Лазерное генераторно-усилительное устройство одномодового излучения для термической обработки материалов

 

Изобретение относится к лазерному генераторно-усилительному устройству одномодового излучения для термической обработки материалов. Устройство содержит генератор с пассивным лазерным затвором и расположенный за ним по ходу светового пучка (СП) усилитель (У) с выходным выпуклым зеркалом и с активным элементом, дополнительный У с выходным выпуклым зеркалом и активным элементом, светоделитель и оптическую систему (ОС), объектив для фокусирования СП. У соединены параллельно, СП генератора делится светоделителями и направлен на входу У. У направлены в одну точку, расположенную в фокусе ОС, а угол схождения определяют из приведенного соотношения. Изобретение позволяет увеличить плотность мощности излучения в зоне лазерного воздействияи повысить ресурс работы устройства. 1 ил.

Изобретение относится к обработке материалов лазерным излучением и может быть использовано в машиностроении для поверхностного упрочнения изделий из металлов и сплавов, для лазерной резки, сварки, наплавки, для очистки поверхности и других видов обработки материалов.

Известен трехкаскадный усилитель одномодового излучения ИАГ: Nd-лазера, задающий генератор которого состоит из активного элемента (АЭ) и пассивного лазерного затвора (ПЛЗ) на кристалле LiF:F₂^- расположенных в линейном неустойчивом резонаторе между выпуклым глухим и плоским пропускающим выходным зеркалом [1] Недостатком данного устройства является ограничение мощности лазерного излучения вследствие применения однопроходного усилителя.

Известно лазерное генераторно-усилительное устройство одномодового излучения для термической обработки материалов, содержащее генератор с ПЛЗ, расположенные за ним по ходу светового пучка усилитель с выпуклым выходным зеркалом, объектив, фокусирующий лучи на поверхности обрабатываемого изделия [2] Недостатком этого устройства является ограничение плотности мощности излучения в зоне лазерного воздействия, обусловленное невозможностью применения большого числа АЭ в усилителе. Этот недостаток связан со значительными потерями мощности излучения ввиду невозможности полной компенсации термолинз, наведенных в АЭ, а также вследствие насыщения усиления в АЭ усилителя.

Другим недостатком данного устройства является резкое снижение ресурса работы АЭ при увеличении мощности излучения, что обусловлено разрушением торцов АЭ и деградацией рабочих центров люминесценции в АЭ.

Цель изобретения увеличение плотности мощности излучения в зоне лазерного воздействия и повышение ресурса работы устройства.

Это достигается тем, что устройство снабжено по крайней мере одним дополнительным усилителем, светоделителем и оптической системой, при этом усилители соединены параллельно, излучение генератора делится светоделителями и направлено на входы усилителей, излучение усилителей направлено в одну точку, расположенную в фокусе оптической системы, а угол схождения определяется из соотношения: tgϕ≅ (D d)/F, (1) где ϕ- угол схождения лучей; D диаметр апертурной диафрагмы оптической системы; d- диаметр луча парциального усилителя в месте расположения апертурной диафрагмы; F фокусное расстояние оптической системы.

Модуляция добротности ИАГ: Nd-лазера с линейным 3-зеркальным резонатором кристаллами LiF:F₂^-.

Предлагаемое устройство можно быть изготовлено на базе серийно выпускаемых твердотельных технологических лазеров как с непрерывной накачкой типа ЛТН-103, ЛТН-120, так и импульсно-периодической накачкой типа ЛИТ-100, ЛТИ-130, ЛИТ-500. Каждый из указанных лазеров состоит из двух квантронов и позволяет получить среднюю мощность многомодового излучения от 200 до 500 Вт.

Предлагаемое устройство можно собрать по модульной схеме, где любой из указанных лазеров используют как отдельный модуль: один как задающий генератор с ПЛЗ, а другой как усилители.

Если излучение отдельных N модулей некогерентное (несфазированное), то максимальная плотность мощности на мишени в N раз больше плотности мощности, получаемой от отдельного модуля. Когда излучение всех модулей когерентно, максимальная плотность мощности на мишени оказывается в N² раз больше, чем для отдельного модуля.

В предлагаемом устройстве частотная и фазовая синхронизация лазерных модулей осуществляется путем инжекции излучения эталонного задающего генератора в набор усилителей, а также благодаря введению оптической связи между лазерными модулями с помощью светоделителей.

Оптическая система, преобразующая сходящиеся от парциальных усилителей когерентные лучи в параллельный пучок, может быть выполнена на основе собирающей или рассеивающей линзы, вогнутого или выпуклого зеркала. В этом случае диаметр апертурной диафрагмы совпадает с диаметром линзы (или зеркала), а ее положение с главной плоскостью линзы (зеркала).

