Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Способы возбуждения активной среды в технологических СОг-лазерах 18
Глава 2. Физические основы метода импульсной емкостной предыонизации для технологических лазеров «Лантан» 50
Глава 3. Технологические лазеры с несамостоятельным тлеющим разрядом с импульсной емкостной предыонизацией серии «Лантан» 139
Результаты и выводы 190
Заключение 220
Список литературы 223
- Способы возбуждения активной среды в технологических СОг-лазерах
- Физические основы метода импульсной емкостной предыонизации для технологических лазеров «Лантан»
- Технологические лазеры с несамостоятельным тлеющим разрядом с импульсной емкостной предыонизацией серии «Лантан»
Введение к работе
Лазеры на С02 занимают ведущие позиции в обработке материалов. Высокий КПД, относительная дешевизна, большие выходные мощности в сочетании с высоким качеством лазерного излучения, пренебрежимо малое поглощение излучения в атмосфере, надежность, отработанность технологий - вот основные причины такого лидерства. Несмотря на серьезный прогресс в области твердотельных технологических лазеров, связанный с переходом от ламповой накачки активных элементов к полупроводниковой светодиодной, повысившей надежность и КПД, лазеры на С02 остаются на первых ролях в металлообработке (резка, сварка, поверхностная обработка), резке диэлектрических материалов, таких, как пластики, древесина, фанера и т.д., обработке прозрачных в видимом диапазоне материалов. Появление сообщений о создании мощных волоконных лазеров [2] также в ближайшей перспективе вряд ли существенно изменит позиций СОг-лазеров [3]. Несмотря на хорошие оптические характеристики излучения на небольших мощностях при переходе к киловаттному диапазону волоконные лазеры нелинейно ухудшают свои показатели по качеству излучения и приближаются к твердотельным лазерам с диодной накачкой при значительно большей стоимости.
В данной главе кратко описаны физические принципы устройства технологических лазеров и методы возбуждения лазерной смеси, используемые в С02-лазерах, рассмотрены их преимущества и недостатки с точки зрения использования в технологических установках, применяемых в промышленности. Обзор литературных источников, приведенных в данной главе, не претендует на полноту в связи с огромным количеством публикаций по этому вопросу [4]. Ссылки следует рассматривать, как ил-
люстрации различных научных подходов к конструкции лазеров и способов возбуждения активной среды.
В диссертации будут исследованы СОг-лазеры с возбуждением активной среды с помощью электрического разряда. Такой способ нашел наиболее широкое применение в технологии в связи с доступностью и широкой распространенностью электрической энергии. Существуют и другие способы создания инверсной населенности. Например, газодинамические лазеры [5] обеспечивают прямое преобразование тепловой энергии в энергию лазерного луча. Разрабатываются также лазеры с ядерной накачкой [6]. Но по различным причинам, связанным, в основном, с трудностями интеграции таких устройств в заводские технологические линии, они пока не находят широкого применения в традиционных технологиях обработки материалов и поэтому останутся за рамками данного обзора.
Рассмотрим более подробно СОг-лазеры с диффузионным и конвективным охлаждением рабочей смеси и остановимся на присущих им достоинствах и недостатках.
1.1. Лазеры с диффузионным охлаждением.
Традиционная схема лазера с диффузионным охлаждением и тлеющим разрядом постоянного тока изображена на рис. 1.1. [7]. Лазер состоит из диэлектрической трубки 2 (кварцевой, керамической или из термостойкого стекла), по концам которой расположены электроды А - анод и К — катод, присоединенные к источнику питания Е, обычно представляющему собой источник напряжения, через балластный резистор R. Балластный резистор необходим для стабилизации тлеющего разряда при падающей вольт-амперной характеристике [9]. Обычно на балластном резисторе рассеивается около 30% мощности источника питания. По концам разрядной трубки расположены зеркала оптического резонатора: глухое сферическое 3 и выходное полупрозрачное 1. Для уменьшения влияния тепловых деформаций разрядной трубки на параметры резонатора зеркала связаны с
Рис. 1.1. Схема лазера с диффузионным охлаждением.
- выходное полупрозрачное зеркало;
- разрядная трубка;
- глухое сферическое зеркало;
А - анод; К - катод; Е - источник питания; R - балластный резистор.
камерой через гибкие сильфоны и крепятся на отдельной раме (на рисунке не показана).
Для более эффективной работы лазера внешняя сторона разрядной трубки обычно охлаждается проточной водой. Лазеры такого типа работают при давлениях 10-30 тор и составах смесей, содержащих кроме С02 также N2 и Не с различными соотношениями парциальных давлений, например, C02:N2:He = 1:1:8, 1:2:3, 1:6:12. Оптимальная величина этих соотношений обычно связана с конструктивными особенностями конкретного лазера.
Добавление в лазерную смесь азота позволяет существенно поднять мощность лазерной генерации, так как энергия первого колебательного уровня молекулы N2 очень близка к энергии верхнего лазерного уровня 001 молекулы С02, что открывает возможность быстрой резонансной передачи колебательной энергии от молекул азота, которые очень хорошо возбуждаются в тлеющем разряде, молекулам С02. Гелий, обладающий высокой теплопроводностью, ускоряет вынос тепла из разряда, способствуя опустошению нижнего лазерного уровня и повышению инверсной заселенности. [8].
Рабочая температура С02-лазеров лежит в диапазоне приблизительно до 200-250 С. При дальнейшем повышении температуры экспоненциально возрастает заселенность нижнего лазерного уровня и инверсная заселенность лазерной смеси исчезает. Критическая температура оценивается как 700-800 К [7]. Недопустимость перегрева лазерной смеси накладывает ограничение на вкладываемую на единицу длины разряда мощность ~ 1000 вт/м, а тем самым и на снимаемую с единицы длины выходную мощность лазерного излучения в 70-100 Вт/м при обычном для такого типа лазеров электроразрядном КПД ~ 8-10%. Неочевидный, на первый взгляд, факт, объяснение которому дается, например, в [9], заключается в
том, что мощность излучения, снимаемая с единицы длины разрядной трубки, не зависит ни от давления смеси, ни от радиуса трубки.
Схема организации разряда в СОг-лазерах, представленная на рис. 1.1, благодаря своей простоте стала классической и до сих пор применяется для промышленных технологических лазеров в диапазоне мощностей 10-100 Вт. Такие лазеры чаще всего заполняются газовой смесью на весь срок службы, составляющий обычно от тысяч до десятков тысяч часов. Так как в процессе работы из-за плазмохимических реакций происходит изменение состава смеси, для повышения срока службы в конструкции лазера предусмотрен резервный объем газа, в несколько раз превышающий объем разрядной трубки. Для уменьшения степени диссоциации СС*2 такие лазеры часто снабжены катализаторами. Одним из наиболее эффективных катализаторов является золотое напыление на внутренние стенки разрядных трубок [10]. Уменьшение степени диссоциации СОг за счет применения золотого катализатора позволяет на 50% увеличить выходную мощность лазеров [11] и, наряду с уменьшением температуры смеси [12], позволяет достичь максимальных значений удельных характеристик [13].
Кроме самостоятельного разряда постоянного тока для накачки трубчатых лазеров используются высокочастотные разряды и разряды переменного тока, но тип используемого разряда не влияет на ограничение энергосъема с единицы длины трубки.
В связи с вышеуказанным ограничением энергосъема дальнейшее увеличение мощности трубчатых лазеров с диффузионным охлаждением шло двумя путями: последовательным или параллельным соединением разрядных трубок.
