Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Лазерные технологии и технологические С02-лазеры 23
1.1. Лазерные технологии обработки материалов 23
1.2. Проблема качества излучения технологических лазеров 27
1.3. Общее устройство технологических С02-лазеров 41
1.4. Лазеры типа «ЛОК», «Сибирь», разработанные вИТПМСОРАН 50
Глава 2. Численное исследование СФР применительно к использованию в мощном непрерывном С02-лазере 59
2.1. Самофильтрующий резонатор. Схема и основные свойства 59
2.2. Характеристики выходного пучка СФР 64
2.3. Область рабочих параметров СФР в условиях проточного СОг-лазера и рекомендации по инженерному проектированию 73
2.4. Влияние наклона зеркал на характеристики пучка СФР 85
Глава 3. Технологические СОг-лазеры с СФР 96
3.1. Средства и методы измерения характеристик излучения 96
3.2. Конструктивные схемы и характеристики излучения лазеров непрерывного действия с СФР 102
3.3. Импульсно-периодический лазер с СФР для технологических и научных применений 118
3.4. Максимальная мощность непрерывных СОг-лазеров с СФР 126
Глава 4. Резка металлов излучением лазера с СФР 130
4.1. Лазерная резка. Обзор 130
4.2. Качество лазерного реза 142
4.3. Постановка задачи. Оборудование для резки 155
4.4. Лазерно-кислородная резка 168
4.5. Резка плавлением 179
4.6. Кислородная резка, поддерживаемая лазерным излучением 190
Глава 5. Оптимизация лазерно-кислородной резки толстых стальных листов 203
5.1. Постановка задачи. Выбор обобщённых переменных 203
5.2. Экспериментальный поиск оптимальных параметров резки 216
5.3. Баланс энергии при оптимальных параметрах резки 231
5.4. Результаты оптимизации и соотношения подобия 243
5.5. О механизмах образования неоднородностей поверхности реза 248
Заключение 263
Список литературы
- Проблема качества излучения технологических лазеров
- Характеристики выходного пучка СФР
- Импульсно-периодический лазер с СФР для технологических и научных применений
- Лазерно-кислородная резка
Введение к работе
Актуальность темы
Лазерная резка металлов успешно применяется в различных отраслях промышленности и продолжает развиваться. Лазерный рез образуется при локальном плавлении материала движущимся сфокусированным лучом и выдувании расплава струей вспомогательного газа. Основными направлениями развития лазерной резки являются повышение её эффективности (скорости резки, толщины разрезаемых листов) и достижение высоких показателей качества реза - низкой шероховатости поверхности реза, прямых стенок реза, малой зоны термического влияния. Полная и взаимосвязанная физическая картина образования лазерного реза к настоящему времени не построена [1, 2, 6]. Не разработаны надёжные методы прогнозирования результатов резки, оптимального выбора исходных параметров (мощности излучения, скорости резки) при различной толщине разрезаемых листов. Связано это, прежде всего, с многообразием и сложным взаимодействием протекающих при лазерной резке физических процессов. Главными из них являются: распространение и поглощение излучения в канале реза, распространение тепла в материале и образование расплава, течение газа в канале реза, выделение энергии в результате экзотермической реакции и образование окислов металла при использовании кислорода в качестве вспомогательного газа, движение пленки расплава под действием потока газа.
Наиболее распространенна лазерно-кислородная резка - резка низкоуглеродистой или низколегированной стали с кислородом в качестве вспомогательного газа. Шероховатость поверхности реза (характерная высота неоднородно-стей) наиболее часто принимается на практике как индикатор качества реза. Одна из существенных особенностей лазерной резки толстых листов (толщиной более 10 мм) состоит в том, что форма поверхности реза и скорость резки в значительной степени определяются процессами удаления расплава из канала реза. Физика таких процессов сложна и ещё не понята окончательно [ 1 ]. Теоретические методы описания формирования поверхности реза с учётом всех значимых факторов недостаточно развиты и не могут быть надёжной основой для практической оптимизации. На практике выбор оптимальных параметров резки производится эмпирически.
Таким образом, актуальной задачей является экспериментальный поиск закономерностей получения качественного реза толстых стальных листов, определение предельных возможностей лазерной резки. Соответствующие экспериментальные исследования должны иметь комплексный характер, проводиться по единой методике, в широком диапазоне параметров и на одном лазерном технологическом оборудовании.
