Самофильтрующий неустойчивый резонатор в технологических CO2-лазерах

• Автор: Шулятьев, Виктор Борисович
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 91 с. : ил.

ГЛАВА 1. ХАРАКТЕРИСТИКИ ПУЧКА СФР

§1.1. Расходимость и качество лазерного излучения

§ 1.2. Самофильтрующий резонатор - схема и основные свойства

§ 1.3. Методы численного расчёта характеристик резонатора

§ 1.4. Характеристики пучка СФР

§ 1.5. Выбор размеров зеркал резонатора

ГЛАВА 2. ОПТИМАЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ СФР В УСЛОВИЯХ

МОЩНОГО НЕПРЕРЫВНОГО С02-ЛАЗЕРА

§ 2.1. Об эффективности преобразования энергии в лазерном резонаторе

§ 2.2. Область рабочих параметров СФР

ГЛАВА 3. СФР В МОЩНОМ НЕПРЕРЫВНОМ С02-ЛАЗЕРЕ

§ 3.1. Устройство технологических С02-лазеров ЛОК
§ 3.2. Средства и методы измерений
§ 3.3. Мощность излучения
§ 3.4. Расходимость и качество излучения
§ 3.5. Максимальная мощность непрерывных С02-лазеров с СФР
ГЛАВА 4. РЕЗКА МЕТАЛЛОВ ИЗЛУЧЕНИЕМ С02-ЛАЗЕРА С СФР
§ 4.1. Особенности лазерной резки металлов
§ 4.2. Технологические комплексы для резки на основе С02- лазера с СФР
§ 4.3.Скорость резки и качество реза
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
Функциями оптического резонатора в лазере являются преобразование энергии активной среды в энергию когерентного излучения и формирование пространственной структуры лазерного пучка. Кроме того, в резонаторе могут находиться элементы, для управления спектральными, временными и поляризационными характеристиками излучения - дифракционные решетки, призмы, затворы, поглощающие ячейки, анизотропные элементы.
Идеи об использовании в лазерах открытого оптического резонатора впервые высказаны в работах А.М. Прохорова [121], а также Шавлова и Таунса [122]. В качестве резонатора предложено было использовать простейшую систему из двух расположенных друг напротив друга зеркал, причем, размер зеркал и расстояние между ними намного превышают длину волны излучения. Такой резонатор обладает на оптической частоте значительно лучшими селективными свойствами, чем объемный. В то же время, потери энергии, связанные с дифракцией излучения на зеркалах, имеют приемлемую величину. В работе Фокса и Ли [123] было показано существование в таком резонаторе устойчивых самовоспроизводящихся распределений поля - мод, рассчитаны характеристики мод. В шестидесятых годах двадцатого века была в основном построена: теория пустых идеальных резонаторов [4, 124]. В конце шестидесятых - начале семидесятых годов после выхода работы А. Сигмена [125] активно исследовались неустойчивые резонаторы, нашедшие применение в лазерах с большим поперечным сечением и сравнительно большим усилением активной среды. В настоящее время существуют десятки различных разновидностей лазерных резонаторов. Это связано, с одной стороны, с многообразием лазерных активных сред, с другой стороны — с многообразием применений лазеров и, соответственно, с разными требованиям к характеристикам лазерного излучения. Результаты теории и практики применения резонаторов изложены в [ 4, б, 61,95, 124].
Остановимся более подробно на мощных лазерах с большим объемом активной среды, к которьм относятся и технологические лазеры, т.е., лазеры, применяемые для обработки материалов — резки, сварки, поверхностного термоупрочнения, наплавки, гравировки и т.д. Мощность технологических лазеров имеет величину от сотен ватт до десятков киловатт. Важнейшей характеристикой технологического лазера является и расходимость излучения.
Большинство среди технологических лазеров составляют СОг-лазеры с давлением газовой смеси до 100 мм.рт.ст. и непрерывной накачкой. Активная среда в этом случае
является достаточно однородной, и расходимость излучения решающим образом зависит от типа и параметров оптического резонатора. При лазерной обработке на материал воздействуют сфокусированным пучком. Размер d фокального пятна при безаберрационной фокусировке определяется соотношением d = 0F, 0 - расходимость излучения, F - фокусное расстояние линзы или зеркала. Расходимость определяет вместе с мощностью интенсивность излучения на поверхности материала — основной параметр лазерной обработки. Важной является и форма распределения интенсивности в фокальном пятне, которая также зависит от модового состава резонатора.