Использование на практике для технологических целей разрядных трубок длиной более нескольких метров затруднительно из-за необходимости обеспечения жесткости резонатора и возрастания габаритных раз-
меров лазера. Поэтому, в случае последовательного соединения трубок, лазер обычно набирается из секций длиной около 1-2 метров, соединенных последовательно с помощью поворотных зеркал, как показано на рис. 1.2 а), б). На рис. 1.2 а) изображен так называемый Z-образный резонатор, в котором падающий и отраженный лучи образуют небольшой угол с нормалью к поверхности зеркала. В резонаторе, изображенном на рис. 1.2 б) луч падает и отражается под углом 45 к поворотным зеркалам. В этом случае лазерное излучение на выходе из резонатора обычно линейно поляризовано из-за разницы в коэффициентах отражения поворотных зеркал для лучей с перпендикулярной и продольной поляризациями. При лазерной обработке материалов линейно поляризованное излучение может привести к различному качеству резки в зависимости от направления перемещения луча по образцу относительно его поляризации [14]. Особенно это относится к процессам бескислородной резки металлов [15]. В этом случае на пути луча следует установить фазосдвигающее устройство для превращения линейной поляризации в круговую.
Несколько по-другому проблема поляризации решена в некоторых моделях лазеров фирмы «Synrad»: излучение двух независимых лазеров со взаимно перпендикулярной линейной поляризацией смешивается с помощью пластинки, установленной под углом Брюстера, давая на выходе симметричный высококачественный луч.
В резонаторах, выполненных по схеме, изображенной на рис. 1.2 а) луч обычно имеет хаотическую поляризацию.
Еще одно препятствие, лежащее на пути повышения выходной мощности лазеров с диффузионным охлаждением, так называемая тепловая линза. Из-за плохой теплопроводности разреженного газа температура на оси разрядной трубки максимальна и постепенно снижается к стенкам [9]. Поэтому плотность газа на оси минимальна и постепенно повышается к стенкам. Такой неравномерно нагретый газ образует протяженную рас-
3^
б)
Рис. 1.2. Способы последовательного соединения разрядных промежутков.
- выходное полупрозрачное зеркало;
- глухое сферическое зеркало;
- поворотные зеркала;
- разрядные трубки.
сеивающую линзу, которая и называется тепловой линзой. Если пренебречь ее влиянием, то на выходе лазера с большой суммарной длиной разрядного промежутка в худшем случае можно вообще не получить никакого излучения, или получить низкий КПД и плохое качество луча.
Для компенсации тепловой линзы в случае последовательного соединения разрядных трубок используют сферические зеркала с большим радиусом кривизны, слегка подфокусирующие лазерный луч при переходе от секции к секции. Так как параметры тепловой линзы меняются в зависимости от вклада энергии в лазерную среду, а зеркала остаются неизменными, возможно изменение формы и даже модового состава излучения при изменении мощности, вкладываемой в разряд.
Наряду с классической схемой резонатора, образованного выходным полупрозрачным, глухим и поворотными зеркалами, возможна работа лазера в так называемом волноводном режиме [7], когда в качестве элементов резонатора также выступают и стенки разрядных трубок. Лазерное излучение между зеркалами распространяется внутри трубок, отражаясь от стенок, как по волноводу. Волноводный режим реализуется
при условии dm /(2ЯЬт) < 1, где dm - диаметр разрядной трубки, Lm — эф
фективная длина разрядной трубки с учетом тепловой линзы, Л - длина
волны излучения лазера. Но при этом предельная расходимость лазерного
излучения ~ зависит только от диаметра трубки и обычно больше,
чем в классическом резонаторе. Так как разрядная трубка работает в качестве элемента резонатора, волноводный режим налагает высокие требования на качество внутренней поверхности трубок и на их прямолинейность.
Еще один способ добиться высокого качества излучения большой мощности - использование схемы генератор-усилитель. Реализовать маломощный лазер с хорошими выходными характеристиками сравнительно легко. Затем, подав его излучение на вход лазерного усилителя, можно
ожидать на выходе усиленное излучение тех же параметров. В работе [16] показано, что форма и качество лазерного излучения после усиления могут существенно ухудшаться, и необходим поиск компромисса между качеством и выходной мощностью излучения.
Последовательное соединение разрядных промежутков позволяет достичь максимальных мощностей лазерного излучения около 10 кВт с относительно хорошим качеством излучения. Большинство промышленных технологических лазеров, работающих по таким схемам, имеет выходную мощность в диапазоне 0,1 — 1 кВт. Например, в [17] приведены параметры и принципы устройства волноводного лазера ТЛ-1000 с диффузионным охлаждением мощностью 1 кВт, диаметром выходного пучка 7 мм при расходимости 1,8 мрад.
Наряду с последовательным применяется и параллельное соединение разрядных трубок. Рассмотрим возможности таких систем. Схема лазера, выполненного по этой схеме, изображена на рис. 1.3. Он состоит из параллельного пучка отдельных разрядных трубок 2 (от нескольких до десятков). Резонатор образован зеркалами 1 и 3. Вообще говоря, зеркала резонатора могут быть для каждой трубки отдельными. При этом уменьшается стоимость зеркал (большие зеркала - дорогие зеркала), но усложняется юстировка и конструкция резонатора. Обычно разрядные трубки размещены в потоке охлаждающей жидкости. На каждую трубку по-прежнему действует ограничение по съему мощности излучения с единицы длины, но суммарная мощность пакета трубок на единицу длины возрастает в десятки раз [18]. В работе [19] приведены характеристики многолучевого лазера мощностью 1 кВт, возбуждаемого емкостным разрядом переменного тока. Созданию многолучевого лазера мощностью 3 кВт с разрядом постоянного тока посвящается работа [20]. Таким образом, используя пакеты параллельных трубок с различными способами возбуждения удается создать сравнительно компактные и надежные лазеры с диф-
-E
Рис. 1.3. Схема многоканального лазера с параллельным соединением разрядных трубок.
1 - глухое зеркало; 2 - разрядные трубки; 3 - выходное полупрозрачное зеркало
фузионным охлаждением выходной мощностью 3-10 кВт. Но их существенными недостатками являются большая апертура излучения и его невысокое качество. Как показано в [7], увеличение количества трубок приводит к пропорциональному увеличению мощности лазера при сохранении плотности мощности в фокальном пятне.
Увеличение плотности мощности возможно при сложении амплитуд когерентных пучков. Для этого все трубки лазера должны выдавать синхронизованное излучение. Задача синхронизации генерации в отдельных трубках решается путем связи излучения отдельных трубок с использованием различных оптических методов. Эксперименты по синхронизации излучения лазера на уровне 7 кВт описаны в [21]. Синхронизации наборов волноводных лазеров посвящена работа [22]. В работе [17] отмечается, что наиболее перспективной с точки зрения практического использования является схема «генератор - многоканальный усилитель». Следует отметить, что большинство работ по синхронизации излучения проводились на промышленных технологических лазерах и имели явную практическую направленность. Но, несмотря на значительные достигнутые мощности и синхронизацию пучков, большая апертура выходного излучения ограничивает использование такого типа лазеров в основном процессами термоупрочнения и поверхностного легирования.
Еще один способ повышения выходной мощности лазеров с диффузионным охлаждением - использование щелевой геометрии (по аналогии с твердотельными лазерами часто используется термин slab laser). Разрядная камера лазера представляет собой плоский канал между двумя водо-охлаждаемыми стенками. Высота канала обычно лежит в диапазоне 2-10 мм, ширина 50-200 мм, длина около метра. Небольшая высота канала обеспечивает хороший отвод тепла, а увеличение ширины позволяет получить большую выходную мощность лазера. Так в работе [23] приведены данные, что при отношении ширины камеры к высоте =18 выходная
мощность достигает 720 ватт на метр. Исследовался так называемый разряд Мэйкена (разряд постоянного тока, стабилизированный магнитным полем), достигнута мощность лазерной генерации 3 кВт. Вопросы создания щелевых лазеров с ВЧ накачкой подробно описаны в [24]. Большое внимание уделено подбору частоты ВЧ генератора, проблемам согласования с нагрузкой. Приводятся различные варианты конструкций щелевых лазеров: с коаксиальной геометрией, многоканальные щелевые системы с электродами фигурной формы и т.д. В этой же работе подробно описан разряд Мэйкена. Вопросам масштабирования и возникающих ограничений для щелевых лазеров с ВЧ разрядом посвящена работа [25].