Принципиально важным для выявления физических закономерностей лазерной резки является высокое качество (способностью фокусироваться в компактное пятно малых размеров) лазерного излучения и его стабильность в широком диапазоне мощности. Самым распространённым типом лазера для резки является в настоящее время СОг-лазер. Проблема заключается в том, что для двухзеркального устойчивого лазерного резонатора (а такие резонаторы применялись и продолжают применяться в большинстве промышленных технологи-
ческих СОг-лазеров), требования высокой мощности и высокого качества пучка являются противоречивыми. Для генерации излучения с высоким качеством и расходимостью излучения, близкой к дифракционному пределу, число Френеля N резонатора не должно превышать величины, приблизительно равной единице, N = cr/AL, здесь а и L, соответственно, радиус апертуры зеркал и длина резонатора, X - длина волны излучения [3]. При заданной длине резонатора это условие ограничивает объём активной среды, следовательно, и мощность излучения. В настоящей работе исследуется возможность создания мощного технологического СОг-лазера с высоким качеством излучения на основе самофильтрующего неустойчивого резонатора (СФР) [4].
Повышение мощности технологических лазеров при сохранении высокого качества пучка стало основным направлением их совершенствования с начала практического использования. Более мощный лазер с высоким качеством пучка позволяет повысить максимальную толщину разрезаемых листов и скорость резки. Таким образом, разработка методов генерации пучков с высоким качеством в мощных технологических СОг-лазерах, активная среда которых характеризуется большим числом Френеля, имеет самостоятельную актуальность.
Цели работы
Поиск закономерностей получения качественного реза и соотношений подобия для лазерно-кислородной резки стали при больших толщинах разрезаемых листов.
Разработка научных основ создания оптического резонатора для технологического СОг-лазера с высоким качеством излучения в широком диапазоне мощности.
При выполнении работы решались следующие задачи.
Поиск оптимальной конфигурации неустойчивого резонатора. Численное и экспериментальное обоснование возможности эффективного использования СФР в мощном непрерывном СОг-лазере, определение оптимальной области рабочих параметров СФР.
Разработка научных основ проектирования и конструктивных схем СФР для технологических СОг-лазеров с поперечным потоком. Создание лазеров с СФР и исследование их характеристик.
Исследование возможности качественной резки металлических материалов при помощи СОг-лазера с СФР без пространственной фильтрации излучения.
Экспериментальное исследование зависимости шероховатости поверхности от параметров процесса при лазерно-кислородной резке листов низкоуглеродистой стали в широком диапазоне толщин (5...25 мм).
5. Поиск эмпирических закономерностей лазерно-кислородной резки
стали и условий получения минимальной шероховатости реза в виде соотноше
ний между обобщёнными безразмерными переменными.
6. Практическая реализация полученных в работе результатов при создании лазерных технологических комплексов для резки.
Научная новизна
Разработаны научные основы оптимизации процесса лазерной резки листов низкоуглеродистой стали толщиной 5...50 мм при использовании СОг-лазера.
На основе детального экспериментального исследования установлено, что при лазерно-кислородной резке толстых (5...25 мм) листов низкоуглеродистой стали имеется минимум зависимости шероховатости поверхности реза от параметров резки. В пространстве обобщенных безразмерных переменных минимум достигается при числе Пекле, равном 0,5... 0,6.
Найдены энергетические условия образования качественного реза и соотношения подобия для лазерно-кислородной резки низкоуглеродистой стали при больших толщинах листов. Установлено, что существуют оптимальные значения лазерной энергии, вкладываемой в единицу объёма удаляемого материала, и мощности излучения, приходящейся на единицу толщины листа, при которых шероховатость поверхности реза минимальна.
Предложен и обоснован критерий определения максимальной толщины листа, при которой ещё может быть получено высокое качество реза при лазерно-кислородной резке стали. Предложены простые практические соотношения для расчёта оптимальных параметров резки по критерию минимума шероховатости.
Экспериментально реализована качественная резка низкоуглеродистой стали в сверхзвуковой струе кислорода с поддержкой лазерным излучением с применением СОг-лазера с СФР. Для пластин толщиной от 20 до 50 мм определены оптимальные параметры резки.
Предложен и обоснован метод повышения яркости выходного пучка технологического СОг-лазера, основанный на использовании самофильтрующего оптического резонатора. Впервые СФР применен в технологическом СОг-лазере.
7. Впервые создан технологический СОг-лазер с качеством пучка на
уровне основной гауссовой моды устойчивого резонатора при мощности излу
чения 8 кВт, число Френеля резонатора равно 6,4. Разработаны научные осно
вы проектирования СОг-лазеров с СФР.
8. Экспериментально обоснована возможность использования СОг-лазера
с оптическим резонатором из полностью отражающих зеркал для высококаче
ственной резки металлов без пространственной фильтрации излучения.
