ВМЛИВ научные исследования

Штат/Сотрудничество

Научные исследования

Практические применения

Публикации

---

Научные исследования

Непрерывные СО2-лазеры с быстрой аксиальной прокачкой газа (БАПГ) относятся к основному типу технологических лазеров киловаттного диапазона мощности. Использование быстрой продольной прокачки активной среды через разрядный промежуток дало принципиальную возможность получения излучения высокого качества киловаттного уровня на установках приемлемых габаритов.

	1 – компрессор, 2 – газоразрядная трубка, 3 –  резонатор, 4 – теплообменник. Принципиальная схема газового лазера с быстрой аксиальной прокачкой.|}   Обладая рядом хорошо известных преимуществ перед другими технологическими лазерами, такие лазеры имеют свои особенности, одна из которых – радиальная неоднородность скорости прокачки, температуры и параметров усиления, что обусловлено особенностями формирования разряда в быстром потоке газа, проходящем через газоразрядные трубки (ГРТ), ограниченного поперечного размера.   1.     Были проведены исследования особенностей формирования разряда в БАПГ СО2-лазере. Установлено, что радиальная неоднородность усиления в непрерывных БАПГ СО2‑лазерах, обусловленная радиальной неоднородностью распределения температуры и сжатием продольного разряда к осевой области газоразрядной трубки, может оказывать влияние на энергетические параметры излучения. В частности, экспериментально и теоретически показано, что такая неоднородность вызывает насыщение роста коэффициента усиления слабого сигнала с увеличением полного тока в газоразрядных трубках и приводит к снижению степени роста выходной мощности излучения гауссового пучка с ростом энерговклада. При этом усредненные по объему газоразрядной трубки параметры активной среды недостаточно полно описывают энергетические характеристики лазера. Разработан метод расчета распределения по радиусу трубки концентрации электронов в положительном столбе самостоятельного разряда с учетом объемной рекомбинации при наличии отрицательных ионов и проявлении турбулентной диффузии в потоке газа.     2.     Разработана методика расчета генерационных характеристик БАПГ СО2-лазера на основе одномерной кинетической модели с учетом радиальной неоднородности накачки и температуры.   3.     Исследован эффект образования термической расфокусирующей линзы вблизи оптической оси БАПГ СО2-лазера. Основной причиной образования такой крупномасштабной оптической неоднородности является радиальная неоднородность самостоятельного разряда постоянного тока в газоразрядных трубках ограниченного поперечного размера. Такая термическая расфокусирующая линза оказывает влияние на параметры гауссова пучка и дифракционные потери для мощных БАПГ СО2-лазеров ее роль возрастает с увеличением мощности лазера, вследствие зависимости тепловыделения в усиливающей среде от интенсивности излучения.   Важной характеристикой лазера является пространственная яркость его излучения, а, следовательно, оптическое качество активной среды лазера. Существенным фактором, влияющим на качество лазерного пучка мощных БАПГ СО2-лазеров, являются мелкомасштабные неоднородности коэффициента рефракции активной среды, возникающие из-за турбулентности газового потока.   1.     Методом люминесцентной диагностики были проведены измерения турбулентных пульсаций плотности активной среды БАПГ СО2-лазера с накачкой продольным тлеющим разрядом постоянного тока и БАПГ СО2- лазера с накачкой поперечным ВЧ разрядом. Для различных величин энерговкладов в присутствии и отсутствии излучения экспериментально получены спектры продольных пульсаций плотности активной среды в зависимости от различных величин плотности мощности энерговклада в разряд, в присутствии и отсутствии лазерной генерации. Показано, что в неравновесных условиях газового разряда и лазерной генерации в турбулентном потоке активной среды при превышении порогового значения плотности мощности энерговклада происходит возрастание амплитуд флуктуаций плотности и соответствующее увеличение структурной характеристики показателя преломления среды. Установлено также, что вдоль по потоку активной среды пульсаций плотности активной среды возрастают.     2.     Предложена методика оценки порога удельной мощности энерговклада, при превышении которого наблюдается рост пульсаций плотности газа с ростом величины энерговклада, что может привести к существенному ухудшению качества выходного излучения БАПГ СО2-лазера. Установлено, что ионизационно-перегревная неустойчивость плазмы положительного столба газового разряда является основной причиной роста турбулентных пульсаций плотности газа в случае самостоятельного разряда.   Эффект рассеяния внутрирезонаторного излучения на мелкомасштабных неоднородностях показателя преломления турбулентной активной среды приводит к возникновению флуктуаций фазы и амплитуды выходного пучка, тем самым, понижая его качество.   Разработана расчетная модель распространения излучения в неустойчивом резонаторе с турбулентной активной средой, смоделированной в приближении Кармана для спектра турбулентных пульсаций показателя преломления.. Исследовалось влияние на распределения интенсивности и фазы выходного излучения эффекта светорассеяния внутрирезонаторного излучения на турбулентных пульсациях потока активной среды для случая неустойчивого резонатора. В результате расчетов продемонстрировано, как с ростом турбулентности распределение поля становится все более изрезанным, и угловая расходимость выходного излучения растет.   Другое направление исследований лаборатории - кислородно-лазерная резка металлов и их сплавов излучением мощных СО2- лазеров. В частности, разработана технология лазерной резки стали с использованием в качестве вспомогательного газа смеси кислорода с инертным газом.   Полученные экспериментальные результаты хорошо согласуются со сделанными оценками для основных параметров процесса окисления металлов и их сплавов в таком режиме реза. Полученная экспериментальная зависимость максимальной скорости резания от концентрации кислорода содержит практически важные данные о влиянии кислорода на эффективность резки и ее качество. Такая зависимость для конкретного металла и его сплавов позволяет определять оптимальные концентрации кислорода, соответствующие наибольшим скоростям резания при максимальном качестве. При этом из-за недостатка кислорода уменьшается эффективность резки, а его избыток ведет к понижению качества резания, что, как правило, сопровождается увеличением ширины реза. Установлено, что качество резки, определяемое по размерам гратов, имеет максимум при концентрации кислорода, с которой начинается насыщение скорости резания. Предложено оптимизировать кислородно-лазерную резку по скорости и качеству, получая экспериментальную зависимость максимальной скорости резки от концентрации кислорода в смеси для каждого конкретного металла или сплава.