СО2-лазеры с диффузионным охлаждением рабочей смеси

С0₂-лазер с диффузионным охлаждением (ЛДО) рабочей смеси (рис. 1.8) состоит из охлаждаемой водой разрядной трубки 2, внутри которой с помощью системы электродов 5 создается газоразрядная плазма 3. По торнам разрядной трубки размещены зеркала резонатора: глухое зеркало 1 и полупрозрачное (или с отверстием) зеркало 4. Стабильность усилительных свойств среды в течение длительного времени поддерживается путем слабой прокачки лазерной смеси или размещения внутри отпаянного лазера регенерирующего элемента. В диффузионных лазерах, как правило, используют смесь C0₂:N₂:He в соотношениях приблизительно 1:1:3 или 1:1:6 при полном давлении до 20...40 торр.

Излучатели с последовательным расположением газоразрядных трубок получили название однолучевые, а с параллельным — многолучевые лазеры с диффузионным охлаждением.

Использование однолучевых излучателей с диффузионным охлаждением рабочей смеси позволяет получить высокое качество пучка излучения. В них возможна генерация пучка с гауссовым радиальным распределением интенсивности, соответствующим поперечной моде ТЕМ00. Такие лазеры называют одномодовыми, они обладают следующими достоинствами.

1. Возможность фокусировки излучения в пятно диаметром 50... 100 мкм, что позволяет получить плотность мощности излучения в пятне свыше 107Вт/см2.

2. Стабильное угловое положение оси пучка, что позволяет с высокой точностью контролировать местоположение сфокусированного пучка на обрабатываемом изделии.

3. Малая апертура генерируемого пучка (10...30 мм), что дает возможность использовать относительно дешевые оптические элементы, механические узлы и приводы.

Оптимальный диапазон выходной мощности однолучевых лазеров с диффузионным охлаждением находится в области до 0,5... 1 кВт. Наряду с непрерывными они, как правило, также имеют импульсно-периодический режим генерации.

Такие лазеры используют при прецизионной лазерной резке, размерной обработке, гравировке, прошивке отверстий, а также при лазерной сварке тонколистового металла и поверхностной термической обработке.

К лазерам с диффузионным охлаждением относятся промышленные отечественные лазеры «Катунь» и «Кардамон» с возбуждением среды самостоятельным продольным разрядом постоянного тока.

Они состоят из четырех газоразрядных трубок длиной 6 м каждая, последовательно объединенных единой оптической системой. Такие лазеры обеспечивают стационарную генерацию на уровне выходной мощности 0,8... 1 кВт при удельном съеме мощности излучения ~40 Вт/м.

В настоящее время в России выпускают лазер такого типа ТЛ-700 мощностью 700 Вт.

Так как однолучевые промышленные лазеры с диффузионным охлаждением типа ЛГН-702, а также аналогичные по конструкции с более низкими мощностями излучения ИЛГН-703 (600 Вт), ИЛГН-702 (150 Вт) и ИЛГН-704 (45 Вт) генерируют негауссовы пучки излучения, область их применения для фокусировки пучка ограничена. Такие технологические лазеры предназначены в основном для поверхностной термообработки.

Несамостоятельный разряд с предыонизацией периодическими импульсами высокого напряжения используют например в таком лазере как «Юпитер». Его применяют для поверхностной термообработки, сварки, гравировки и проведения других процессов.

Для однолучевых ЛДО уровень мощности 1 кВт является практически предельным. Это связано с необходимостью существенного увеличения общей длины разрядной области (более 20 м), что усложняет конструкцию излучателя и приводит к ухудшению стабильности выходных параметров.

Использование схемы с параллельным расположением трубок малого диаметра внутри общего резонатора, образованного двумя плоскими зеркалами, позволяет снять ограничения на мощность. Такие лазеры, получившие название многолучевых, имеют ряд достоинств: постоянство параметров излучения (мощности, угловой расходимости, углового положения оси и т. д.); стабильность качества излучения при увеличении мощности; возможность создания практически любого распределения плотности мощности на поверхности изделий; высокая компактность блока генерации.

Основным недостатком многолучевых лазеров является сравнительно большая общая апертура пучка, представляющего собой набор параллельных пучков, излучаемых каждой трубкой, при относительно высокой расходимости излучения, определяющейся диаметром одиночной трубки. Это создает трудности при использовании систем передачи излучения и препятствует острой фокусировке луча. Поэтому такие технологические лазеры наиболее перспективны при выполнении поверхностной термообработки, где требуемый уровень плотности мощности не превышает ~10⁵ Вт/см².

