Мощные промышленные CO2-Лазеры с накачкой несамостоятельным тлеющим разрядом

Несамостоятельный тлеющий разряд постоянного тока с ионизацией импульсно-периодическим разрядом (РПТ-ИР) используется для создания активной среды в электроразрядных технологических СО2-лазерах с быстрым поперечным протоком газа с непрерывной мощностью от 1 до 40 кВт. Этот метод был впервые использован для накачки СО2-лазеров в работах Рейли[1] и Хилла[2], о значительных практических достижениях сообщали Шашаков с сотр.[3], Сеген с сотр.[4-6], а также Генералов с сотр.[7-9] 

Для организации РПТ-ИР используют два основных метода (Рис. 1).

В схемах, используемых в работах[1-6] напряжение импульсно-периодического разряда и напряжение несамостоятельного разряда (постоянное или также импульсное) подаются на одни и те же электроды, как показано на Рис. 1, вверху. Пространственная однородность разряда в этом случае обеспечивается путем секционирования электродов, а также введением дополнительной предыонизации.

В другой схеме, разработанной Генераловым с сотр.[7-9] (Рис. 1, внизу) напряжение самостоятельного импульсно-периодического разряда прикладывается к дополнительной паре электродов, представляющих собой металлические пластины большой площади, изолированные от разрядного промежутка слоями диэлектрика. Этот тип вспомогательного разряда называется безэлектродным (или емкостным) импульсно-периодическим разрядом (ЕИР), или емкостной импульсной предыонизацией. Для ЕИР характерна высокая импульсная мощность, необходимая для того чтобы создать однородную ионизацию в разрядном объеме, заключенном между диэлектрическими пластинами, при сравнительно низкой средней по времени мощности. Возбуждение колебательных степеней свободы молекул в однородно ионизованной среде осуществляется стационарным несамостоятельным основным разрядом, который можно охарактеризовать как разряд постоянного тока с ионизацией безэлектродным (емкостным) импульсно-периодическим разрядом (РПТ-ЕИР). Постоянное напряжение основного разряда прикладывается к металлическим электродам в форме трубок (катода и анода), расположенных на входе и выходе газового потока в разрядной камере. Поток направлен от катода к аноду, перпендикулярно оптической оси резонатора. Две оставшиеся стенки разрядной камеры имеют отверстия для выхода излучения к зеркалам, расположенным снаружи. Проходы многопроходного оптического резонатора расположены Z-образно для лучшего заполнения излучением объема разрядной камеры.

Эта схема была предложена и разрабатывалась в течение длительного времени в Институте проблем механики Российской Академии Наук в Москве. На базе этих исследований был спроектирован ряд промышленных СО2-лазеров “Лантан” мощностью от 1,5 до 5 кВт[10]. Кроме того, была создана экспериментальная лазерная установка “Циклон” мощностью 10 кВт[7-8]. Эти лазеры отличаются высоким КПД, хорошим качеством излучения, широкими возможностями для управления мощностью, низким потреблением рабочих газов и высокой надежностью.

Высокие эксплуатационные характеристики этих лазеров достигнуты благодаря особенностям применяемой схемы РПТ-ЕИР: оптической однородности, простой электродной системе, низкой плазмохимической активности и оригинальной схеме управления мощностью основного разряда.

Ниже приведено подробное описание физики РПТ-ЕИР и особенностей его применения в мощных технологических СО2-лазерах. Рассматриваются достигнутые результаты и перспективы дальнейшего развития данного метода.

1. Безэлектродный (емкостной) импульсно-периодический разряд

Безэлектродный (емкостной) импульсно-периодический разряд (ЕИР) относится к сравнительно хорошо изученным объемным импульсным разрядам, широко используемым в импульсных газовых лазерах. Отличительной особенностью ЕИР является то, что электроды, на которые подается импульсное напряжение, изолированы от разрядного промежутка пластинами диэлектрика (Рис. 2). Этот необычный тип разряда исследовался теоретически и экспериментально в связи с применениями в СО2-лазерах[7-9, 18, 19]. Чтобы лучше понять процессы в разряде, рассмотрим простую модель.

Полагаем, что импульс напряжения имеет ступенчатую форму с напряжением U0 и пренебрежимо коротким передним фронтом. Первоначальная плотность электронов Ne0 считается распределенной однородно в разрядном объеме. В импульсно-периодическом разряде заметная концентрация электронов остается от предыдущего импульса. Распределение потенциала в разрядном промежутке считается однородным, слои пространственного заряда вблизи диэлектрических пластин считаются тонкими, а падение напряжения на них мало по сравнению с U0. В этих предположениях можно рассматривать схему, показанную на Рис. 2, как эквивалентную ЕИР. Электрическое сопротивление плазмы разряда Rg связано с плотностью свободных электронов Ne в плазме разряда, Cg - емкость разрядного промежутка, Cd - емкость диэлектрических пластин.

Это приближение аналогично так называемой электротехнической модели7. В этой модели изменение электрического поля, тока и плотности электронов в разряде описывается системой нелинейных обыкновенных дифференциальных уравнений, которые легко интегрируются численно, и в результате получаются осциллограммы электрического поля в плазме, тока и плотности электронов, показанные на Рис. 3.