На защиту выносятся
1. Результаты экспериментальных и численных исследований СФР в условиях непрерывного электроразрядного СОг-лазера, включая условия эффективного применения СФР и характеристики лазеров с СФР.
Создание технологических СОг-лазеров с СФР. Разработанные рекомендации по инженерному проектированию и схемы СФР для технологических СОг-лазеров с поперечным потоком.
Результаты экспериментальных исследований резки листовых металлических материалов с использованием СОг-лазеров с СФР. Найденные характеристики резов при резке с нейтральным газом, лазерно-кислороднои резке и кислородной резке, поддерживаемой лазерным излучением.
Результаты исследования закономерностей получения качественного реза при лазерно-кислороднои резке толстых листов низкоуглеродистой стали. Найденные экспериментально соотношения подобия и законы масштабирования.
Применение лазеров с СФР и результатов исследования закономерностей получения качественных резов при создании лазерных технологических комплексов и оптимизации технологических процессов.
Практическая ценность работы
Результаты диссертационной работы использованы при создании в ИТПМ СО РАН автоматизированных лазерных технологических комплексов для резки листовых материалов.
Результаты позволяют создавать мощные СОг-лазеры с высоким качеством излучения на основе простых по конструкции резонаторов из полностью отражающих зеркал. В ИТПМ СО РАН созданы технологические лазеры с СФР мощностью от 1,5 кВт до 8 кВт. Найденные в работе законы получения качественного реза и результаты оптимизации лазерно-кислороднои резки стальных листов применяются при разработке промышленных технологий резки.
Лазерный технологический комплекс на основе лазера мощностью 1,5 кВт для резки электротехнической стали установлен в НПО «ЭЛСИБ» в 2001 году. В 2002 году в ОАО «Новосибирский завод химконцентратов» установлен комплекс мощностью 5 кВт для вырезки деталей из коррозионно-стойких, углеродистых и низколегированных сталей, диэлектриков, композиционных материалов. Комплекс на основе лазера мощностью до 8 кВт создан для «ОКБ лазерной техники» при СО РАН. На комплексе ведутся исследования и разработки по лазерной технологии, в частности, произведена резка титановых пластин толщиной 30 мм. На предприятии «Элсиб-Лазер» СОг-лазеры мощностью 5 кВт с СФР входят в состав двух комплексов, использующихся для резки широкого круга металлических и неметаллических материалов. На основе лазеров с СФР мощностью 6 кВт в ИТПМ СО РАН создан лазерно-технологический участок.
Результаты применены также при создании импульсно-периодического СОг-лазера с модуляцией добротности резонатора. Лазер используется для создания оптического разряда в сверхзвуковом потоке газа в экспериментах по радиационной газодинамике и в технологических разработках.
Апробация работы
Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих Международных и Всероссийских научных конференциях: 27th International Congress on Applications of Lasers and Electro-Optics ICALEO, Temecula, CA, USA, 2008; 28th International Congress on Applications of Lasers and Electro-Optics ICALEO, Orlando, FL, USA, 2009; 29th International Congress on Applications of Lasers and Electro-Optics ICALEO, Anaheim, CA, USA, 2010; XIII International Symposium on Gas Flow and Chemical Lasers & High Power Lasers GCL/HPL, Florence, Italy, 2000; XV International Symposium on Gas Flow and Chemical Lasers & High Power Lasers GCL/HPL, Prague, Czech republic, 2004; XVI International Symposium on Gas Flow and Chemical Lasers & High Power Lasers GCL/HPL, Gmunden, Austria, 2006; XVII International Symposium on Gas Flow and Chemical Lasers & High Power Lasers GCL/HPL, Lisbon, Portugal, 2008; International Conference on Lasers, Applications, and Technologies LAT, St. Petersburg, 2005; International Conference on Lasers, Applications, and Technologies LAT, Kazan, 2010; V International Conference "Laser Technologies and Lasers" LTL, Smolyan, Bulgaria, 2006; VI International Conference "Laser Technologies and Lasers" LTL, Smolyan, Bulgaria, 2009; VII Международная конференция «Лазерные и лазерно-информационные технологии: фундаментальные проблемы и приложения», Владимир-Суздаль, 2001); III Всесоюзная конференция "Применение лазеров в народном хозяйстве", Шатура, 1989; Russia National Conference: Industrial Lasers and Laser Material Processing, Shatura, 1993; International Conference on the Methods of Aerophysical Research ICMAR, Novosibirsk, 2007; International Conference on the Methods of Aerophysical Research ICMAR, Novosibirsk, 2008; 5 Международная конференции "Лазерные технологии и средства их реализации", С.-Петербург, 2005; III Всероссийская конференция "Взаимодействие высококонцентрированных потоков энергии с материалами в перспективных технологиях и медицине", Новосибирск, 2009; XI Internationsl Conference "Laser Optics: High Power Gas Lasers", St. Petersburg, 2003.