Рассмотрим связь между модовым составом резонатора и технологическими возможностями лазера на примере СОг-лазеров, генерирующих в настоящее время максимальную мощность и составляющих большинство среди применяемых в промышленности технологических лазеров. В ПОЯВИВШИХСЯ: в семидесятых годах СО2-лазерах мощностью ~ 1 кВт использовался простейший двухзеркальный устойчивый резонатор. В большинстве лазеров резонатор является многопроходным - содержит . плоские зеркала для изменения направления луча, но промежуточные плоские зеркала не оказывают влияния на модовый состав резонатора. Как известно, модовьми конфигурациями устойчивого резонатора являются Эрмит-Гауссовы или Лагерр-гауссовы пучки [4]. В зависимости от числа Френеля N резонатора генерация происходит на низшей моде или на нескольких модах. Наименьшую расходимость при данном поперечном размере или наивысшее качество имеет гауссов пучок, соответствующий низшей ТЕМоо моде. С ростом поперечных индексов моды качество пучка ухудшается, следовательно, возрастает размер пятна, в которое может быть сфокусирован пучок при данном F/D, D - диаметр пучка на линзе. В зависимости от модового состава характеристики фокального пятна будут различивши, соответственно, разными будут и условия нагрева материала.
Наиболее жесткие требования к качеству пучка предъявляет и лазерная резка [136, 140-141] - плотность мощности в фокальном пятне должна иметь величину 106...107 Вт/см2 в непрерывном режиме, диаметр пятна должен быть 0,1. ..0,2 мм. Как показали эксперименты и практика лазерной резки, высокое качество реза может быть достигнуто в том случае, если генерация происходит на ТЕМоо или TEMoi* модах. При генерации на модах более высокого порядка качество и скорость резки существенно ухудшаются, и многомодовые лазеры для резки практически не используются. Важной является и форма распределения интенсивности в поперечном сечении сфокусированного пучка, распределение должно быть «компактным» - содержание энергии в периферийной области с низкой интенсивностью должно быт небольшим. По этой причине в лазерах для
2Н. Для ослабления влияния механических вибраций все элементы схемы установлены на виброустойчивом столе. Измерения проводились при мощности излучения 1,3 кВт (до делительного клина). Измерялась доля полной мощности пучка, проходящая через диафрагму при различных ее диаметрах. Результаты измерения отмечены на рис. 25 кружками, по горизонтальной оси отложена половина угла расходимости - угловой радиус пучка, по вертикальной оси - соответствующая доля полной мощности. Угол расходимости определялся как отношение диаметры диафрагмы к расстоянию от диафрагмы до фокусирующего зеркала. Сплошной линией показаны результаты расчёта для пустого резонатора с М = 4,5, 2а = 6,6 мм. Основным источником погрешности измерения является погрешность измерения уровня мощности, вызванная неточностью установки центра диафрагмы в центр сечения пучка, и погрешностью измерения мощности. Для уменьшения последней проводились многократные измерения мощности с диафрагмой и без неё. Погрешность из-за неточности установки диафрагмы оценивалась с использованием результатов работы [57], где рассчитана доля энергии гауссова пучка, проходящая через круглую диафрагму при смещении её относительно центра пучка. Измерявшееся распределение близко к гауссову, по крайней мере, в пределах мощности в кружке до 0,9. При установке диафрагмы, соответствующей уровню 0,9 мощности, с ошибкой не более 0,1 её диаметра, что выполнялось в эксперименте (диаметр диафрагмы равен приблизительно 3,5 мм), прошедшая энергия отличается от энергии, соответствующей соосной диафрагме, на 0,02.
По результатам измерений расходимость излучения по уровню 0,86 полной мощности равна 0,68 ± 0,035 мрад. Диаметр О пучка б в ближней зоне измерялся также методом калиброванных диафрагм, измеренное значение по уровню 0,86 мощности - 30 мм. Этому соответствуют ОЭ = 20,4 мм*мрад и О = 4Х/к 6Г) = 0, 66 - расходимость пучка лазера ЛОК-ЗМ с СФР в 1,5 раза превышает асимптотический угол расходимости гауссова пучка с таким же диаметром в перетяжке.