Введение к работе
Актуальность темы. Развитие и совершенствование лазерной техники привело как к формированию новых научных направлений,так и к широкому практическому применению лазеров. Среди таких применений выделяется и интенсивно развивается лазерная технология, где лазер выступает как инструмент активного воздействия на вещество,материал,а мощность излучения определяет производительность процесса.
Газоразрядные СС^-лазеры в последнее десятилетие
получили широкое распространение как источники излучения в новом классе технологического оборудования. Автоматизированные лазерные технологические комплексы используются для различных процессов термической и селективной технологий. В селективной технологии это химические реакции, инициируемые лазером, лазерное разделение изотопов элементов. В термической технологии-резка, сварка материалов, пробивка отверстий, гравировка и т. д.
Для повышения производительности, для обработки материалов большой толщины требуются лазеры с высокой мощностью излучения. Увеличение выходной мопщости- одно из важнейших направлений развития технологических лазеров сегодня. Создание технологических лазеров большой мощности является целью японской национальной программы, программы сотрудничества западно-европейских стран "Эврика", такая цель ставилась и в комплексной программе научно-технического прогресса стран-членов СЭВ.
Несмотря на то, что сообщения о создании единичных экспериментальных лазеров мощностью десятки киловатт появлялись в печати давно, создание таких лазеров для технологических целей не стало проблемой чисто технической. Большие резервы их технического совершенствования непосредственно связаны с углубленным пониманием происходящих в этих лазерах физических процессов. Создание все более крупных лазерных установок на принципах линейного масштабирования (пропорциональное мощности увеличение размеров лазера) или аддитивного масштабирования (создание многомодульных
конструкций) либо невозможно, либо практически нерационально.
Действительно, в этом случае степень ненадежности
многоэлементных систем не только не может уменьшиться, но, по крайней мере пропорционально растет, потери мощности в таких элементах как активные балластные сопротивления становятся практически недопустимыми, резко снижая привлекательность такого оборудования для потребителей.
Необходимы новые подходы, позволяющие анализировать физические аспекты поведения крупных, многоэлементньгх систем с позиций их коллективной работы, взаимного влияния отдельных элементов, совокупного эффекта их совместного действия. Понимание сущности работы таких систем несомненно приведет и к появлению новых эффективных технических решений по созданию мощных установок, где такие коллективные процессы являются определяющими.
Большой интерес представляют так называемые ТЕА-лазеры импульсного и импульсно-периодического действия, когда временная функция отдельного импульса накачки близка к б-образной. Отличительной особенностью таких лазеров является большое превышение пиковой мощности излучения над средним значением, что определяет особый класс технологических задач, оптимальных для таких лазеров. Характерной чертой физических процессов в таких лазерах, существенно влияющих на их работу, являются резонансные явления, связанные с импульсно-периодическим выделением энергии. Такие процессы оказывают влияние на ограничение частоты следования импульсов, обязательно должны учитываться в лазерах с самопрокачкой газа, они могут являться препятствием для осуществления импульсно-периодической накачки при секционированных вдоль по потоку электродах, их надо принимать во внимание при создании ТЕА-лазеров с узкой линией генерации.
В широком контексте физических основ технологического использования лазеров, непрерывное излучение занимает скромное место. Импульсно-периодические режимы генерации имеют гораздо больше независимо изменяемых параметров излучения, существенно влияющих на технологический процесс. С одной стороны это приводит к расширению технологических возможностей, с другой-
приходится решать сложную проблему оптимального выбора параметров и их стабилизации в рабочей точке. Без физических исследований и осмысления проблемы многоимпульсного воздействия оптимальное решение технологических задач невозможно. Коллективный характер многоимпульсного воздействия, приводящий, в зависимости от условий процесса, к качественно различным результатам, проявляется при самых различных видах технологической обработки материалов, например, таких, как получение глубоких каналов с большим отношением длины к диаметру, гравировка или циклическая термообработка с помощью излучения импульсно-периодического лазера. В диссертационной работе проведено теоретическое и экспериментальное изучение некоторых таких процессов и явлений.
Цель работы^. Перед данной работой были поставлены следующие основные задачи:
1. Исследование устойчивости секционированных разрядов в
мощных лазерах. Выработка на основе этих исследований
физических рекомендаций по повышению эффективности систем
накачки таких лазеров.