Публикации
Перечень основных публикаций по теме диссертации дан в конце автореферата. Из них 17 (номера 1-17) опубликованы в рецензируемых научных журналах и изданиях, входящих в Перечень ВАК для опубликования результатов кандидатских и докторских диссертаций от 27.09.2010. По результатам работы получено три патента РФ.
Достоверность результатов
Достоверность результатов работы обоснована: - сочетанием расчётных и экспериментальных методов исследования, сравнением результатов измерений с результатами численных расчётов;
использованием надёжных, апробированных методов измерений, дублированием измерений с применением различных методик;
непротиворечивостью полученных результатов и их согласием с результатами других авторов в сопоставимых частных случаях;
- успешным использованием в практике лазерной резки технических решений и рекомендаций, разработанных на основе полученных в работе научных результатов.
Личный вклад автора
Личный вклад автора в получение представленных в работе результатов является определяющим. Автором предложен реализованный в работе метод повышения качества излучения технологического лазера. Принципиальные технические решения и конструктивные схемы СФР для СОг-лазеров с поперечным потоком разработаны автором или под его научным руководством. Все экспериментальные результаты получены автором лично или при его непосредственном участии и под его руководством. Результаты численных исследований получены автором лично, под его руководством или по его заданию. Автором проводился анализ и обобщение результатов расчётов и экспериментов, делались выводы на всех этапах работы. Включение в диссертацию результатов, полученных в совместных работах, обсуждено и согласовано с соавторами. Автор принимал активное участие в создании и промышленном освоении лазерных технологических комплексов для резки листовых материалов.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав с выводами по главам, заключения, списка литературы и 2 приложений. Объем работы составляет 306 страниц, в том числе 144 рисунка и 18 таблиц. Список литературы включает 261 наименование.
Проблема качества излучения технологических лазеров
Качество лазерного пучка есть мера его способности концентрировать лазерную энергию внутри малого угла в дальней зоне, то есть, на таком расстоянии от выходной апертуры лазера, когда сформировалось угловое распределение интенсивности излучения, и форма распределения не меняется с удалением от выходной апертуры [3, 111]. Дальняя зона формируется также в перетяжке пучка при его безаберрационной фокусировке линзой или зеркалом [3]. Качество пучка наряду с мощностью излучения определяет яркость пучка и интенсивность излучения в перетяжке сфокусированного пучка или на отдалённой мишени.
При безаберрационной фокусировке коллимированного пучка диаметром D линзой с фокусным расстоянием F, когда D/F = vj/ « я/2, \/ -угол фокусировки, распределение интенсивности в фокальной плоскости линзы совпадает по форме с распределением в дальней зоне, а поперечный размер (диаметр) пятна равен 0F [10], 0 — угол расходимости пучка. Под расходимостью здесь понимается энергетическая расходимость, которая определяется как плоский угол, соответствующий телесному углу, внутри которого распространяется заданная (близкая к единице) доля полной энергии или мощности пучка в дальней зоне [3, 10].
Диаметр пучка также определяется по заданной доле мощности пучка внутри круга диаметром D. Пусть I - усреднённая по диаметру фокального пятна плотность мощности, W -мощность излучения, тогда 4W 4W2 TE02F2 0D)2 К } Поскольку при заданном распределении поля в пучке диаметр пучка в ближней зоне и расходимость в дальней зоне связаны обратной зависимостью [3], диаметр фокального пятна зависит от произведения 0D. Требования к форме распределения интенсивности в фокальном пятне могут различаться для разных технологий, но общим для большинства технологий лазерной обработки является требование «компактности» распределения. Это означает, что большая часть энергии должна приходиться на центральную область с высокой интенсивностью, а содержание энергии в периферийной части пучка, в «хвостах» распределения, должно быть небольшим. При этих условиях уровень мощности, по которому измеряются диаметр пучка и расходимость следует выбирать таким, чтобы поперечный размер (линейный или угловой) пучка приблизительно соответствовал размеру интенсивной центральной области. По аналоги с гауссовым пучком удобно измерять 0 и D по уровню мощности 0,86 = 1 - 1/е", что соответствует содержанию энергии внутри круга, на границе которого величина электрического поля в гауссовом пучке падает в е раз по сравнению с осевым значением [10].
Для количественной характеристики качества пучка используют несколько параметров [10, 11].