Многолучевая схема ЛДО была впервые реализована в образце лазера типа «ИГЛАН» мощностью излучения 3 кВт. В настоящее время производятся модели МТЛ-2 мощностью 2 кВт и МТЛ-4 мощностью 4 кВт. Они имеют модульное исполнение, что позволяет многократно наращивать мощность излучения путем использования дополнительных модулей. Их рекомендуют для поверхностного термоупрочнения, легирования поверхностных слоев металлами и неметаллами, а также маркировки металлических и неметаллических материалов. Кроме того, к лазерам этого типа относятся лазеры МКТЛ-1 мощностью 1,0 кВт, модель М-400 фирмы Ferranti (Англия) мощностью 0,4 кВт и лазеры фирмы Photon Soures Inc. (США) мощностью 1,0 кВт.

Газоразрядные СО₂-лазеры с конвективным охлаждением рабочей смеси. Использование конвективного охлаждения рабочей смеси в газоразрядных СО₂-лазерах дает возможность обеспечить удельный объемный энергосъем до 1...10 Вт/см³, что на 2-3 порядка превышает это значение в случае применения лазеров с диффузионным охлаждением. Быстропроточные газоразрядные лазеры могут генерировать лазерное излучение мощностью свыше 1 кВт при удельных габаритах, составляющих -1...3 м³ объема конструкции на 1 кВт выходной мощности лазера.

В газоразрядном технологическом лазере активный элемент представляет собой газоразрядную камеру с рабочим газом (рабочей смесью). Для обеспечения постоянства состава и давления рабочего газа лазер этого класса должен быть снабжен системой газообеспечения. Прокачка рабочей среды в таких лазерах осуществляется, как правило, по замкнутому газодинамическому тракту. Газодинамические и оптические схемы конвективных С0₂-лазеров с продольной и поперечной прокачкой представлены на рис. 1.9, а и б. Они состоят из нескольких цилиндрических (продольная прокачка) или одной прямоугольной (поперечная прокачка) газоразрядных камер 1, резонатора 2, теплообменников 6, вентилятора 5, соединяющих их газоводов 4 и выходного окна 3. Стабильность свойств активной среды в условиях замкнутого газодинамического цикла поддерживается непрерывным обновлением малой доли смеси (~ 0,1... 1 % от расхода газовой смеси в контуре) или с помощью размещаемых в контуре регенераторов.

В быстропроточных лазерах с продольной прокачкой обеспечивается направление потока газа вдоль оптической оси. Такие лазеры отличаются от диффузионных лишь наличием потока, они состоят из нескольких достаточно коротких газоразрядных трубок, объединенных последовательно одним резонатором с достаточно большим числом оптических элементов. Схемы прокачки газовой смеси имеют замкнутый цикл с охлаждением в теплообменнике рабочего газа перед подачей в зону разряда. Активная среда в таких лазерах создается, как правило, самостоятельным разрядом постоянного тока, протекающего в направлении потока газа.

Несмотря на то что при осуществлении продольной прокачки газа съем излучения с единицы длины существенно увеличивается, предельная мощность лазера при этом возрастает незначительно и обычно не превышает 2...5 кВт.

Одним из отработанных лазеров подобного типа следует считать лазер модели «Карат». В нем используется рабочая смесь С0₂, N₂ и Не. В случае применения данной конструкции установки обновления газов в замкнутом цикле прокачки практически не требуется, т. е. процесс лазерной генерации происходит с минимальным расходом газов. Лазер «Карат» обеспечивает высокую стабильность мощности излучения во времени на уровне 1...2 кВт и отличается большим техническим ресурсом. Эту модель используют в серийных лазерных технологических установках «Комета» и «Латус-31» для выполнения разнообразных видов обработки.

В настоящее время ведущими зарубежными фирмами освоен выпуск С0₂- лазеров с быстрой продольной прокачкой активной газовой смеси. Фирма ROFIN-SINAR-Laser’GmbH производит модели серии RS мощностью от 80 до 5000 Вт, которые могут генерировать излучение как в непрерывном, так и в импульсном режиме. Они имеют хорошее распределение интенсивности в пучке, а также высокую стабильность выходной мощности. К указанному классу лазеров относятся модели Poton VFA 1200 и Poton VFA 5000 фирмы ORIEL (Германия) с диапазоном мощностей излучения 400... 1250 Вт и 800.. .5000 Вт соответственно.

Известны модели лазеров такого типа и с большим уровнем мощности, например зарубежная модель фирмы United Technology (США) мощностью 6 кВт. Однако по оценкам специалистов быстропроточные схемы с продольной прокачкой газовой смеси в конструкциях лазеров мощностью более 5 кВт вследствие технических сложностей и возможного ухудшения качества лазерного излучения использовать нецелесообразно.

Более перспективной для обеспечения повышения мощности лазера является схема с поперечной прокачкой газа. В этом случае оптическая ось резонатора лазера направлена перпендикулярно вектору скорости прокачки газа и поэтому ее увеличение не сопровождается снижением эффективности конвективного охлаждения, определяемой длиной разрядной зоны по направлению потока. В условиях конвективного охлаждения смеси поперечным потоком с 1 м длины в направлении оптической оси можно снять мощность излучения от 0,3 до 100 кВт, что существенно превышает удельный съем излучения по сравнению с таковым при использовании других способов охлаждения рабочей смеси. При этом основным фактором, ограничивающим значение вкладываемой в разряд мощности, становится уменьшение устойчивости разряда.