Для дальнейшего понимания полезно вывести основные соотношения и сделать оценки на основе простого физического рассмотрения. Считаем величину напряжения U0 достаточно большой, чтобы в разрядном промежутке начался процесс лавинной ионизации. Можно определить характерное время ионизации Ti как

где  - частота ионизации (с-1),  - частота диссоциативного прилипания. Уравнение (1.1) означает, что свободные электроны в процессе лавинной ионизации рождаются путем электронного удара и гибнут путем диссоциативного прилипания. На основе расчетных значений ni и na , взятых из [20,21] можно получить значения Ti при различных E/p (где E - напряженность электрического поля в плазме, а p - давление газа). Для примера была взята газовая смесь в соотношении CO2/N2/He 1/6/12 при давлении p = 30 Торр. Результаты представлены в Таблице 1.

Если длительность фронта приложенного напряжения коротка по сравнению с характерным временем ионизации для данной величины напряжения U0P, плотность электронов начнет расти с характерным временем Ti(U0P).

Таблица 1. Характерное время ионизации при различных E/p в смеси CO2/N2/He в соотношении 1/6/12.

Когда плотность электронов достигает заметной величины, в плазме начинает течь электрический ток, приводящий к разделению положительных и отрицательных зарядов в разрядном промежутке, заключенном между диэлектрическими пластинами, что, в свою очередь, ведет к экранированию электрического поля в плазме. Когда электрическое поле в плазме из-за процесса поляризации падает ниже определенной величины, ионизация практически прекращается. Характерное время поляризации плазмы в электротехнической модели можно записать как RgCd/2 где Rg - электрическое сопротивление плазмы, а Cd - электрическая емкость пластин диэлектрика. Условия прекращения ионизации могут быть, следовательно определены как

Достигнутая при этом плотность электронов пропорциональна проводимости плазмы:

Это соотношение - основной результат нашего простого анализа. Из него и Таблицы 1 видно, что Ne сильно зависит от U0P.

На практике условие малости длительности фронта нарастания напряжения по отношению к характерному времени ионизации, определяемому величиной максимального значения приложенного напряжения U0P, обычно не выполняется, поскольку U0P, как правило, больше, чем требуется. Реальное электрическое поле в плазме из-за эффекта поляризации начинает снижаться до того, как приложенное к электродам напряжение достигнет максимального значения. Максимальная величина, до которой поднимается электрическое поле в плазме, зависит от скорости нарастания напряжения. Таким образом, и величина Ti, и длительность импульса тока, и амплитуда импульса тока определяются скоростью нарастания напряжения. Для более эффективной ионизации следует использовать импульсы напряжения с более крутым фронтом нарастания. При этом генератор должен обеспечивать достаточно высокую импульсную мощность и выдавать импульс тока соответствующей амплитуды. Ограничения, связанные с характеристиками выходной цепи импульсного генератора, приводят к уменьшению достижимой плотности свободных электронов в разряде.

Поскольку свободные электроны в плазме имеют ограниченное время жизни, для поддержания квазистационарной концентрации электронов требуется определенная частота повторения импульсов. Основными процессами, приводящими к гибели свободных электронов в условиях непрерывного CO2-лазера, являются электрон-ионная рекомбинация и прилипание (образование отрицательных ионов). Времена жизни, определяемые этими процессами, лежат в пределах от 10 до 100 мкс, откуда требуемые частоты повторения импульсов — от 10 до 100 кГц.

TНа Рис. 4 видны яркие и темные слои вблизи изолированных электродов. Эти слои внешне схожи с приэлектродными слоями обычного тлеющего разряда, образующимися вблизи катода. Верхний и нижний слои возникают последовательно во время прохождения, соответственно, положительной и отрицательной полуволны импульса тока, возникающих вследствие того, что импульс напряжения имеет как фронт нарастания, так и фронт спада.

Катодные слои, наблюдаемые в импульсном разряде, в отличие от слоев тлеющего разряда постоянного тока, не являются стационарными. Их можно считать лишь квазистационарными при достаточно большой частоте повторения импульсов.

Природа слоев импульсного разряда изучалась в [19]. Было показано, что формирование слоев в случае не слишком коротких импульсов зависит от вторично-эмиссионных процессов на катоде (или на прилегающей к катоду поверхности диэлектрика). Также, как в случае тлеющего разряда, происходит формирование областей катодного падения напряжения, лавинное размножение вторичных электронов, и, как следствие, формирование пучка высокоэнергетичных электронов с высокими проникающими способностями. Темное пространство с увеличенной концентрацией электронов, примыкающее к яркому катодному свечению, возникает в результате действия этих процессов. Значение наблюдаемой в наших экспериментах характерной суммарной толщины приэлектродных слоев порядка 10-15 смДТорр близко к величине, полученной в [19] в результате вычислений.