1. Величина 0D [мм мрад], которую называют ВРР, Beam Parameter Product [10, 181]. Иногда ВРР определяют не как произведение диаметра и полного угла расходимости, а как произведение радиуса пучка в ближней зоне на угловой радиус в дальней зоне.
2. Безразмерный параметр распространения, или параметр качества пучка К = 4A/7T.0D, где 4Х/тс - произведение диметра гауссова пучка в перетяжке на расходимость в дальней зоне, "к — длина волны излучения. То есть, параметр К равен отношению ВРР гауссова пучка к ВРР измеряемого пучка. Для реальных лазерных пучков К 1.
3. Величина М2, параметр распространения, показывающая, во сколько раз расходимость измеряемого пучка превышает расходимость гауссова пучка, диаметр которого в перетяжке равен диаметру измеряемого пучка.
Параметры К, М2 лучше подходит для сравнения лазерных пучков с одинаковой длиной волны. Для сравнения пучков с разной длиной волны используют параметр ВРР, поскольку диаметр фокального пятна определяется величиной 0D = 4ХМ2/п. Используя К, можно переписать (1.2) следующим образом: т 71W/V/K\2 7Ш2Т здесь J = WK IX - яркость пучка, которая определяется как мощность, излучаемая с единицы площади выходной апертуры лазера в единичный телесный угол в дальней зоне.
Европейский стандарт ISO [11] даёт процедуру измерения М и предписывает определять диаметр Da пучка через момент G(Z) второго порядка распределения интенсивности: 2(z)=/J;;;(rf \йт о-4а) JJ I(r,z)rdrd(p Da{z) = 2V2o-(z). (1.4b) Такой способ определения диаметра пучка позволяет описать распространение некоторых типов лазерных пучков (Эрмит-Гауссовы, Лагео-Гауссовы, супергауссовы [10, 12]), но он применим не ко всем лазерным пучкам. Например, действие стандарта [11] не распространяется на пучки, претерпевшие дифракцию на остром крае [10, 11], как это происходит в лазерах с неустойчивым резонатором, составленным из полностью отражающих зеркал. В таких пучках распределение интенсивности в дальней зоне при удалении от оси пучка спадает медленнее, чем 1/г2, и выражение (1.4а) становится неопределённым [10, 11]. Следует отметить ещё одно важное с точки зрения обработки материалов обстоятельство, касающееся вычисления размера пучков через вторые моменты. Доля мощности, заключённая внутри определённого таким образом диаметра пучка, зависит от формы распределения интенсивности. Для гауссова пучка диаметр, определённый методом моментов, совпадает с энергетическим диаметром, определённым по уменьшению поля в е раз, и в соответствующем круге также содержится 0,86 мощности. Но в случае, например, распределения с центральным пятном, в котором заключена основная доля мощности, и слабыми широкими «крыльями», диаметр пучка по (1.4) может значительно превышать диаметр центрального пятна, а содержание мощности быть больше 0,86. Пучки с таким распределением в дальней зоне характерны, опять же, для лазеров с неустойчивыми резонаторами. В этом случае оценки плотности мощности в фокальном пятне, основанные на методе моментов, могут привести к неверным выводам, на это указывалось в [13]. В [13] в качестве примера рассчитан параметр М для Эрмит-Гауссовой моды 12 порядка. Центральный лепесток распределения содержит 4 % всей мощности. После фазовой коррекции центральный лепесток приблизительно при том же поперечном размере содержит 70 % мощности. При этом рассчитанная величина М рана 25 как до, так и после фазовой коррекции
Характеристики выходного пучка СФР
Для расчета пространственного распределения поля излучения в оптическом резонаторе и распространения лазерных пучков применима скалярная теория дифракции [3, 111]. Распространение когерентного пучка излучения между двумя опорными плоскостями 1 и 2 описывается дифракционным интегралом Френеля-Кирхгофа, связывающего комплексные амплитуды полей Uj(ri) и и2(г2). Дифракционный интеграл для случая пустого пространства и осевой симметрии может быть записан в виде[10, 107]: Щ(Г2) = 27CQXf kL L,(r,)exp[MA2 +Drl)l ЯД] J0{krxr2l B)rxdr, (2.5) ілВ і Здесь гь г2 - поперечные координаты, соответственно, в плоскостях 1 и 2, ai - радиус источника в плоскости 1, А, В, D - элементы лучевой матрицы промежутка 1—2, Jo- функция Бесселя первого рода нулевого порядка. На основе дифракционного интеграла может быть записано уравнение для расчета собственных функций (модовых конфигураций) u(r) и собственных значений У резонатора [10, 107]: gi, g2 - параметры конфигурации, N - число Френеля. Собственные функции есть распределения комплексной амплитуды поля на зеркале, \у\ = R - величина обратной связи резонатора (А = 1 —І? дифракционные потери). Интенсивность излучения рассчитывается как квадрат вещественной части амплитуды. Для определения собственных функций и собственных значений резонатора применялись два метода. Первый - известный итерационный метод Фокса и Ли [3, 108]. Второй - метод [109], при котором интегральное уравнение сводится к системе алгебраических линейных уравнений: м yul = KVUJ i=l,2...M (2.7) Собственные числа и собственные функции резонатора рассчитываются как собственные числа и собственные векторы матрицы коэффициентов системы. Программа расчета методом Фокса и Ли написана автором. При написании программа расчета по методу [109] за основу была взята программа для двухзеркального резонатора, написанная СИ. Трашкеевым. Доработка выполнена А.Л. Смирновым под руководством автора. Автор благодарит СИ. Трашкеева за предоставление программы, консультации и А.Л. Смирнова за участие в расчетах.
