонатором с помощью градиентно окрашенного кристалла LiF:F2 позволяет реализовать метод адаптированного лазерного аблирования и плазменной «расчистки» аблируемых каналов рекордного аспектного отношения и глубины.
-
Пассивные лазерные затворы на основе полимерных пленок с одностенными углеродными нанотрубками позволяют реализовать режим генерации наносекундньгх
цугов пикосекундных импульсов в лазерах на неодимовых кристаллах Nd:GdVC>4, Nd:YogGdojVO4 и Nd:YAG с ламповой и диодной системой накачки активной среды на длинах волн 1,06 и 1,34 мкм.
-
Способ лазерного аблирования материалов с помощью комбинированных импульсов (наносекундных цугов пикосекундных импульсов) позволяет увеличить глубину лазерного воздействия и снизить уровень интенсивности излучения, требуемой для начала процесса разрушения материала мишени.
-
Реализация режима одновременной активной модуляции добротности и синхронизации мод обеспечивает стабильную генерацию наносекундных цугов пикосекундных импульсов Nd:YAG-лазера с поперечной диодной накачкой активной среды.
Апробация работы
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях, симпозиумах и совещаниях с опубликованием в соответствующих тезисах и трудах: Международная конференция «International Conference on Lasers, Applications, and Technologies (LAT-2007)», Minsk, Belarus, 28 May-1 June 2007; Международная конференция «Fundamentals of Laser Assisted Micro- and Nanotechnologies» (FLAMN-07) St. Peterburg, Russia, 25-28 June 2007; Межрегиональная научная конференция «Фундаментальная наука - Центральной России», г. Тамбов, Россия, 17-19 октября 2007 г.; Вторая всероссийская школа для студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов по лазерной физике и лазерным технологиям, г. Саров, Россия, 22-25 апреля, 2008 г.; Международная конференция «Laser Optics 2008 (LO-08)», St. Peterburg, Russia, 23-28 June 2008; Международная конференция «X Conference on Laser Optics», St. Peterburg, Russia, 26-30 June 2008; Международная конференция «Advanced Laser Technologies (ALT-2008)», Siofok, Hunhgury, 13-18 September 2008; Молодежная школа-семинар: «Современные нанотехнологии и нанофотоника для науки и производства», г. Владимир, 2008 г.; Третья (22-25 сентября 2010 г.) и Четвертая (28 сентября - 01 октября 2011 г.) Всероссийская конференция молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России», г. Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана; ежегодные научно-технические конференции ФГБОУ ВПО «Ковровская государственная технологическая академия им. В.А. Дегтярева»; семинары отдела колебаний Института общей физики им. A.M. Прохорова РАН.
Результаты работы отмечены наградами различного уровня: Почетная грамота победителя программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» («УМНИК»), 2007 г; Диплом победителя областного конкурса грантов молодых ученых на проведение научных исследований по приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники Владимирской области, Владимир, 2007 г.; Медали и почетные грамоты Союза машиностроителей России за лучшие научные
работы в 2010 г. и в 2011 г. по направлению «Машиностроительные технологии» на Третьей и Четвертой Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России», г. Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Публикации
Основные результаты опубликованы в 18 печатных работах отечественных и зарубежных изданий, в том числе 5 в изданиях, рекомендованных ВАК.
Личный вклад автора
Представленные в диссертации результаты получены автором лично или с соавторами при его непосредственном участии.
Структура и объем диссертации.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа изложена на 117 страницах машинописного текста, содержит 31 рисунок, 2 таблицы и 1 приложение. Список литературы включает в себя 138 наименований.