Если к плазме, полученной в ЕИР, прикладывается постоянное электрическое поле, как в несамостоятельном разряде, толщина слоев уменьшается. Время жизни электронов между последовательными импульсами, определяемое процессами электрон-ионной рекомбинации и прилипания, зависит от средней кинетической энергии электронов. Если внешнее электрическое поле отсутствует, кинетическая энергия электронов мала, а скорость процессов рекомбинации, напротив, максимальна. В этих условиях начальная электронная плотность к началу следующего импульса при частоте следования 10 кГц не превосходит 109 см-3, как и считалось в [19].

С другой стороны, в присутствии постоянного электрического поля коэффициент рекомбинации уменьшается, и начальная электронная плотность перед очередным импульсом возрастает до 10¹⁰ см³ и более. В результате толщина приэлектродного слоя и падение напряжения на нем уменьшаются, приближаясь к величинам, характерным для стационарного разряда. Таким образом, в обычных условиях мы можем пренебречь падением напряжения в приэлектродных слоях и пользоваться для оценок электротехнической моделью, как это было сделано выше.

Однако если величина разрядного промежутка сравнима с толщиной слоев (в случае низких давлений или малого межэлектродного зазора), приэлектродные явления вызывают значительные изменения распределения потенциала и электронной плотности в пространстве между электродами 19, и в этом случае электротехническая модель неприемлема.

В направлении, перпендикулярном направлению импульсного тока однородность плазмы может нарушаться из-за термоионизационных эффектов, аналогичных эффекту сжатия положительного столба стационарного тлеющего разряда. Роль этих процессов уменьшается при уменьшении давления и/или межэлектродного расстояния, а также при увеличении толщины диэлектрических пластин и при уменьшении длительности импульса. Быстрый поток газа в разрядной камере также подавляет эти неоднородности. Электрическая емкость диэлектрических пластин действует как распределенный балласт, препятствуя , в первую очередь, контракции катодного слоя на поздних стадиях пробоя.

Высокая пространственная однородность ЕИР в большом объеме, а также значительная квазистационарная концентрация свободных электронов, получаемая при сравнительно небольшой мощности генератора, обусловливают успешное применение ЕИР в качестве источника ионизации для несамостоятельного разряда. Типичные параметры несамостоятельного разряда с ЕИР представлены в Таблице 2.

Таблица 2. Основные параметры РПТ-ИР, используемого в технологическом CO2 -лазере “Лантан-5”.

Применение ЕИР для создания в большом объеме плазмы с однородной проводимостью позволяет успешно решить две задачи, возникающие при разработке мощных СО2-лазеров.

Во-первых, метод ЕИР дает возможность легко управлять параметрами разряда постоянного тока и эффективно подавлять неустойчивости, которые препятствуют повышению мощности разряда. Во-вторых, ионизация с помощью ЕИР обеспечивает высокую оптическую однородность разряда в большом объеме, которой трудно достичь средствами самостоятельного разряда постоянного тока.

Рассмотрим физические особенности применения РПТ-ИР в мощном технологическом СО2-лазере “Лантан”. Основные характеристики ЕИР и РПТ-ИР представлены в Таблице 2.

Взаимное расположение электродов в разрядной камере лазера “Лантан” показано на Рис. 5 вместе со схемой генератора высоковольтных импульсов. ЕИР возбуждается в промежутке высотой 5,5 см между двумя плоскими водоохлаждаемыми металлическими электродами, отделенными от разрядного промежутка диэлектрическими пластинами. Плазма образуется в плоском канале прямоугольного поперечного сечения размером 5.5Д90 см^2, через который с высокой скоростью прокачивается газ в направлении, показанном стрелками. Два электрода основного разряда в виде медных трубок (катод и анод) расположены на входе и выходе потока из разрядной камеры. Электроды установлены параллельно друг другу на расстоянии 26 см.

Постоянное напряжение основного разряда V приложено к трубчатым электродам без использования балластных резисторов. Величина напряжения выбирается исходя из условий оптимальных для возбуждения колебательных степеней свободы молекул лазерной смеси. При этом усредненная по объему разрядной камеры скорость ионизации электрическим полем основного разряда много меньше средней по времени скорости ионизации полем ЕИР. В этом смысле РПТ-ЕИР представляет собой несамостоятельный разряд и обладает характерными для несамостоятельных разрядов свойствами: монотонно растущей вольт-амперной характеристикой (см. Рис. 6), прекращением тока при выключении внешней ионизации и т.д.

Рождаясь во время импульса, свободные электроны затем рекомбинируют, в основном, процессах диссоциативной электрон-ионной рекомбинации и трехтельного прилипания, или просто выносятся из объема разрядной камеры потоком газа. Следуя колебаниям электронной плотности и проводимости газа, ток основного разряда также периодически пульсирует (см. Рис. 7).

Средний по времени ток основного разряда зависит, таким образом, от максимальной плотности электронов (или амплитуды импульса ионизации) и от частоты повторения импульсов. Следовательно, мощностью разряда можно управлять путем изменения напряжения высоковольтного источника питания ЕИР, как показано на Рис. 6, либо с помощью изменения частоты следования импульсов.