Неустойчивые резонаторы с одинаковыми М и N3KB являются эквивалентными - они имеют одинаковые потери и модовые конфигурации
[3]. В СФР роль N3KB играет параметр N0 =а I Af2 5 значение которого 0,61 задано. Поэтому, единственным параметром, определяющим свойства СФР с неограниченными зеркалами, является увеличение М. Рассчитывались распределения интенсивности излучения в ближней зоне при различных значениях М. Рассчитанное при М = 4,5 распределение интенсивности в плоскости выводного зеркала Мз в пучке, падающем со стороны зеркала Mi, показано на рис. 2.2. Центральная часть пучка проходит через отверстие связи в зеркале М3 и распространяется в направлении зеркала М2, она показана пунктиром, показанная сплошной линией часть распределения образует выходной пучок. Интенсивность имеет нулевое значение на расстоянии 1,5Маотоси.
Распределение интенсивности излучения в поперечном сечении пучка при М = 4,5 на выводном зеркале (а) и на расстоянии, эквивалентном числу Френеля N = 10 от выходного зеркала (б).
Расчёт параметра качества пучка в зависимости от увеличения резонатора проводился в диапазоне значений М = 2,5...5,5, в ближней зоне пучок ограничивался радиусом 1,5 Ма. Рассчитанные зависимости К(М) и R (M) показаны нарис. 2.3.
Здесь же показана зависимость от М величины обратной связи R" и отношения V модовых объёмов в СФР и УР для gi = 0,73 и g2 = 1. Параметры gj = 0,73, g2 = 1 соответствует резонатору С02-лазера с поперечным потоком фирмы Spectra Physics 820 [18, 106]. Видно, что при gi = 0,73 практически значимый выигрыш в модовом объёме СФР по сравнению с УР имеет место при М (2, 5...3).
Резкая зависимость К(М) вблизи М = 3 объясняется следующим. При значении М, равном приблизительно 3, расходимость по уровню 0,86 соответствует угловому размеру первого дифракционного минимума в дольней зоне. С ростом М происходит перераспределение мощности пучка в центральное пятно. Малая величина интенсивности в минимуме и вблизи него приводят к тому, что даже при небольшом перераспределении мощности заданной доле полной мощности соответствует существенно меньший угол расходимости и, соответственно, более высокое качество излучения. Далее с ростом М зависимость становится более слабой. Исходя из требования высокого качества пучка, можно выбрать нижнее граничное значение М = 4, для которого К 0,9. При этом увеличении модовый объём СФР почти в 2,5 раза превышает объём ТЕМоо моды УР при такой же длине резонатора. При М = 4,5 отношение модовых объёмов СФР и УР равно 3.
Импульсно-периодический лазер с СФР для технологических и научных применений
В СФР при заданной длине резонатора единственным свободным параметром является геометрическое увеличение М. Поэтому оказываются взаимосвязанными модовый объем, величина обратной связи и качество выходного пучка. Ни один из этих параметров нельзя изменить, не меняя при этом двух других. Этим СФР отличается как от устойчивого резонатора, так и от неустойчивого резонатора. В устойчивом резонаторе при изменении апертуры резонатора и числа Френеля может изменяться модовый состав (и качество пучка), вместе с этим изменяется и объём моды. Прозрачность же выходного зеркала может быть при этом изменена независимо. В неустойчивом резонаторе связаны обратной зависимостью величина обратной связи и качество пучка. Апертура резонатора (и модовый объём) может выбираться независимо. Указанная особенность СФР усложняет оценку эффективности его применения в конкретном лазере и процесс проектирования. Поэтому, вопрос выбора исходных параметров и последовательности шагов при проектировании требует специального рассмотрения.