Общей проблемой для щелевых лазеров является разработка оптического резонатора. В одном направлении излучение формируется как в резонаторе с волноводным режимом, отражаясь от близкорасположенных водоохлаждаемых стенок камеры. Положение осложняет цилиндрическая тепловая линза. Высокие требования предъявляются к качеству обработки и жесткости внутренних поверхностей камеры, участвующих в лазерной генерации. В перпендикулярном же направлении лазерный луч не касается стенок и выполняются условия генерации в обычном резонаторе. Таким образом расходимость и размеры лазерного луча существенно различаются по двум взаимно перпендикулярным направлениям. Для преодоления этих различий и получения осесимметричного излучения используются сложные схемы оптической компенсации, выполненные на базе зеркал специальной формы. Но даже мировые лидеры в лазерном оборудовании предлагают использовать такие лазеры для процессов сварки из-за недостаточно высокого качества лазерного излучения. Так щелевой лазер мощностью 4,5 кВт фирмы Rofm-Sinar предназначается для скоростной сварки в автомобильной промышленности, в том числе алюминиевых сплавов [26].
В работе [27] приведено описание щелевого ВЧ лазера с цилиндрической геометрией, работающего в диапазоне 27 МГц. Разрядная камера образована двумя коаксиальными трубчатыми электродами диаметром около 155 мм. Ширина разрядной камеры 6 мм, общая длина лазера 1 м. Сообщается о высокой жесткости конструкции лазера, достигнута мощность излучения до 2 КВт. По словам авторов резонатор лазера работает в обычном не волноводном режиме.
Еще одна проблема щелевых лазеров высокой мощности - обеспечение лучевой стойкости выходного зеркала оптического резонатора. При малой высоте разрядной камеры (2-3 мм) плотность мощности на выходе настолько велика, что выходные зеркала приходится изготавливать из искусственных алмазов и охлаждать осушенным и обеспыленным потоком азота.
1.2. Лазеры с конвективным охлаждением.
Радикальный способ повышения энергосъема с единицы объема — использование быстрого потока газа через камеру - был предложен в 1966 году [28]. Следует различать использование быстрого и медленного потока в газовых лазерах. Медленный поток служит для частичного обмена газовой смеси, деградирующей из-за плазмохимических реакций, происходящих в разряде, и газовыделения элементов конструкции. При этом стабилизируется химический состав смеси и, как следствие, выходная мощность излучения, но способ охлаждения смеси, по-прежнему, остается диффузионным. При быстрой прокачке решается задача выноса тепла из разрядного объема. В отличие от диффузионного охлаждения газа, обусловленного тепловым потоком на стенки, быстрая прокачка позволяет вынести нагретый газ за пределы камеры и снять с него тепло вне рабочей зоны, обычно в теплообменнике газ-жидкость. Далее охлажденный газ снова подается в разрядную камеру, образуя так называемый замкнутый цикл. Использование замкнутого газового цикла обусловлено экономиче-
скими соображениями. В [9] приводится оценка количества газа, необхо-
% димого для работы лазера с выходной мощностью 10 кВт, составляющая
около 1 т газовой смеси в час. Для технологического лазера это абсолютно неприемлемо.
Эффективность использования быстрого потока для охлаждения рабочей смеси достаточно высока. В том же источнике приводятся данные, что для трубки длиной 30 см радиусом 3 см и при скорости потока 100 м/с вынос тепла потоком на порядок превышает диффузионный.
Температура газа на выходе трубки прямо пропорциональна длине трубки и обратно пропорциональна скорости потока газа. Технически относительно простыми средствами достижим диапазон скоростей газа 50 -300 м/с. Дальнейшее повышение скорости ограничено скоростью звука, при достижении которой технические трудности обеспечения прокачки смеси существенно возрастают. Требуется больший перепад давления на трубке, что ведет к усложнению и удорожанию средств прокачки. Для увеличения энерговклада можно увеличивать давление смеси, но его оптимальное значение, обеспечивающее наилучшую генерацию лазерного излучения и устойчивость разряда, лежит обычно в пределах 100 торр.
На трубчатых лазерах с быстрой аксиальной прокачкой достигнуты мощности выходного излучения, достигающие десятков киловатт. Так, в работе [29] приводится описание лазера с самостоятельным тлеющим разрядом с выходной мощностью 20 кВт. Разрядная камера состоит из шести разрядных трубок диаметром 134 мм и длиной 1 м. Газ в трубках движется со скоростью 200 м/с и приводится в движение двумя турбинами с рас-ходом 8,4 м /с при давлении 25 торр.
Метод быстрой аксиальной прокачки нашел широкое применение в
*
промышленно выпускаемых лазерах [18] мощностью от 1 до 5 кВт. При этом чаще всего используются два основных типа разряда: самостоятель-
ный тлеющий разряд постоянного тока и поперечный высокочастотный (ВЧ).
Электроды самостоятельного тлеющего разряда располагаются на"' концах трубки. Следует отметить, что самостоятельный тлеющий разряд имеет довольно значительную радиальную неоднородность плотности тока, что приводит к ухудшению генерации основной гауссовой моды [30]. Для получения однородного по объему самостоятельного разряда постоянного тока обычно используется искусственно создаваемая турбулентность. Для этого перед разрядной трубкой устанавливаются турбулизато-ры в виде узкой щели или сопла. При этом на турбулизаторах возникает значительный перепад давления. Это приводит к необходимости использования громоздкого и дорогостоящего насоса Рутса для прокачки газовой смеси с приемлемой скоростью. Насос Рутса представляет собой вырожденный шестеренчатый насос, обеспечивающий геометрически постоянный расход при перепаде давления в 2 и более раза.
При использовании ВЧ разряда роль стабилизирующего разряд фактора выполняет распределенный реактивный балласт, образованный ВЧ электродом и объемом камеры, разделенными диэлектрической стенкой трубки. Поэтому турбулизация не требуется, и становится возможным использование в качестве средства прокачки высокооборотной турбины, дающей больший расход, но с меньшим перепадом давления (тгк), лежащем в диапазоне 1,2 - 1,6. В работе [31] приведено устройство лазера с ВЧ накачкой мощностью 5 кВт. Благодаря специальной форме ВЧ электродов авторам удалось получить однородный разряд во всем объеме трубки и достичь высокого качества лазерного излучения.
Наряду с ВЧ разрядом мегагерцевого диапазона возможно использование менее высокочастотного источника накачки. В [32] приведено описание лазера с быстрой аксиальной прокачкой мощностью 920 Вт, возбуждаемого разрядом переменного тока с частотой 100 КГц. Для обес-
печения вклада энергии в качестве материала разрядной трубки была использована керамика с Є = 90. С целью получения однородного разряда толщина керамики варьировалась. Относительно низкая частота позволяет использовать малогабаритные полупроводниковые генераторы с высоким КПД, тогда как в традиционных лазерах с ВЧ накачкой диапазона 13-60 Мгц применяются ламповые ВЧ генераторы.
Таким образом, использование в лазерах быстрой аксиальной прокачки для получения высокой мощности выходного излучения связано с использованием сложных и дорогостоящих средств прокачки. Чтобы прогонять газ через трубку со скоростью 150-250 м/с необходимы средства прокачки с высоким перепадом давления тгк. При использовании самостоятельного разряда положение еще более усугубляется тем, что необходимо создавать высокую степень турбулентности для предотвращения контрагирования разряда. Необходимая турбулентность создается при прохождении газа через узкую щель или специальный турбулизатор на входе в разрядную трубку, на которых неизбежно возникает значительный перепад давления. Поэтому для лазеров с самостоятельным разрядом необходимо использование насоса Рутса или многоступенчатой высокооборотной турбины для получения необходимой скорости потока.