Выходная мощность оказывается при этом промодулированной с частотой следования импульсов ЕИР, однако при характерном для рассматриваемого случая составе и давлении газовой смеси кинетика лазерных энергетических уровней колебаний молекул такова, что модуляции выходной мощности оказываются в значительной степени сглаженными по отношению к пульсациям тока, как показано на Рис. 7.

Взаимное расположение электродов в разряде определяется условиями однородности разряда и удобства вывода излучения. РПТ-ЕИР является поперечным по отношению к оптической оси резонатора и продольным по отношению к направлению потока газа.

У поверхности трубчатых электродов формируются слои катодного и анодного падения потенциала. Эти слои аналогичны приэлектродным слоям обычного тлеющего разряда. Также наблюдается явление нормальной плотности тока на катоде.

Рис. 8 показывает распределение потенциала в разрядной камере, измеренное с помощью электронного зонда. Видно, что электрическое поле распределено однородно по всему объему, за исключением приэлектродных областей.

На некотором расстоянии от трубчатых электродов (1-2 см) плотность тока разряда и, вследствие этого, электрическое поле возрастают только по причине геометрии разряда в камере большого объема с трубчатыми электродами — поверхность электрода имеет гораздо меньшую площадь, чем поперечное сечение разрядной камеры. Такая геометрия позволяет легко стабилизировать положение токового пятна на катоде без применения техники секционирования электрода. Вследствие увеличения напряженности электрического поля вблизи электродов формируются зоны, аналогичные тлеющему разряду, контролируемому диссоциативным прилипанием, с характерными для разрядов этого типа напряженностью электрического поля, плотностью свободных электронов и другими свойствами. Устойчивость объемной фазы разряда в этих зонах определяет устойчивость разряда в целом, поскольку контракция в этих зонах вызывает контракцию всего разряда.

Стабильность разряда — одна из центральных проблем техники мощных лазеров. Неустойчивости зарождаются в приэлектродных зонах, где повышены как плотность тока, так и напряженность электрического поля. С другой стороны, длина этих зон по направлению потока газа невелика, так что время пребывания данной порции газа в этих зонах также мало. Поэтому быстрый проток газа значительно повышает стабильность разряда. Кроме того, большая часть разрядного объема, где напряженность электрического поля ниже, чем в приэлектродных областях, может рассматриваться как распределенное балластное сопротивление, которое стабилизирует зоны самостоятельного разряда в приэлектродных областях в широком диапазоне вкладываемой мощности.

Предельная мощность РПТ-ЕИР, при которой происходит контракция объемной фазы разряда, в рассматриваемом диапазоне параметров возрастает почти линейно с ростом концентрации свободных электронов, образующихся в импульсном разряде. Это открывает возможности дальнейшего увеличения удельной мощности разряда вплоть до величин, достижимых в несамостоятельном разряде с ионизацией электронным пучком.

Пространственная неоднородность РПТ-ЕИР ограничена приэлектродными областями. Большая часть объема однородно возбуждается электрическим полем допробойной величины и несамостоятельным электрическим током. Поскольку приэлектродные зоны относительно малы, для разряда характерен высокий КПД накачки активного объема при высокой оптической однородности активной среды. Активная среда сохраняет таким образом форму разрядной камеры (параллелепипеда) и вносит минимальные фазовые искажения в выходящий из резонатора лазерный пучок. Эта особенность разряда дает возможность получать высококачественные лазерные пучки при применении специальных схем оптических резонаторов[11].

В основном благодаря низкому значению напряженности электрического поля в несамостоятельном разряде плазмохимическая активность РПТ-ЕИР сравнительно невелика. Плазмохимические процессы ограничиваются небольшими приэлектродными областями разряда постоянного тока и короткими периодами протекания импульсного тока ЕИР.

В типичных условиях СО2-лазера химическая активность РПТ-ЕИР характеризуется установившимся коэффициентом диссоциации СО2 менее 20%, а относительная концентрация окислов азота составляет менее 1%. Поэтому разряд способен сохранять высокие характеристики в течение длительного времени даже при работе без обновления рабочей смеси. На практике небольшое потребление рабочих газов (около 100 ст.л./час) требуется для удаления из газовой смеси примесей, образующихся в результате газоотделения полимерных материалов, из которых изготовлена разрядная камера — в основном водорода и паров воды.

Важным свойством РПТ-ЕИР является возможность легко управлять мощностью. Например, источник основного разряда можно сделать нерегулируемым, а мощность (при фиксированном напряжении — ток) разряда менять путем изменения степени ионизации активной срезы, управляя источником питания ЕИР, гораздо менее мощным и простым в управлении. Импульсный режим генерации лазера также легко получить, модулируя амплитуду или частоту следования ионизирующих импульсов.

Импульсно-периодический режим генерации с высокой импульсной мощностью был реализован на экспериментальном прототипе лазеров “Лантан” — установке “Лантан-1”, разработанной в 1980 году[1]. В этой установке при работе в импульсном режиме основной разряд был самостоятельным, для его коммутации применялся тиратрон. ЕИР играл роль чрезвычайно однородной предыонизации, значительно расширяющей диапазон мощности основного разряда, в котором сохраняется его однородность. Была получена импульсная мощность излучения до нескольких десятков киловатт и средняя по времени мощность излучения до 1.5 кВт при частоте повторения импульсов 200 Гц и выше.