Свободными параметрами СФР являются увеличение М и длина резонатора L (или длина одного из плеч fi или ґг). Увеличение М связано условием (2.14) с длиной активной среды 1. Активная среда занимает часть длины большого плеча. Пусть fj = Ы, тогда область рабочих параметров СФР может быть изображена в координатах М, 1. Определяется она следующими условиями. 1. М 4 - условие высокого качества излучения. 2. М (2)1/2ехр(г1ог0/) - условие высокой эффективности преобразования энергии. 3. D Dmax - условие, ограничивающее поперечный размер зеркал в плече с активной средой. Величина Dmax может ограничиваться, например, межэлектродным расстоянием. Поскольку D = 2аМа, это условие выглядит следующим образом: Ml D2max/4-0,61 a2Xh . (2.16) 4- 1 lmax - условие, ограничивающее длину активной среды (или длину резонатора). Это условие может быть связано, например, с требованиями компактности лазера или с ограничениями количества промежуточных зеркал. Максимальная длина также может быть ограничена условием 3. Мощность излучения лазера с СФР при заданной плотности накачки и КПД определяется достижимым при условиях 1-4 модовым объёмом. Модовый объём V СФР выражается следующим образом (здесь в качестве поперечного размера пучка в большем плече резонатора принят апертурный размер D): F = (тг / 4) 2/ = 0,617га2hMM2 (2.17). На рисунках 2.10 и 2.11 в координатах М, 1 показаны зависимости, соответствующие условиям 1-4 при 50 соответственно 0,01 м"1 и 0,03 м" и значениях параметров: h = 1,2; а = 1,5; а0 = 0,6; 0,8; 1,0 м"1; Dmax = 40, 60 мм; lmax = 8 м. Здесь же показаны зависимости М(1), соответствующие V = 5, 18 л. На правой вертикальной оси отложено число Френеля, определённое как
N = D2 /4Л1 = 0,6\а2кМ. Графики на рисунках 2.10, 2.11 или им подобные, построенные для других значений параметров, дают совокупность значений М, 1, и соответствующие значения N, при которых может быть получен заданный модовый объём V при КПД резонатора X 0э9Хтах. Выбором рабочей точки на на кривой (2.17) задаются все основные конструктивные параметры СФР. Как видно из рис. 2.10, 2.11, высокое качество излучения и эффективный энергосъём могут быть обеспечены при 4 M 6. Согласно соотношению (2.4), этому соответствует отношение модового объёма СФР к объёму ТЕМ0о моды устойчивого резонатора 2,6...5,6 при параметрах конфигурации УР gi = 0,73, g2 = 1.
Основываясь на результатах численной оптимизации СФР (раздел 2.2) и оценках энергетической эффективности, можно предложить следующие рекомендации по инженерному проектированию многопроходных схем СФР для проточных С02-лазеров.
Определение основных конструктивных параметров СФР, при которых обеспечивается генерация излучения с высоким качеством при высокой энергетической эффективности, рекомендуется проводить на основе выбора рабочей точки в координатах М, 1, здесь М - увеличение резонатора, 1 - длина активной среды. Для этого удобно использовать диаграммы, подобные тем, которые приведены на рис. 2.10 и 2.11.
Исходными данными при проектировании резонатора являются: - величина активного модового объёма V, необходимая для генерации требуемой мощности; - ненасыщенный коэффициент усиления осо; - ненасыщенный коэффициент потерь 80; - апертура резонатора Dmax; - отношение h длины большого плеча к длине активной среды; - отношение а апертура резонатора Dmax к радиусу 2Ма пятна на зеркале резонатора в геометрическом приближении; - Imax - максимальная длина активной среды; Рекомендуется выбирать величину а равной 1,4 — 1,5, если требуется максимально высокое качество излучения. Максимальная величина параметра качества К достигается при а = 1,5. Не следует выбирать а 1,5, так как при этом уменьшается качество пучка и заполнение активной среды полем излучения.
Лазерно-кислородная резка
С использованием изложенных в главе результатов численного исследования СФР и рекомендаций по инженерному проектированию разработаны конструкции СФР для созданных в ИМТПМ СО РАН лазеров ЛОК, Сибирь. Устройство лазеров на примере лазера ЛОК-3 описано в разделе 1.4. Активная среда лазеров возбуждается тлеющим разрядом в одном или двух разрядных промежутках в общем газовом потоке. Анализ с использованием показанных на рис. 2.10 и 2.11 диаграмм, представляющих оптимальную область рабочих параметров СФР, показал, что в многопроходном варианте (в резонаторе используются дополнительные поворотные плоские зеркала, и луч совершает несколько проходов по активной среде) эффективная работа СФР возможна в лазерах как с одним, так и с двумя разрядными промежутками. Конструкции СФР были разработаны и испытаны в лазерах с одним и двумя разрядными промежутками.