Из-за теплового расширения газа в разряде скорость потока на входе в трубку ограничена обычно 200-250 м/с, в противном случае при допустимом нагреве в разряде примерно на 250-300 градусов на выходе из трубки газ достигнет скорости звука, что существенно затруднит прокачку смеси.
Этих недостатков лишены камеры лазеров с так называемом поперечным потоком газа, где газ движется перпендикулярно оптической оси резонатора, как показано на рис. 1.4. Путь газа в разрядной камере достаточно короткий, при этом площадь поперечного сечения камеры сравнительно велика, что позволяет достичь высоких скоростей в камере при не-
Л
Схема камеры лазера с быстрой аксиальной прокачкой. Зеркала резонатора располагаются со стороны входа и выхода газа.
Схема камеры лазера с быстрой поперечной прокачкой. Зеркала резонатора располагаются на торцевых стенках камеры.
Рис. 1.4. Схемы организации потока газа в быстропроточных лазерах.
больших перепадах давления. Очевидно, что один и тот же массовый расход газа в камерах с большим поперечным сечением достигается при существенно меньших скоростях потока, чем в трубках. Обычно скорость газа в камерах лазеров с поперечной прокачкой не превышает 100 м/с. Для достижения таких скоростей достаточно простых и дешевых средств прокачки, например, обычных осевых или центробежных вентиляторов, перепад давления пк которых составляет не более 1,1.
Для вклада энергии в лазерах с быстрой поперечной прокачкой используются различные типы тлеющих разрядов. Остановимся более подробно на их особенностях, возникающих при использовании в камерах большого объема.
При организации разряда в камерах с большим поперечным сечением и объемом в несколько десятков литров остро встает вопрос получения разряда, однородного по всему объему камеры. При достижении некоторых значений энерговклада разряд переходит из диффузной формы в кон-трагированную, локализуется в один или несколько шнуров, генерация излучения при этом пропадает. Следует отметить, что происходит это при температурах газа, существенно меньших пороговых, когда прекращается лазерная генерация. Таким образом, проблема получения однородного разряда при больших энерговкладах связана еще и с достижением высоких удельных характеристик лазерных установок.
Традиционный самостоятельный тлеющий разряд постоянного тока в различных модификациях широко используется в лазерах с быстрой по-церечной прокачкой. Как у нас в стране, так и за рубежом существует большое количество технологических лазеров с разрядами такого типа.
К числу старейших моделей, использующих самостоятельный разряд, следует отнести ряд лазеров Spectra-Physics Model 971, 973, 975 с выходной мощностью 1,2 кВт, 2,5 кВт и 5 кВт соответственно, созданных на базе [33]. Технологические возможности этих лазеров и экономическое
обоснование их применения изложены в работе [34]. Усовершенствованные модификации этих лазеров до сих пор присутствуют на рынке, правда, под другой торговой маркой [35]. Возбуждение активной среды в них осуществляется поперечным к потоку газа тлеющим разрядом, создаваемым между трубчатым катодом, расположенным вверх по потоку у верхней стенки разрядной камеры, и секционированным анодом, расположенным на нижней стенке камеры. Каждая секция анода соединена с источником питания через балластный резистор для равномерного распределения тока в камере.
Асимметричное расположение электродов в разрядном промежутке такого разряда приводит к пространственной неоднородности, что негативно сказывается на характеристиках лазерного излучения. В работе [36] для борьбы с этим явлением авторы использовали две одинаковые симметрично расположенные разрядные камеры, объединенные общим резонатором, что позволило увеличить выходную мощность и улучшить качество лазерного излучения.
Для получения больших мощностей и увеличения разрядного объема приходится использовать секционирование электродов как вдоль, так и поперек потока газа. Так, в лазере ТЛ-5М используется 17 рядов катодов по 17 штук в каждом ряду и анод в виде водоохлаждаемой плоской пластины. В этом лазере при размерах разрядной камеры 100 х 70 х 6 см удалось получить мощность излучения до 6 кВт [18].
Более мощный лазер, использующий подобную электродную систему, описан в [37]. Его выходная мощность 10 кВт, полный КПД около 8%, объемный энерговклад 2,5 Вт/см . Следует отметить, что лазер может работать на недорогой безгелиевой смеси. По сравнению с предыдущей работой [38] в лазере был увеличен межэлектродный зазор и совмещены разрядная и резонаторная зоны. Параметры, достигнутые авторами в этих работах за счет оптимизации смеси, оптического резонатора, электродной
системы, показывают возможности самостоятельного разряда в потоке газа как средства накачки мощных СОг-лазеров.
Большое количество электродов в лазерах с самостоятельным тлеющим разрядом существенно усложняет конструкцию разрядных камер и уменьшает их надежность. В работах [39, 40] предложен разряд с трубчатым катодом и сплошным металлическим анодом в виде плоской пластины большой площади. Пространственная однородность разряда достигается точным соблюдением геометрических параметров электродов и их предварительной тренировкой в разряде. Дальнейшее развитие эта разрядная схема получила в [41]. Авторы использовали сдвоенную камеру, объединенную общим оптическим резонатором. Удалось получить мощность излучения 3 кВт с высоким качеством. В настоящее время лазеры такого типа работают в составе технологических комплексов для лазерной резки листовых материалов.
Для улучшения пространственной однородности разряда и увеличения энерговклада применяются и другие методы, например, подбор размера и материала электродов [42], внесение в газовый поток турбулизи-рующих элементов, решеток [43, 44, 45, 46, 47]. В [48] на экспериментальной установке со сверхзвуковым потоком автору удалось получить мощность непрерывной генерации на уровне 22 кВт. Применение подобного метода в технологических лазерах затруднительно из-за технических сложностей получения потока газа с околозвуковыми скоростями.
Из приведенных выше примеров можно сделать вывод, что самостоятельный тлеющий поперечный разряд благодаря своей относительной простоте и хорошей изученности получил широкое распространение в технологических лазерах. Но этому типу разряда присущ и ряд существенных недостатков. К ним относится необходимость секционирования и раздельного балластирования электродов, неоднородность разряда по высоте камеры, неустойчивость работы лазера в диапазоне малых мощно-
стей, плохая управляемость разряда, а значит, и выходной мощности излучения, работа лазеров при сравнительно низких давлениях в разрядной камере.
Было показано, что использование в качестве источника накачки ВЧ разряда и разряда переменного тока позволяет избавиться от балластных резисторов и упростить электродную систему. Разрядные камеры таких лазеров представляют собой прямоугольный канал, ограниченный сверху и снизу металлическими плоскими электродами, покрытыми диэлектрическим материалом (рис. 1.5). Диэлектрическая стенка между металлическим электродом и объемом камеры играет роль распределенного реактивного балласта, позволяющего получить однородный тлеющий разряд.
Перспективы использования поперечного ВЧ разряда обсуждаются в работе [49]. Там приводятся физические характеристики разряда в зависимости от скорости потока, параметров диэлектрика и т.д., описаны преимущества перед самостоятельным разрядом и разрядом переменного тока, отмечается хорошая оптическая однородность разряда, высокая плотность мощности выходного излучения, высокий электроразрядный КПД. К числу недостатков такого типа разряда следует отнести значительные габаритные размеры мощных ламповых ВЧ генераторов и их сравнительно низкий КПД, снижающий общий КПД лазера. Как и в трубчатых лазерах с аксиальной прокачкой, возбуждаемых ВЧ разрядом, высокие требования предъявляются к качеству материала диэлектрика, нанесенного на электрод со стороны разрядной камеры. Кроме высокой механической прочности и термостойкости диэлектрик должен обладать малыми диэлектрическими потерями на высокой частоте, так как через него проходит вся мощность, вкладываемая в разряд.
Использование разряда переменного тока в диапазоне 10-100 кГц позволяет применять полупроводниковые генераторы, обладающие меньшими габаритами и более высоким КПД по сравнению с ВЧ генера-
Рис. 1.5. Схема устройства камеры лазера с накачкой среды ВЧ разрядом или разрядом переменного тока частотой 10-100 кГц.