Обобщая сказанное выше, можно перечислить следующие основные преимущества РПТ-ЕИР как средства накачки мощных лазеров: высокая оптическая однородность, высокая эффективность колебательного возбуждения молекул, простая электродная система, низкая плазмохимическая активность, широкие возможности управления мощностью.

В следующих разделах описывается конструкция и особенности работы 5-киловаттного технологического СО2-лазера с быстрым протоком газа “Лантан-5”, разработанного на основе РПТ-ЕИР.

3. Мощный технологический СО2-лазер “Лантан-5”: конструкция и параметры

Технологический СО2-лазер с быстрым протоком газа “Лантан-5” с выходной мощностью до 5 кВт в непрерывном режиме был разработан для высококачественной резки и сварки металлов. Исходя из взаимного расположения быстрого потока и оптической оси резонатора “Лантан-5” можно отнести к лазерам с быстрой поперечной прокачкой. “Лантан-5” является более мощной модификацией предыдущей модели “Лантан-3М”, описанной в10. Эти два лазера, построенные на одних и тех же принципах, различаются мощностью разряда, импульсного генератора и средств быстрой прокачки газа. Основные характеристики лазера “Лантан-5” представлены в Таблице 3, а его внешний вид — на Рис. 9.

Оригинальный способ организации разряда лазеров “Лантан” — РПТ-ЕИР в сочетании с простой и надежной схемой быстрой поперечной прокачки — обеспечивает высокое качество излучения, возможность быстрого управления мощностью, высокий КПД и низкое потребление рабочих газов.

Выходная мощность может быть промодулирована в виде периодических импульсов прямоугольной формы, либо в виде единичного импульса в форме трапеции. Все режимы управления мощностью автоматизированы, так что лазер может использоваться в составе технологических комплексов с программным управлением.

Способ организации разряда накачки описан в предыдущей Главе.

Таблица 3. Основные характеристики технологического СО2- лазера “Лантан-5”.

Используется несамостоятельный разряд постоянного тока с ионизацией безэлектродным (емкостным) импульсно-периодическим разрядом (РПТ-ЕИР). Источник питания основного разряда работает при постоянном напряжении, оптимальном для возбуждения колебаний молекул. Мощность основного разряда регулируется путем изменения частоты следования импульсов ЕИР. Для стабилизации выходной мощности лазера в импульсно-периодическом режиме применяется быстродействующая обратная связь.

Благодаря схеме быстрой поперечной прокачки для охлаждения разряда достаточно двух установленных параллельно одноступенчатых осевых вентиляторов с встроенными водоохлаждаемыми электроприводами с частотой вращения 9000 оборотов в минуту. Надежность вентиляторов обеспечивается сравнительно небольшой рабочей частотой вращения, дающей относительный перепад давления 1,1 при полном абсолютном давлении смеси 6 кПа. Скорость потока в разрядной камере достигает 100 м/с.

Коэффициент усиления слабого сигнала в активной среде меняется от нуля до 0,5 м^-1 при увеличении вкладываемой в разряд мощности от нуля до максимальной.

Первоначально для лазера “Лантан” был разработан многопроходный устойчивый резонатор, показанный схематически на Рис. 10. Оптическая длина резонатора 7,5 м. На этой длине оптическая ось совершает 5 проходов через активную среду, каждый из которых имеет длину 0,9 м. Оптическая схема резонатора включает в себя 4 плоских поворотных зеркала, вогнутое глухое зеркало, а также плоское выходное зеркало из селенида цинка с коэффициентом отражения 30%.

С радиусом кривизны глухого зеркала 15 м (полуконфокальный резонатор) резонатор дает многомодовое излучение с расходимостью выходного пучка 4,5-5 мрад. Из данных, представленных на Рис. 11, видно, что излучение с полуконфокальным резонатором выводится с высоким электрооптическим КПД - до 20%. С целью уменьшения расходимости выходного пучка радиус кривизны глухого зеркала был увеличен до 30 м. В результате получена генерация, соответствующая смешанной моде 3-го порядка с расходимостью 2,5-3 мрад. При этом КПД генерации снизился до 17% на номинальной мощности. Дальнейшее увеличение радиуса кривизны глухого зеркала делает резонатор слишком чувствительным к тепловым деформациям оптических элементов и конструкции резонатора в целом, а также ведет к снижению КПД генерации.

К преимуществам многомодового режима генерации мощно отнести высокий электрооптический КПД (до 20%) и однородное распределение интенсивности по сечению пучка в ближней и дальней зонах. Расходимость пучка в этом режиме в 5-10 раз выше дифракционного предела. Такое качество излучения подходит для термообработки и, в некоторых случаях, для сварки, однако оно непригодно для резки и для сварки с глубоким проникновением, особенно в случае цветных металлов.