2. Исследование резонансных явлений в газовых трактах
лазеров с импульсно-периодическим вкладом энергии, их влияния на
работу лазеров.
3. Изучение физических аспектов технологического
воздействия непрерывного и импульсно-периодического лазерного
излучения на вещество.
Научная новизна.
-
Предложена теоретическая модель тлеющего разряда в потоке газа, адекватно описывающая основные характеристики разряда: распределение электронной концентрации вдоль по потоку газа, зависимость напряженности электрического поля от скорости потока.
-
На основе принципа минимума диссипации энергии разработан теоретический метод анализа сравнительной эффективности многосекционированных электродных систем.
-
Экспериментально установлен и теоретически описан резонансный характер возбуждения акустических колебаний в
газовых трактах импульсно-периодических СС^-лазеров, выявлены
закономерности такого возбуждения при ударно-периодическом вкладе энергии.
4. Построена сублимационная модель лазерной резки, описывающая основные закономерности лазерной резки материалов при интенсивном наддуве нереагирующим газом.
Практическая ценность работы.
1. Созданы экспериментальный и опытный образцы
импульсно-периодического С02-лазера для термической технологии в
одно- и двухлучевом вариантах со средней мощностью излучения до
2 кВт,энергией импульса до 4 Дж,частотой следования импульсов до
1400 Гц, с длительностью импульсов до 50 мкс.
2. Практически реализована система накачки постоянного
тока с эффективным распределением тока по большому числу
разрядов при малом числе секций электродов, с высоким внутренним
сопротивлением источника питания инверторного типа, не
содержащая активных балластников. На ее основе создан
непрерывный С02-лазер, с мощностью излучения до 6 кВт.
3. Разработан теоретический метод определения
сравнительной эффективности многосекционированных электродных
систем.
4. На основе сублимационной модели лазерной резки
выявлены условия энергетически оптимального режима резки.
К защите представляются следующие положения:
1. Теоретическая модель положительного столба тлеющего
разряда в потоке газа, учитывающая объемную ионизацию,
амбиполярную диффузию и конвективный вынос заряженных
частиц адекватно описывает основные характеристики разряда:
распределение электронной концентрации вдоль по потоку газа,
зависимость напряженности электрического поля от скорости
потока. Модель развита для разрядов, секционированных по потоку
газа, с учетом их взаимодействия и применима для
электроположительных газов.
2. Теоретический анализ сравнительной эффективности
сложных многосекционированных электродных систем может проводиться на основе принципа минимума диссипации энергии. Он позволяет учитывать различные способы секционирования электродов, электрических соединений секций, физические факторы влияния одних разрядов на другие. Выявлена возможность эффективного распределения тока по большому числу разрядов при малом числе секций электродов.
3. В газовых трактах импульсно-периодических лазеров
происходит возбуждение акустических колебаний, носящее
резонансный характер. Самопрокачка газа при импульсно-
периодическом вкладе энергии носит выраженный резонансный
характер, связанный с возбуждением собственных частот
акустического резонатора.
4. При пробивке отверстий излучением импульсно-
периодического лазера на формообразование канала определяющее
влияние оказывает резонансное возбуждение акустических волн в
канале переменной длины при объемном поглощении излучения в
продуктах разложения.
5. Основные закономерности лазерной резки материалов при
интенсивном наддуве нереагирующим газом удовлетворительно
описываются в рамках разработанной сублимационной модели.
Апробация работы. Результаты, представленные в диссертации, докладывались на международных конференциях: CLEO (CUIA),IEEE/OSA Conf. on Laser Engineering and Application (США),Int. Conf. on Phenomena in Ionized Gases (Голландия), Int. Conf. on Laser Material Processing (Китай), Laser and Their Applications (Болгария), на всесоюзных, российских и межотраслевых конференциях и семинарах.
Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 64 научных работах, в их числе 25 статей, 11 препринтов, 11 тезисов докладов, 2 отчета о НИР, 15 авторских свидетельств.
Личный вклад автора. Все вошедшие в диссертацию оригинальные результаты получены либо самим автором, либо при его непосредственном участии.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, и заключения. Каждая глава начинается кратким обзором литературы по