В случае поперечной прокачки газа по сравнению с продольной способы возбуждения среды более разнообразны. В С0₂-лазерах наиболее распространена схема с самостоятельным электрическим разрядом, совмещающим функции накачки рабочей смеси и ионизации. Такие типы лазеров конструктивно оформляются наиболее просто; в большинстве известных отечественных и зарубежных лазеров мощностью излучения до 10 кВт используется схема электроразрядного лазера с самостоятельным разрядом. Типичные значения мощности, снимаемой с 1 м длины этих лазеров, находятся в пределах 1...5 кВт, а полная мощность, как правило, не превышает 5... 10 кВт.

Для создания малогабаритных лазеров повышенной мощности (10 кВт и более) используют конструкции с несамостоятельным разрядом. В лазерах с таким разрядом применяют внешний ионизатор и разрядную накачку рабочей смеси. Известны схемы ионизации электронным пучком и периодическими импульсами.

Одно из преимуществ несамостоятельного разряда состоит в его более высокой стабильности, что позволяет повысить давление смеси, увеличить межэлектродный зазор, а следовательно, и мощность лазера. На сегодняшний день наиболее развита техника с несамостоятельным разрядом, поддерживаемым электронным пучком. С помощью устройств данного типа сім длины в настоящее время можно получить мощность более 10 кВт, являющуюся предельной для лазеров с самостоятельным разрядом. Теоретически мощность может достигать 50... 100 кВт.

Известны следующие модели этого типа: модель отечественной разработки С0₂-ЭИЛ и зарубежной — HPL-15 мощностью до 15 кВт.

На основе несамостоятельного разряда с ионизацией периодическими импульсами создана отечественная лазерная установка «Циклон» номинальной мощностью 6 кВт, отличающаяся высоким качеством излучения при сравнительно простой схеме исполнения.

Большую перспективу для лазерных технологических установок представляет быстропроточный лазер «Лантан», в котором предионизация осуществляется короткими емкостными разрядами. Такой лазер генерирует излучение как в непрерывном режиме с мощностью около 1,2 кВт, так и в импульснопериодическом режиме со средней мощностью более 2 кВт. При практическом использовании весьма важным преимуществом данной модели является простой переход от непрерывного режима генерации к импульсно-периодическому путем переключения схемы электропитания и изменения состава газовой смеси.

Кроме того, к типичным конструкциям быстропроточных лазеров с поперечной прокачкой относятся промышленные лазеры фирмы Spectra Phusics (США) модели GTE-971 мощностью 1,2 кВт, моделей GTE-820 и GTE-973 мощностью 2,5 кВт, модели GTE-975 мощностью 5 кВт, а также модели «Хебр» (Болгария) мощностью от 1,2 до 2,5 кВт. Газоразрядная камера в таких лазерах представляет собой трубчатый катод и анод, секционированный в поперечном к потоку газа направлении. Использование такой схемы позволяет обеспечить мощность излучения 1...5 кВт.

При секционировании катодных элементов как в поперечном, так и в продольном к потоку газа направлениях при равных габаритах газоразрядной камеры можно получать большие мощности излучения. По этой схеме была выполнена установка ЛТ-1 мощностью 5 кВт. Подобная схема секционированного катода была использована в лазерной установке модели ЛСУ мощностью 7 кВт, эксплуатируемой в производственных условиях при осуществлении лазерной сварки. Такой же принцип устройства газоразрядной камеры дает возможность получать еще большие значения мощности излучения, например, в установке ТЛ-10 мощностью 10 кВт.

В настоящее время в России спроектированы и серийно выпускаются быстропроточные электроразрядные С0₂-лазеры непрерывного и импульснопериодического действия с поперечной прокачкой рабочей смеси в газовом контуре. К ним относятся ТЛ-1,5 мощностью 1,7 кВт, ТЛ-2,5 — 3 кВт, ТЛ-4 — 4 кВт, ТЛ-5 — 5 кВт, «Тандем» — 6 кВт, ТЛ-7,5 — 7,5 кВт и ТЛ-15 — 15 кВт.

Поперечный самостоятельный разряд также был использован в конструкциях лазеров ЛОК-2 мощностью 1,2 кВт и ЛОК-ЗМ мощностью 2 кВт с непрерывной генерацией излучения.

Газовые С0₂-лазеры могут обеспечивать не только непрерывный, но и импульсно-периодический режим генерации излучения, который достигается либо импульсным самостоятельным разрядом, либо несамостоятельным разрядом, управляемым импульсным пучком электронов. Их рабочие смеси состоят из тех же компонентов. К таким лазерам относятся «Лантан», «Дятел» и ИПЛ-1.