1 - диэлектрик; 2 - металлический электрод.
торами. Значительное количество работ, посвященное использованию такого разряда, свидетельствует о большом практическом интересе к разряду переменного тока как средству накачки активной среды газовых лазеров. В работе [50] приводится описание лазера с накачкой переменным током с частотой 100 кГц. В лазере на замкнутом цикле получена мощность генерации 2,5 кВт в непрерывном и 3,8 кВт в импульсном одномо-довых (ТЕМоо) режимах в разрядной камере размерами 1500 х 30 х 45 мм при скорости потока 80 м/с. Каждый из двух электродов представляет собой водоохлаждаемую металлическую трубку прямоугольного сечения, покрытую боросиликатным стеклом толщиной 0,8 мм.
Исследованию физических процессов в камерах лазеров с поперечным разрядом переменного тока частотой 10 кГц посвящен цикл экспериментальных работ российских исследователей [51-54]. Так, например, в [51] приведен анализ неустойчивостей, возникающих в разрядах такого типа, а в работе [52] исследуются процессы формирования приэлектрод-ных областей разряда, их временная эволюция, и проведено сравнение экспериментальных данных с расчетными для молекулярного азота. Результаты исследования вольт-амперных характеристик разряда переменного тока, напряжения пробоя и паузы тока в зависимости от давления, амплитудной плотности тока и частоты приведены в работе [53]. Создание модельной камеры мощного технологического лазера с поперечным разрядом переменного тока [54] и изучение свойств тлеющего разряда позволили сделать выводы о перспективности использования такого типа разряда для построения лазера мощностью около 20 кВт.
К недостаткам разряда переменного тока, как и в случае ВЧ накачки, относится сложность подбора материала диэлектрического покрытия электродов. При использования низких частот положение усугубляется еще и тем, что покрытие должно иметь малую толщину, высокую диэлектрическую проницаемость и значительную электрическую и механиче-
.-»оссчис:сля
о^У.і.'.і.Гі-ТГ'.ЕЯНЛЯ
, \
скую прочность. Эти требования существенно сужают класс подходящих для этих целей диэлектрических материалов.
Известны эксперименты по объединению различных типов разрядов в одной разрядной камере. Комбинация продольного постоянного поля с поперечным ВЧ разрядом сравнимой мощности позволила авторам работы [55] повысить энерговклад в 3 раза по сравнению с разрядом постоянного тока и достичь мощности лазерного излучения 27,2 кВт в разрядной камере размерами 244 х 6,3 х 53 см. Но в этой экспериментальной работе не удалось избавиться как от недостатков разряда постоянного тока (балластирование и секционирование электродов) так и ВЧ разряда (большие габариты генератора).
1.3. Лазеры с несамостоятельным разрядом.
Использование так называемого несамостоятельного разряда, в котором функции рождения электронов и вклада энергии в разряд разделены между двумя источниками, позволило добиться наиболее значительного прогресса в области создания мощных С02-лазеров. Несамостоятельные разряды помогли продвинуться вверх по давлению рабочей смеси до нескольких сотен торр, позволили получить исключительно однородный разряд в объемах, исчисляемых десятками литров, создать лазеры с выходной мощностью излучения величиной в несколько десятков киловатт при высоком полном КПД, а также обеспечили высокое качество излучения и быстрое управление мощностью лазера, необходимые для технологических операций. Изменение параметров внешнего ионизатора позволяет управлять концентрацией электронов и осуществлять энерговклад в разряд при оптимальных значениях напряженности электрического поля [56] для накачки колебательных уровней молекул при различных составах смесей и разных давлениях [57].
Следует отметить, что все рассмотренные в этом параграфе разряды не являются в полном смысле несамостоятельными, так как в приэлек-
тродных областях размножение носителей носит самостоятельный характер, то есть внешняя ионизация не играет в этом процессе существенной роли. В то же время самостоятельный тлеющий разряд в области положительного столба не является самостоятельным [58], так как в нем происходит перенос зарядов, рожденных у электродов, при недостаточной для самостоятельной ионизации напряженности электрического поля. Поэтому предлагается считать, как и в [57], что условие несамостоятельности разряда заключается в том, что ионизация в газовом объеме в основном обусловлена внешним ионизатором, а не собственным размножением электронов в электрическом поле, то есть S « aneve, где S - скорость рождения электронов в единичном объеме газа внешним ионизатором; а -число электрон-ионных пар, рожденных на единичной длине самими электронами плазмы; пе - концентрация электронов; ve - скорость дрейфа электронов.
Актуальность получения стабильного тлеющего разряда в объемах, исчисляемых литрами при давлениях в десятки и сотни торр, связана не только с необходимостью разработки мощных промышленных лазеров на СОг с высоким качеством оптического излучения. Также разряды такого рода используются в химических технологиях, например, при получении связанного азота. Еще одна область их применения - исследования вхождения космических аппаратов в плотные слои атмосферы, где реализуются близкие физические условия. Поэтому использование несамостоятельного разряда, позволяющего получить стабильный однородный тлеющий разряд в больших объемах в широком диапазоне параметров рабочей среды важно для многих областей науки и техники.
В несамостоятельном разряде ионизация газа в объеме поддерживается за счет внешнего ионизатора, мощность которого составляет единицы процентов от суммарной мощности, вкладываемой в разряд. Основные
типы несамостоятельных разрядов, используемых в лазерах, представлены нарис. 1.6.
Рекордные показатели среди несамостоятельных разрядов демонстрирует разряд с ионизацией рабочей среды электронным пучком [59]. Мощность лазеров, построенных на этом принципе, исчисляется десятками киловатт. Например, в [60] описан лазер замкнутого цикла с выходной мощностью 10 кВт. В [61] приведены характеристики экспериментального технологического лазера с мощностью до 18 кВт и объемом разрядной камеры всего 3 л, работающего при давлении 150 торр. Теоретическое рассмотрение физических явлений, происходящих в разрядах с предыони-зацией электронным пучком, приведено в работах [62, 63].
В качестве источника ионизующего излучения в лазерах с ионизацией электронным пучком используется электронная пушка, рис. 1.6 а). Давление в вакуумной полости электронной пушки 1 составляет 10"5 Па, а в камере лазера десятки торр, поэтому они разделены между собой металлической фольгой 2, проницаемой для высокоэнергетичных электронов. Электроны, создаваемые электронной пушкой, проходят через металлическую фольгу, решетчатый катод 3 и ионизуют газ" в объеме разрядной камеры 4. Разряд постоянного тока, осуществляющий вклад энергии в рабочую среду лазера, горит между катодом 3, выполненным в виде водоох-лаждаемой металлической решетки, и плоским металлическим анодом 5.
Несомненными преимуществами ионизации рабочей среды электронным пучком являются высокая однородность разряда в больших объемах, большой диапазон рабочих давлений, выходная мощность лазеров в несколько десятков киловатт. Но такому типу разряда свойственны и существенные недостатки. Разделительная фольга электронной пушки имеет ограниченный и непредсказуемый ресурс, электронный пучок с высокой энергией вызывает быструю деградацию лазерной смеси. Кроме того, электронная пушка требует серьезной биологической защиты персонала
a)
oc:3
4
"~ ^5
Несамостоятельный разряд с предыонизацией электронным пучком. 1- вакуумный объем электронной пушки; 2 - разделительная фольга; 3 - решетчатый катод; 4 - объем разрядной камеры; 5 - водоохлаж-даемый анод.
б)
Несамостоятельный разряд с импульсной электродной предыонизацией. ГИН - генератор импульсного напряжения; С - разделительная емкость; R^ -балластные резисторы; L - разделительная индуктивность; ИППН - источник постоянного напряжения; 1 - катодная плита; 2 - металлический анод.
