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. Рис 1. 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. Рис 2. Радиальное распределение плотности тока в ГРТ (расчет), при удельном энерговкладе: 1. W=6 Вт/cм3, 2. W=8,5 Вт/cм3, 3. W=10,8 Вт/cм3, 4. W=12,9 Вт/cм3.     2.     Разработана методика расчета генерационных характеристик БАПГ СО2-лазера на основе одномерной кинетической модели с учетом радиальной неоднородности накачки и температуры. Рис 3. Распределение усиления активной среды вдоль ГРТ при W=12,5 Вт/cм3 (расчет). 1. I=0 Вт/cм2; 2. I=350 Вт/cм2 3. I=700 Вт/cм2   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.   Рис. 4 Зависимость амплитуды относительных пульсаций плотности газа от пространственного масштаба турбулентных пульсаций для случая продольной накачки самостоятельным разрядом постоянного тока (1 12 Вт/см3, 2 – 15.5 Вт/см3, 3 19 Вт/см3, 4 - 22 Вт/см3).   Рис. 5 Зависимость амплитуды относительных пульсаций плотности газа от пространственного масштаба турбулентных пульсаций для случая поперечной потоку газа ВЧ накачки (1 21 Вт/см3, 2 - 25 Вт/см3, 3 30 Вт/см3). 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. Рис 6. Зависимость ширины реза от концентрации кислорода в смеси. Сталь 40X13, ширина листа 5 мм. P=10 бар. 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.