Особенностью СФР является наличие С использованием изложенных в главе результатов численного исследования СФР и рекомендаций по инженерному проектированию разработаны конструкции СФР для созданных в ИМТПМ СО РАН лазеров ЛОК, Сибирь. Устройство лазеров на примере лазера ЛОК-3 описано в разделе 1.4. Активная среда лазеров возбуждается тлеющим разрядом в одном или двух разрядных промежутках в общем газовом потоке. Анализ с использованием показанных на рис. 2.10 и 2.11 диаграмм, представляющих оптимальную область рабочих параметров СФР, показал, что в многопроходном варианте (в резонаторе используются дополнительные поворотные плоские зеркала, и луч совершает несколько проходов по активной среде) эффективная работа СФР возможна в лазерах как с одним, так и с двумя разрядными промежутками. Конструкции СФР были разработаны и испытаны в лазерах с одним и двумя разрядными промежуткамиплеча обратной связи, в котором пучок имеет в условиях С02-лазера типа ЛОК, Сибирь в 5...7 раз меньший диаметр и приблизительно в 10 раз меньшую мощность по сравнению с выходным пучком. Как уже отмечалось, эта особенность может быть как достоинством (возможность расположения в плече обратной связи управляющих элементов), так и недостатком (увеличение габаритов резонатора), если нет необходимости управлять характеристиками излучения. Автором предложено техническое решение, позволяющее повысить компактность схемы при многопроходной конструкции СФР. Отличие от базовой схемы состоит в том, что пучок, падающий на выводное зеркало со стороны активной среды, проходит через фильтрующую диафрагму дважды -в прямом и в обратном направлении. Для этого, как показано на рис. 3.2, в плечо обратной связи введено дополнительное плоское зеркало 3, установленное с обратной стороны от выводного зеркала 4. Если апертурный размер зеркала 3 превышает размер отверстия в выводном зеркале, а расстояние между отражающими поверхностями зеркал 3 и 4 мало по сравнению с длиной плеча обратной связи, работа пространственного фильтра СФР не нарушается.
В тоже время, выбором положения зеркала 2 можно организовать проход пучка в плече обратной связи по активной среде. Это даёт возможность создать компактную конструкцию с габаритами, как у многопроходного устойчивого или неустойчивого телескопического резонатора. На данное решение получен патент РФ [68]. На основе этого решения в 1989 г. был создан резонатор для одноразрядного технологического С02-лазера в НФ «Ниихиммаш», лазер использовался при разработке технологий сварки и резки. Компактная схема СФР использовалась также в экспериментальных образцах лазеров при исследовании характеристик СФР [63]. 103 Схема резонатора для лазеров с двумя разрядными промежутками «Сибирь» показана на рис. ни рис. 3.3. В большем плече резонатора луч совершает по 3 прохода в каждом разрядном промежутке по Z - образной схеме. Увеличение резонатора равно 4,5, длина резонатора (расстояние между крайними сферическими зеркалами - 11,2 м). выводное зеркало.
Диаметр отверстия связи в выводном зеркале равен 7,3 мм, диаметр апертуры зеркал в большом плече резонатора - 49 мм и равен расчетному значению центрального пятна распределения интенсивности. В плече обратной связи установлен двугранный уголковый отражатель, который выполняет двойную функцию. Во-первых, он обращает направление луча в плече обратной связи, что повышает компактность конструкции. Во-вторых, при наклонном падении на зеркала уголкового отражателя создаётся анизотропия коэффициента отражения, что необходимо для задания плоской поляризации излучения. Кольцевое зеркало является вогнутым и образует со стоящим за ним по ходу луча выпуклым зеркалом (на рисунке не показано) телескоп, уменьшающий диаметр луча в 1,3 раза. На рис. 3.5 показана фотография резонатора.
Скамья резонатора представляет собой две стальные плиты, стянутые тремя стержнями из сплава 32НКД с температурным коэффициентом линейного расширения 10"6 С"1. Плиты и стержни имеют медные охлаждаемые водой кожуха-экраны. Контур охлаждения резонатора -замкнутый, температура воды в контуре стабилизирована. На плитах скамьи расположены медные охлаждаемые водой зеркала. Концевые сферические зеркала расположены на качалках с электромеханическим приводом. Выходное окно, через которое луч выходит из разрядной камеры, сделано из просветленного селенида цинка, окно установлено в охлаждаемой водой оправе.
Похожие диссертации на Резка толстых стальных листов излучением СО2-лазера