Для того, чтобы получить одномодовое излучение в устойчивом резонаторе (ТЕМ00 моду) нужно уменьшить апертуру с помощью диафрагмы диаметром менее 20 мм. При таком уменьшении апертуры и объема, заполненного излучением моды, выходная мощность снижается до уровня 1,5 кВт. При этом качество излучения обычно не превышает M2 = 1.3 из-за искажений, вызванных дифракцией на диафрагме и генерацией моды более высокого порядка.

Высокая оптическая однородность активной среды, получаемой с помощью РПТ-ЕИР, позволяет получать пучки с высоким качеством излучения и с приемлемым КПД путем применения специальных схем оптических резонаторов. В следующей Главе представлены результаты экспериментов, направленных на получение на базе лазера “Лантан-5” пучка мощностью до 5 кВт с качеством излучения, близким к дифракционному пределу, с помощью неустойчивого резонатора с частично прозрачным выходным зеркалом с переменным по радиусу коэффициентом отражения (или ВРМ — от английского variable reflectivity mirror (VRM) — зеркало с переменным коэффициентом отражения)[11].

4. Получение пучка с характеристиками, близкими к дифракционному пределу, с помощью неустойчивого резонатора с ВРМ.

Для активной среды лазера “Лантан-5” характерно число Френеля NF = 8 и коэффициент усиления малого сигнала 0,5% на см. В таких условиях часто используют конфокальный неустойчивый резонатор положительной ветви с дифракционным выводом излучения в виде кольца.

Основным недостатком резонатора такого типа является снижение качества излучения при небольшом значении параметра увеличения (М<2), проявляющееся в уширении фокального пятна, а также в неравномерном распределении интенсивности излучения в поперечном сечении пучка в ближней зоне и в области фокального пятна. Эти явления изучались Ананьевым[22] и Сигменом[23].

Перспективным способом обойти эти затруднения является использование частично прозрачного выходного зеркала в обычном неустойчивом резонаторе. Успешные опыты проводились с зеркалом с переменным по радиусу коэффициентом отражения (ВРМ)[24], с зеркалом с компенсацией фазы[17], а также просто с частично прозрачным зеркалом[25].

Авторы решили применить технику ВРМ при мощностях излучения до 5 кВт. Зеркало с супергауссовым профилем коэффициента отражения было изготовлено в Научно-исследовательском центре по технологическим лазерам Российской Академии Наук (теперь ИПЛИТ РАН).

Неустойчивый резонатор положительной ветви для лазера “Лантан-5” был спроектирован на основе конфигурации, близкой к конфигурации устойчивого резонатора, показанной на Рис. 10. В случае неустойчивого резонатора плоское выходное зеркало заменялось на выпуклое зеркало с радиусом кривизны - 20 м с супергауссовым профилем коэффициента отражения. Глухое зеркало имело радиус кривизны 35 м, что давало параметр увеличения неустойчивого резонатора М=1,75.

Радиальный профиль коэффициента отражения выходного зеркала R(r) был близок к супергауссову, задаваемому соотношением

где Ra = 0.68, n = 4, = 13.5 мм.

Переменный по радиусу коэффициент отражения ВРМ был получен путем напыления на подложку из просветленного селенида цинка отражающего слоя с переменной по радиусу толщиной покрытия. Полное поглощение излучения в зеркале составляло 0,2-0,25% при номинальной мощности.

Результат расчета в приближении геометрической оптики профиля интенсивности излучения в ближней зоне в отсутствие усиления в активной среде показан на Рис. 12 сплошной линией, там же приведены экспериментальные точки, полученные при выходной мощности 4 кВт. Пунктирной линией на Рис. 12 представлено распределение интенсивности гауссова пучка того же диаметра

(эквивалентного гауссова пучка) в ближней зоне. Идеальный гауссов пучок и рассматриваемый реальный пучок считаются эквивалентными, если одинаковые по размерам поперечные сечения этих двух пучков в ближней зоне содержат по 86,5% (1-1/е2) полной мощности каждого из пучков.

Видно, что профиль интенсивности в ближней зоне полученный с помощью ВРМ-резонатора довольно гладкий и однородный. Различие между теоретическим и экспериментальным профилями лежит в пределах точности теоретического приближения. Диаметр луча несколько возрастает при увеличении мощности, что соответствует изменению свойств активной среды при увеличении усиления.

Сплошная линия на Рис. 13 представляет собой теоретический расчет углового распределения интенсивности в дальней зоне при известном распределении интенсивности в ближней зоне в предположении плоского волнового фронта с учетом фазового искажения, возникающего при прохождении частично прозрачного слоя переменной толщины ВРМ. Прямоугольники показывают угловое распределение интенсивности в дальней зоне полученное путем измерения распределения интенсивности в пятне излучения, сфокусированного линзой с фокусным расстоянием 14 м. Оба профиля нормированы на единицу по интенсивности на оси для сравнения соотношения интенсивностей на оси и в первом дифракционном кольце (крыльях). Если бы эти распределения были нормированы по мощности, интенсивность на оси экспериментальной кривой должна быть ниже, поскольку центральный пик экспериментальной кривой выглядит более широким, чем теоретический. Тем не менее, измерения распределения интенсивности в дальней зоне методом калиброванных диафрагм показали, что около 80 % полной мощности излучается в телесном угле 0,3 мрад (половинный угол), что соответствует теоретически предсказанной величине.