в)
иппн
Несамостоятельный разряд с импульсной емкостной предыонизацией. ГИН - генератор импульсного напряжения; ИППН - источник постоянного напряжения; 1 - электрод предыонизации; 2 - диэлектрическая пластина; 3 - анод несамостоятельного разряда; 4 - катод несамостоятельного разряда.
'* Рис. 1.6. Основные схемы организации несамостоятельного разряда.
от рентгеновского излучения, например, размещением лазера в комнате со свинцовыми стенами. Поэтому применение разрядов с ионизацией электронным пучком ограничивается в основном экспериментальными установками.
Наряду с электронным пучком существуют и другие способы ионизации активной среды лазеров. В работе [64] в качестве предыонизатора использовался поток дуговой плазмы. В [65] описан лазер на С02, в котором был впервые применен несамостоятельный разряд. Предыонизация осуществлялась пучком быстрых протонов. В [66] исследован СОг-лазер атмосферного давления с несамостоятельным разрядом, контролируемым потоком нейтронов в квазистационарном режиме. В [67] сообщалось о получении генерации в С02-лазере атмосферного давления с несамостоятельным разрядом, контролируемым ультрафиолетовым излучением. Длительность генерации составляла несколько десятков микросекунд. В [68] для предыонизации газового лазера высокого давления использовался ядерный реактор. В работе [69] применялась одновременно ультрафиолетовая предыонизация и предыонизация высоковольтными импульсами. Был осуществлен квазинепрерывный режим работы без прокачки газа. В [70, 71] описан лазер на замкнутом цикле с использованием подобного типа несамостоятельного разряда. Достигнутая выходная мощность составляла около 1 кВт. В [72] приведено описание установки с использованием дополнительного разряда постоянного тока в области катода. Это позволило поднять давление смеси в два раза и увеличить выходную мощность в полтора раза. Но по различным причинам, связанным в основном с трудностями технического характера, эти схемы не нашли широкого применения в технологических лазерах.
Более перспективными для использования в технологических лазерах являются несамостоятельные разряды с импульсной предыонизацией.
Они лишены недостатков несамостоятельного разряда с ионизацией электронным пучком и сравнительно легко реализуются на практике. На рис. 1.6.6) изображена схема разрядной камеры лазера, где предварительная ионизация создается при помощи тех же самых электродов, которые используются для вклада энергии в разрядный объем с помощью несамостоятельного разряда постоянного тока.
Физический принцип импульсной предыонизации состоит в том, что на электроды подается высоковольтный импульс от генератора импульсного напряжения (ГИН), создающий ионизацию газа в камере. Длительность его выбирается такой, чтобы за это время не успели развиться разрядные неустойчивости. Вклад же энергии осуществляется в распадающуюся плазму от источника постоянного напряжения (ИППН) между теми же электродами с напряженностью поля, недостаточной для самостоятельной ионизации газа, но выгодной с точки зрения накачки лазерных уровней. При достаточной по величине частоте следования импульсов предыонизации (обычно несколько килогерц) электроны от предыдущего импульса не успевают погибнуть до прихода следующего, и в камере устанавливается некоторая средняя концентрация электронов, определяющая проводимость среды и тем самым управляющая вкладом мощности от тлеющего разряда постоянного тока. Пространственная однородность разряда предыонизации реализуется за счет секционирования электродов. Цепи импульсного разряда и разряда постоянного тока разделены между собой емкостью С и индуктивностью L.
В ранних работах, посвященных несамостоятельному разряду с импульсной электродной предыонизацией [73], [74], экспериментально исследован разряд в камере размером 2,5 х 2,5 х 30 см при давлении 15-45 торр и скорости газового потока 0,05-0,6 М. Пиковая выходная мощность достигала 1000 Вт в течение времени до 6 мс.
Исследованию импульсной предыонизации в поперечном разряде посвящен цикл экспериментальных работ [75-84]. Почти все эксперименты проводились в камерах с протоком газа, в поперечном разряде между сплошным анодом и секционированным как вдоль, так и поперек потока катодом [75]. В работах изучены кинетика процессов гибели электронов [76, 77], баланс энергии в разряде, влияние нагрева газа [78, 79], КПД преобразования энергии в колебательные степени свободы [80, 81], влияние параметров электронных схем [82]. Кроме того, были проведены исследования возможности применения такого типа разряда в сверхзвуковом потоке газа. При М = 4 достигнут энерговклад 46 Вт/см3 [83].
В работе [84] приведены характеристики мощного С02-лазера с возбуждением среды несамостоятельным разрядом с импульсной электродной предыонизацией. Эксперименты проводились в разрядной камере объемом 20 л с подмешиванием С02 за зоной разряда. Выходная мощность достигала 40 кВт при частоте следования импульсов предыонизации 3 кГц, токе в импульсе 1 кА и длительность импульса 300 не.
В [85] сообщается об исследовании лазера на замкнутом газовом цикле с поперечным разрядом с импульсной электродной предыонизацией. В лазере использован трубчатый катод и секционированный однорядный анод, состоящий из 180 раздельно балластированных секций. Была получена мощность 6,5 кВт при длине разрядной камеры 1,8 м и скорости газового потока 50 м/с, предпринята попытка выявить законы масштабирования для данной конструкции разрядной камеры. Ранее сообщалось об исследовании электрических параметров [86] и временных и пространственных характеристик излучения [87] на лазере мощностью около 1 кВт с аналогичным типом разряда.
Импульсная электродная предыонизация дает возможность существенно повысить однородность разряда, снизить величину балластных резисторов (на них рассеивается 1-2 % мощности, вкладываемой в разряд,
вместо 20-40% в самостоятельном разряде [88]), но не позволяет избавиться от секционирования электродов. Оно необходимо для предотвращения контракции сильноточного разряда предыонизации. Из-за однонаправленности токов несамостоятельного тлеющего разряда и разряда предыонизации возникает ограничение на длительность импульса, так как канал перегретого импульсом газа способствует развитию по нему неустойчивости несамостоятельного тлеющего разряда. Эти недостатки удается обойти, используя импульсную емкостную предыонизацию.
В схеме, разработанной в ИПМех РАН и использованной в экспериментальном лазере «Циклон» [1], импульсно-периодическое напряжение разряда предыонизации прикладывалось к дополнительной паре электродов, изолированных от разрядного объема слоями диэлектрика, как изображено на рис. 1.6 в). Тлеющий разряд постоянного тока, обеспечивающий накачку лазерной смеси, происходил между электродами, расположенными на входе и выходе из разрядной камеры. Он является продольным по отношению к потоку газа. В качестве электродов использовались водоохлаждаемый трубчатый анод, расположенный вниз по потоку, и секционированный катод, состоящий из 32 (в некоторых экспериментах до 98) раздельно балластированных элементов. Высокая однородность несамостоятельного тлеющего разряда с импульсной емкостной предыони-зацией, организованного в разрядной камере объемом 27 литров экспериментального лазера «Циклон», позволила получить высококачественное одномодовое излучение мощностью 10 кВт.
Несамостоятельный тлеющий разряд с импульсной емкостной пре-дыонизацией обладает всеми преимуществами несамостоятельных разрядов: позволяет получить однородный разряд в больших объемах, осуществлять энерговклад в среду при оптимальном значении напряженности электрического поля для возбуждения колебательных степеней свободы
молекул, обеспечивает высокое качество излучения и быстрое управление мощностью лазера.
По сравнению с другими типами несамостоятельных разрядов тлеющий разряд с импульсной емкостной предыонизациеи также обладает несомненными преимуществами. По сравнению с разрядом с предыонизациеи электронным пучком он не сопровождается рентгеновским из-лучением, так как используются относительно низкие напряжения источников питания. Разрядная камера лазера с несамостоятельным тлеющим разрядом с импульсной емкостной предыонизациеи существенно проще и надежнее в эксплуатации.