Принимая во внимание ошибки измерения, можно утверждать, что осевая яркость излучения, полученного с помощью ВРМ-резонатора (интенсивность центрального пика распределения в дальней зоне), в 1,7-1,9 раз ниже осевой яркости эквивалентного гауссова пучка (пунктирные линии на Рис. 12,13).

На Рис. 14 показана зависимость мощности излучения на выходе ВРМ-резонатора от мощности, вкладываемой в разряд лазера “Лантан-5”. На номинальной мощности достигнут электрооптический КПД 13%. Дифференциальный КПД достигает 17%, пороговая мощность разряда, соответствующая началу генерации — 7,5 кВт. Из значения пороговой мощности следует (в сравнении с результатами, представленными на Рис. 11), что мощность потерь излучения через выходное зеркало составляет 0,8 от полной мощности излучения, падающего на выходное зеркало, а величина обратной связи — 0,2. последняя величина соответствует полученной теоретически в приближении геометрической оптики.

Чувствительность к разъюстировке была средней, профиль интенсивности в ближней зоне при разъюстировке оставался гладким, образования так называемых “горячих точек” не наблюдалось. Эффект теплового клина, характерный для активных сред с быстрой поперечной прокачкой, был мал и не сказывался на основных результатах экспериментов.

Как видно, КПД в случае ВРМ-резонатора ниже, чем в случае полуконфокального устойчивого резонатора в многомодовом режиме в аналогичных условиях (ср. с Рис. 11). Это обусловлено, в частности, низким порядком супергауссовой моды, возбуждаемой в резонаторе. Различие в электрооптическом КПД в случае супергауссовой моды высокого и низкого порядка наблюдалось экспериментально Серри с сотр[24].

Несмотря на больший электрооптический КПД, тем не менее, супергауссова мода более высокого порядка имеет худшее качество излучения, чем мода низкого порядка. Если сравнить, например, результаты для супергауссовой моды с n = 4 и с n = 8, полученные в [24], видно, что распределение интенсивности в дальней зоне во втором случае имеет более интенсивные крылья, чем в первом.

Экспериментальные результаты с ВРМ-резонаторами, описанные в литературе [24, 26], как и данные настоящих экспериментов, свидетельствуют, что распределение интенсивности в дальней зоне отличается более интенсивными крыльями, чем это следует из теоретических расчетов в геометрооптическом приближении, в которых не учитываются эффекты искажения фазы. Очевидно, это противоречие свидетельствует о наличии искажений фазы выходящего из резонатора пучка, а вопрос заключается в том, что является источником этих искажений.

В нашем случае приближение геометрической оптики использовалось, чтобы получить распределение интенсивности излучения на выходном зеркале внутри резонатора. Профиль интенсивности выходного пучка получался таким образом из вычисленного распределения интенсивности внутри резонатора на выходном зеркале и известного распределения коэффициента отражения ВРМ. Волновой фронт пучка, падающего внутри резонатора на выходное зеркало при этом считался плоским. Профиль фазы выходного пучка определялся как сдвиг фазы в отражающем слое переменной толщины, образующем отражающее пятно на выходном зеркале. Как можно видеть из Рис. 13, профиль интенсивности в дальней зоне, вычисленный в этих приближениях, близок к наблюдаемому экспериментально: как теоретический, так и экспериментальный график имеют почти одинаковое соотношение между интенсивностью центрального пика и крыльев соответствующего распределения. Этот факт показывает полезность такого рода упрощенного теоретического рассмотрения.

Как следствие, настоящие результаты позволяют сделать заключение, что искажение фазы в отражающем слое переменной по радиусу толщины является основным ограничением, препятствующим дальнейшему улучшению характеристик ВРМ-резонатора.

Данные эксперименты демонстрируют возможность генерации пучка мощностью 5 кВт с расходимостью, близкой к дифракционному пределу, в технологическом лазере с быстрой поперечной прокачкой с ВРМ-резонатором с супергауссовым профилем коэффициента отражения. Полученные результаты близки к достигнутым Такенакой с сотр.[17] с выходным зеркалом с согласованной фазой и активной средой, возбуждаемой безэлектродным разрядом переменного тока средней частоты, и находятся в хорошем согласии с результатами расчета на основе приближения геометрической оптики с учетом фазового сдвига в слое переменной толщины. Хорошее согласие между теорией и экспериментом свидетельствует, в частности, о высоком оптическом качестве активной среды, возбуждаемой РПТ-ЕИР, используемой в данных экспериментах.

5. Заключение

Экспериментальные результаты, представленные в данной работе, показывают преимущества применения РПТ-ЕИР в технике мощных технологических лазеров с высоким качеством излучения.