По сравнению с поперечным разрядом с импульсной электродной предыонизациеи в продольном разряде с импульсной емкостной предыонизациеи в приэлектродных областях рассеивается меньшая мощность по отношению к мощности, рассеивающейся в положительном столбе. Распределенное емкостное реактивное балластирование разряда предыонизации с использованием диэлектрика создает исключительно однородную концентрацию электронов в объеме камеры, что, в свою очередь, обеспечивает высокую однородность несамостоятельного разряда постоянного тока, необходимую для получения качественного выходного излучения. Взаимная перпендикулярность импульсного тока предыонизации и тока разряда постоянного электрического поля, обеспечивающего вклад энергии в рабочую среду, предотвращает развитие перегревно-ионизационной неустойчивости и позволяет получить высокие энерговклады в разряд.
Все эти качества выделяют несамостоятельный тлеющий разряд с импульсной емкостной предыонизациеи среди других и открывают широкие перспективы для его использования в технологических лазерах.
Способы возбуждения активной среды в технологических СОг-лазерах
Лазеры на С02 занимают ведущие позиции в обработке материалов. Высокий КПД, относительная дешевизна, большие выходные мощности в сочетании с высоким качеством лазерного излучения, пренебрежимо малое поглощение излучения в атмосфере, надежность, отработанность технологий - вот основные причины такого лидерства. Несмотря на серьезный прогресс в области твердотельных технологических лазеров, связанный с переходом от ламповой накачки активных элементов к полупроводниковой светодиодной, повысившей надежность и КПД, лазеры на С02 остаются на первых ролях в металлообработке (резка, сварка, поверхностная обработка), резке диэлектрических материалов, таких, как пластики, древесина, фанера и т.д., обработке прозрачных в видимом диапазоне материалов. Появление сообщений о создании мощных волоконных лазеров [2] также в ближайшей перспективе вряд ли существенно изменит позиций СОг-лазеров [3]. Несмотря на хорошие оптические характеристики излучения на небольших мощностях при переходе к киловаттному диапазону волоконные лазеры нелинейно ухудшают свои показатели по качеству излучения и приближаются к твердотельным лазерам с диодной накачкой при значительно большей стоимости.
В данной главе кратко описаны физические принципы устройства технологических лазеров и методы возбуждения лазерной смеси, используемые в С02-лазерах, рассмотрены их преимущества и недостатки с точки зрения использования в технологических установках, применяемых в промышленности. Обзор литературных источников, приведенных в данной главе, не претендует на полноту в связи с огромным количеством публикаций по этому вопросу [4]. Ссылки следует рассматривать, как ил- люстрации различных научных подходов к конструкции лазеров и способов возбуждения активной среды.
В диссертации будут исследованы СОг-лазеры с возбуждением активной среды с помощью электрического разряда. Такой способ нашел наиболее широкое применение в технологии в связи с доступностью и широкой распространенностью электрической энергии. Существуют и другие способы создания инверсной населенности. Например, газодинамические лазеры [5] обеспечивают прямое преобразование тепловой энергии в энергию лазерного луча. Разрабатываются также лазеры с ядерной накачкой [6]. Но по различным причинам, связанным, в основном, с трудностями интеграции таких устройств в заводские технологические линии, они пока не находят широкого применения в традиционных технологиях обработки материалов и поэтому останутся за рамками данного обзора. Рассмотрим более подробно СОг-лазеры с диффузионным и конвективным охлаждением рабочей смеси и остановимся на присущих им достоинствах и недостатках. Традиционная схема лазера с диффузионным охлаждением и тлеющим разрядом постоянного тока изображена на рис. 1.1. [7]. Лазер состоит из диэлектрической трубки 2 (кварцевой, керамической или из термостойкого стекла), по концам которой расположены электроды А - анод и К — катод, присоединенные к источнику питания Е, обычно представляющему собой источник напряжения, через балластный резистор R. Балластный резистор необходим для стабилизации тлеющего разряда при падающей вольт-амперной характеристике [9]. Обычно на балластном резисторе рассеивается около 30% мощности источника питания. Для более эффективной работы лазера внешняя сторона разрядной трубки обычно охлаждается проточной водой. Лазеры такого типа работают при давлениях 10-30 тор и составах смесей, содержащих кроме С02 также N2 и Не с различными соотношениями парциальных давлений, например, C02:N2:He = 1:1:8, 1:2:3, 1:6:12. Оптимальная величина этих соотношений обычно связана с конструктивными особенностями конкретного лазера.
Добавление в лазерную смесь азота позволяет существенно поднять мощность лазерной генерации, так как энергия первого колебательного уровня молекулы N2 очень близка к энергии верхнего лазерного уровня 001 молекулы С02, что открывает возможность быстрой резонансной передачи колебательной энергии от молекул азота, которые очень хорошо возбуждаются в тлеющем разряде, молекулам С02. Гелий, обладающий высокой теплопроводностью, ускоряет вынос тепла из разряда, способствуя опустошению нижнего лазерного уровня и повышению инверсной заселенности. [8].
Рабочая температура С02-лазеров лежит в диапазоне приблизительно до 200-250 С. При дальнейшем повышении температуры экспоненциально возрастает заселенность нижнего лазерного уровня и инверсная заселенность лазерной смеси исчезает. Критическая температура оценивается как 700-800 К [7]. Недопустимость перегрева лазерной смеси накладывает ограничение на вкладываемую на единицу длины разряда мощность 1000 вт/м, а тем самым и на снимаемую с единицы длины выходную мощность лазерного излучения в 70-100 Вт/м при обычном для такого типа лазеров электроразрядном КПД 8-10%.
Физические основы метода импульсной емкостной предыонизации для технологических лазеров «Лантан»
Современная промышленность требует от лазерного оборудования увеличения скорости лазерной обработки, повышения качества резки материалов, уменьшения стоимости оборудования и эксплуатационных расходов, повышения надежности и уменьшения габаритов лазерных комплексов. В данной работе была поставлена задача создания серии технологических лазеров, полностью соответствующих требованиям промышленности. Такие лазеры должны обладать высоким качеством и стабильностью излучения, высокой мощностью излучения, возможностью быстрого изменения выходной мощности по сигналу технологического оборудования, надежностью в эксплуатации, иметь высокий КПД, быть экономичными и ремонтопригодными, обладать малыми габаритами, быть полностью автоматизированными. Обзор методов организации разряда в лазерах, приведенный в предыдущей главе, убедительно показывает, что несомненными преимуществами перед другими типами разрядов обладает несамостоятельный тлеющий разряд с импульсной емкостной предьюнизацией в быстром потоке газа. Действительно, кратко обобщив данные обзора, можно сделать вывод, что быстропроточные лазеры с конвективным охлаждением позволяют сравнительно простыми техническими средствами получить высококачественное излучение мощностью несколько киловатт. Трубчатые лазеры с диффузионным охлаждением такой мощности имеют большую длину разрядной зоны, что снижает стабильность резонатора, требуют компенсации тепловой линзы. Лазеры с параллельным соединением трубок имеют большую апертуру излучения и сложные оптические схемы для синхронизации излучения в пакете трубок. Щелевые лазеры с ВЧ накачкой обладают низким полным КПД, сложным ВЧ источником, имеют проблемы с качеством излучения, вызванные асимметрией резонатора, сложности с выводом излучения высокой интенсивности из разрядной камеры. Среди же лазеров с быстрым протоком газа большие преимущества имеют лазеры с несамостоятельным разрядом с внешней ионизацией, позволяющие осуществлять энерговклад от дешевого и экономичного источника постоянного напряжения, а управление производить с помощью маломощного источника предыонизации. Среди несамостоятельных разрядов лучшими характеристиками с точки зрения однородного возбуждения больших объемов смеси, КПД, безопасности для обслуживающего персонала, надежности, простоты реализации является тлеющий несамостоятельный разряд с импульсной емкостной предыонизацией.