В заключение, рассмотрим в сравнении некоторые методы накачки мощных СО2-лазеров с быстрой поперечной прокачкой, которые могут рассматриваться в качестве альтернативы методу РПТ-ЕИР.

1. Разряд с ионизацией электронным пучком12. Несмотря на очевидные преимущества, этот метод не получил широкого применения в технологических целях из-за трудностей, связанных с вводом электронного пучка в газ, а также с необходимостью защиты от рентгеновского излучения.

2. Безэлектродный (емкостной) разряд переменного тока (частота до 100 кГц) применялся в лазерах ML-105,-108 мощностью 5 и 9 кВт производившихся фирмой MLI Lasers Ltd., Израиль13. В настоящее время эти лазеры не производятся. Вместо них некоторое время выпускалась модель ML-5000 мощностью 5 кВт с ВЧ-возбуждением14.

3. Удельные характеристики ВЧ-разрядов (частота от 10 до 100 МГц и выше) близки к характеристикам разрядов с ионизацией электронным пучком[15]. Известно несколько экспериментальных установок с разрядом такого типа, использующих схему быстрой поперечной прокачки[15,16], а также один-два примера мелкосерийного производства мощных технологических СО2-лазеров с разрядом этого типа[14].

Широкое применение ВЧ-разрядов в лазерах с быстрой поперечной прокачкой сдерживается проблемами технического и экономического характера, связанными с технологией ВЧ-разряда большой мощности. С этой точки зрения более приемлемым вариантом оказывается емкостной разряд переменного тока повышенной частоты (100 кГц - 1 МГц )17 для использования в лазерах с быстрой поперечной прокачкой мощностью до 10 кВт. Этот метод может рассматриваться в качестве компромиссного между разрядом переменного тока и емкостным ВЧ-разрядом. В настоящее разряд переменного тока повышенной частоты применяется в лазерах с быстрой поперечной прокачкой, производимых фирмой Рофин-Синар. Лазеры характеризуются выходной мощностью до 8 кВт при среднем качестве излучения, пригодном для сварки и термообработки.

4. В случае РПТ-ЕИР многие из проблем, связанных с применением разрядов, указанных выше, отсутствуют: мощность в разряд вкладывается, в основном, с помощью безопасного, недорогого и надежного разряда постоянного тока; средняя по времени нагрузка на диэлектрические пластины, через которые вводится напряжение импульсно-периодического разряда, невелика; кроме того, не требуется защиты от опасных излучений. Вместе с тем, удельная вкладываемая мощность РПТ-ЕИР меньше, чем в случае ВЧ-разряда, или разряда с ионизацией электронным пучком. Параметры РПТ-ЕИР можно существенно увеличить путем применения более мощных импульсных генераторов. Очень важным также является оптимальный выбор параметров диэлектрических пластин (см. выражение (1.3)).

Не исключено, что технологию РПТ-ЕИР можно успешно применить для накачки лазеров с диффузионным охлаждением активной среды в геометрии плоского волновода, или “щелевых” лазеров, в которых традиционно применяется ВЧ разряд с частотой более 100 МГц. Геометрически схема расположения электродов такого разряда может выглядеть подобно изображенной на Рис. 5, но при этом диэлектрические пластины должны быть сближены настолько, чтобы обеспечить диффузионное охлаждение.

На этом пути возникает целый ряд проблем. Одна из них связана со значительно большими плотностями токов и концентрацией электронов, необходимых для эффективной накачки лазерных уровней в узком зазоре. В условиях, типичных для щелевого лазера мощностью 1 кВт с ВЧ-накачкой[27], удельный энерговклад в единицу объема составляет 60 Вт/см³ — примерно на порядок больше, чем в случае лазера с быстрой поперечной прокачкой (см. Таблицу 2). Для того, чтобы достичь такой плотности мощности с помощью разряда постоянного тока, требуется плотность тока 250 мА/см². Из сравнения с данными Таблицы 2 можно заключить, что для того, чтобы получить требуемую для этого степень ионизации, плотность импульсного тока ЕИР нужно довести до 600 мА/см². При площади электродов 9.5x77 см², как в[27], полный импульсный ток составит 500 А, что в несколько раз больше, чем в лазере “Лантан-5”.

Тем не менее, ионизация емкостным импульсным разрядом в узком зазоре может быть более эффективной, чем в большом объеме, из-за приэлектродных процессов, ответственных за образование фарадеева темного пространства в обычном тлеющем разряде. Для ЕИР типичная толщина приэлектродных слоев (включая темный слой с повышенной плотностью электронов, аналогичный фарадееву темному пространству) составляет 10-15 см х Торр в лазерных смесях, что практически совпадает с межэлектродным зазором щелевого лазера (0,2 х 70 = 14 см х Торр) см х Торр[27]. Эффект образования темного пространства с низким полем и высокой плотностью электронов, который препятствует применению g-формы ВЧ-разряда в щелевых лазерах, может быть полезен в случае РПТ-ЕИР. В любом случае, возможность применения РПТ-ЕИР для накачки щелевых лазеров очень интересна и актуальна для дальнейшего исследования.

6. Литература