Лазер на замкнутом цикле с быстрым протоком газа «Циклон» [89, 90, 91, 92], на котором впервые проводились исследования тлеющего разряда с импульсной емкостной предыонизацией, создавался, как экспериментальная установка, в которой можно было в широких пределах менять электрические параметры разряда, длину разрядной зоны, скорость газового потока, состав и давление рабочей смеси, и т. д. На этой установке было подробно изучено влияние характеристик потока газа и турбулентности на устойчивость разряда, электронные процессы в плазме при ионизации газа повторяющимися безэлектродными импульсами, кинетика прилипания и отлипания электронов, эффективность возбуждения колебательных уровней [1]. Но многие экспериментальные исследования, имеющие огромное значение при создании технологических лазеров, не были осуществлены из-за технических особенностей лазера «Циклон», либо не вошли в круг задач, поставленных при разработке экспериментальной установки. Так, например, несмотря на высокое качество полученного одномодового луча мощностью 10 кВт, невозможно было провести исследования долговременной стабильности излучения, так как время непрерывной работы лазера ограничивалось 15 минутами до наступления перегрева компрессора. Также не представлялось возможным детально исследовать изменения химического состава смеси при работе лазера из-за попадания в контур паров вакуумного масла при работе авиационного компрессора, прокачивающего лазерную смесь. Вопросы повторяемости, технологичности изготовления, ремонтопригодности, надежности, экономичности, стоящие на первом месте для технологических лазеров, не являлись основными для экспериментальной установки и по этим причинам не были исследованы в полном объеме.
Таким образом, несмотря на огромный экспериментальный и теоретический материал, полученный с помощью установки «Циклон», возникла необходимость провести дополнительные широкие исследования несамостоятельного тлеющего разряда с импульсной емкостной предыониза-цией, имеющие конкретную практическую цель - реализовать все преимущества такого типа разряда в технологических лазерах.
Для осуществления этих исследований был разработан и создан экспериментальный образец технологического лазера «Лантан-1». На нем была проведена основная часть экспериментов для изучения и улучшения метода импульсной емкостной предыонизацией в быстром потоке газа с точки зрения использования в технологических лазерах.
Технологические лазеры с несамостоятельным тлеющим разрядом с импульсной емкостной предыонизацией серии «Лантан»
На основе экспериментальных исследований, приведенных в предыдущей главе, можно сделать вывод о перспективности использования тлеющего разряда с импульсной емкостной предыонизациеи в мощных технологических лазерах на СОг. К неоспоримым преимуществам такого типа разряда относятся следующие: а) быстрая и полная управляемость, б) высокая однородность в больших объемах, в) простота электродной системы, г) отсутствие секционирования и балластирования электродов, д) высокий КПД благодаря возможности оптимизировать значение Е/Р для оптимального возбуждения колебательных степеней свободы молекул, е) высокое качество излучения, обусловленное оптической однородностью разряда, ж) низкая плазмохимическая активность разряда, позволяющая работать с минимальным обменом газовой смеси. На основе тлеющего разряда с импульсной емкостной предыонизациеи в быстром потоке газа была создана серия мощных СОг-лазеров «Лантан» с замкнутым газовым циклом, в которых и были реализованы вышеперечисленные преимущества. Следует отметить, что основная конструкторская документация на все лазеры серии «Лантан» была разработана в КБ Института проблем механики РАН благодаря тесному сотрудничеству конструкторов и сотрудников лаборатории.
Лазер «Лантан-1» представляет собой экспериментальный образец технологического лазера с максимальной выходной мощностью до 3,6 кВт и средней мощностью 1 кВт. На нем были получены основные экспериментальные данные, а также отработаны главные узлы и элементы лазера и проверены многие научно-технические решения. Кроме непрерывного режима излучения с возможностью быстрого управления мощностью на этом лазере реализован импульсно периодический режим работы с длительностью импульса несколько десятков микросекунд, энергией до 3 Дж и частотой следования до нескольких сотен герц. Таким образом, пиковая мощность излучения в импульсе достигает 100 кВт, что открывает для этого лазера ряд новых технологических применений. Лазер «Лантан-2» был разработан как технологический для применения в процессах сварки и резки металлов. Источник питания и система управления на основе релейной схемотехники были разработаны совместно с сотрудниками ВНИИЭСО, г. Ленинград. Лазер выпускался промыш-ленно на заводе «Индуктор» Минэлектротехпрома в г. Новозыбков. Лазер был рассчитан на среднюю мощность 2 кВт. Максимальная достигнутая мощность составляет более 7 кВт. «Лантан-2» также мог работать в импульсно-периодическом режиме с высокой пиковой мощностью. Лазер «Лантан-3» разрабатывался как технологический для применения в лазерных технологических комплексах обработки материалов. На лазере возможно использование двух типов оптических резонаторов: резонатора для получения близкого к одномодовому излучения для режимов резки металлов, и многомодового резонатора для процессов сварки, поверхностного легирования и термоупрочнения. Лазер выполнен в виде моноблочной конструкции и полностью автоматизирован на основе микропроцессорного устройства управления. Номинальная мощность излучения в многомодовом режиме состав ляет 3 кВт, максимальная 5 кВт. В близком к одномодовому режиме но минальная 2 кВт, максимальная 3 кВт. Лазер промышленно выпускался на НПО «РОТОР», г. Черкассы, и на Ижевском механическом заводе, г. Ижевск. Для решения проблемы создания промышленного технологического лазера, отвечающего требованиям современного производства, необходимо провести глубокое экспериментальное исследование процессов формирования тлеющего разряда, его взаимодействия с газовым потоком в больших объемах, изучение электрических и энергетических характеристик.
Для проведения исследований тлеющего разряда в потоке газа возникла необходимость разработать и создать экспериментальную установку, удобную и надежную в работе, позволяющую в широких пределах изменять параметры газового разряда и условия его формирования.
Важнейшей частью такой установки является разрядная камера. Для выбора ее оптимального варианта был проведен ряд модельных экспериментов. Исследовались камеры открытого цикла со скоростью газового потока до 10 м/с с размерами приблизительно вдвое меньшими, чем окончательный вариант, описанный в этом параграфе. Основное внимание было уделено влиянию высоты разрядного промежутка на максимальный энерговклад. Также были опробованы различные варианты конструкции электродов импульсного емкостного разряда предыонизации, несамостоятельного тлеющего разряда и несколько типов оптических резонаторов. В результате проведенных исследований оптимальной величиной высоты разрядного промежутка можно считать 5 см. Ограничение сверху налагается типичным выходным напряжением ламповых и тиратронных генераторов импульсов предыонизации, необходимым для пробоя газового промежутка. При уменьшении высоты камеры начинают оказывать влияние поверхностные слои на стенках, приводящие к уменьшению скорости газового потока. На этих же модельных камерах был проведен выбор оптимального коммутатора электрической цепи тлеющего разряда постоянного тока для работы установки в импульсно-периодическом режиме. Лучшими для этой цели оказались импульсные металлокерамические водородные тира троны. Они обеспечивают частоты коммутации несколько килогерц при остаточном напряжении на ключе несколько десятков вольт, имеют небольшие габариты и высокую надежность. Мощные модуляторные лампы при меньших допустимых токах коммутации имеют остаточное напряжение несколько сотен вольт и сложны в управлении. Управляемые разрядники также малопригодны для этих целей, так как работают в ограниченном диапазоне напряжений и частот и имеют малый срок службы.
В качестве основного варианта резонатора был выбран трехпроход-ный устойчивый. При относительной простоте конструкции, небольшом количестве зеркал и использовании в качестве выходного окна кристалла арсенида галлия, обеспечивающего достаточный коэффициент связи, такой тип резонатора оказался наиболее оптимальным по энергосъему. В качестве одного из вариантов резонатора был использован неустойчивый выпукло-вогнутый с выходом излучения в виде кольца. При значительном усложнении конструкции и процесса настройки преимуществ его перед устойчивым замечено не было. Несмотря на улучшение расходимости кольцевая форма луча существенно искажает распределение вблизи каустики фокусирующей линзы, что значительно ухудшает процессы сварки, резки и термоупрочнения.