Для реализации одномодового режима генерации с минимальной расходимостью и гауссовым профилем распределения интенсивности радиус кривизны выпуклого зеркала и его положение относительно АЭ выбирают из условия соответствия диаметра пятна нулевой моды и диаметра АЭ. В этом случае термолинза, наведенная в АЭ, и выпуклое зеркало образуют телескопическую систему.

Известно, что расстояние главной плоскости термолинзы от торца АЭ _h l/2n, где l длина АЭ; n показатель преломления. Телескопическая система лазерного модуля реализуется при выполнении условия: f R + C + l/2n, (2) где f фокусное расстояние термолинзы, наведенной в АЭ, определяемое экспериментально; R радиус кривизны выпуклого зеркала; С расстояние между вершиной зеркала и торцом АЭ.

Радиус кривизны выпуклого зеркала выбирают из условия
2 d_o ≅R≅ f l/2n, (3) где d_o диаметр АЭ.

Условие (3) обусловлено тем, что R_max f l/2n при С 0. При R < d_о резко вырастают дифракционные потери на зеркале и плотность мощности на поверхности зеркала.

При увеличении мощности накачки f уменьшается, поэтому уменьшают расстояние С путем перемещения выпуклого зеркала так, чтобы диаметр пятна нулевой моды равнялся диаметру АЭ, что обеспечивает лучшее заполнение АЭ и, как результат, больший энергосъем и КПД лазера. При этом на люминесцентном экране, расположенном на выходе парциального усилителя, наблюдают с помощью объектива одномодовую структуру излучения с гауссовым профилем распределения интенсивности.

Расстояние между вершиной выпуклого зеркала и торцом АЭ находят по формуле
C f R l/2n. (4)
Так для ИАГ: Nd-лазера с непрерывной накачкой типа ЛТН-103 при f 480 мм, R 400 мм, l 100 мм, n 1,816, С 52 мм.

Лучи от парциальных усилителей направлены в одну точку, расположенную в фокусе оптической системы (например, собирающей линзы), а угол схождения лучей удовлетворяет условию (1). Чем меньше ϕ, тем уже результирующий пучок. Минимальное значение ϕ ограничено конструктивными размерами лазерного устройства и может быть уменьшено с помощью вспомогательных поворотных зеркал. При tg ϕ> (D d)/F происходит потеря лазерного излучения, так как некоторая часть его не падает на оптическую систему, например, при D 40 мм, d 6 мм, F 100 мм, ϕ≅19^о.

При многомодовом режиме генерации расходимость лазерного излучения составляет 10-20 мрад. поэтому выполнение условия (1) связано со значительными потерями мощности излучения и невозможностью преобразования пучка лучей от парциальных усилителей в один параллельный пучок. При использовании неустойчивого резонатора с выпуклым зеркалом и выполнении условий (3), (4) достигается одномодовый режим генерации с расходимостью излучения 1-2 мрад, т.е. на порядок меньше, чем в многомодовом режиме. Поэтому реализация условия (1) при преобразовании сходящегося пучка от парциальных усилителей в один параллельный пучок сопровождается минимальными потерями мощности лазерного излучения. Этот параллельный пучок можно направить на значительное расстояние и последующая фокусировка его на поверхности обрабатываемого изделия позволяет получать пятно малого размера с плотностью мощности в N² раз выше, чем от отдельного парциального усилителя. Это обусловлено тем, что излучение парциальных усилителей является высококогерентным и сфазированным с помощью эталонного задающего генератора с ПЛЗ. В предлагаемом устройстве длина когерентности лазерного излучения, измеренная с помощью интерферометра Майкельсона, составляет 15-20 см, что соответствует ширине спектра генерации 5-7 пм.

Преимуществом предлагаемого устройства является также увеличение ресурса работы в 5-10 раз на уровне уменьшения мощности излучения на 50% при большой мощности накачки. Это обусловлено более низкими тепловыми и оптическими нагрузками на активные элементы при параллельном соединении их по сравнению с последовательным соединением.

Указанные преимущества возрастают при увеличении числа лазерных модулей и их мощности, например, при аддитивном сложении излучения от пяти модулей лазера ЛИТ-500 и фокусировке его в пятно площадью 1 мм² среднее значение плотности мощности в пятне составит 2,5 кВт/мм². Среднее значение мощности излучения одного модуля 500 Вт, частота накачки 150 Гц, среднее значение импульса излучения 3,3 Дж, поэтому среднее значение плотности энергии в пятне составит 16,5 Дж/мм².

При использовании пяти модулей лазера ЛИТ-500 в предлагаемом устройстве средняя мощность одномодового модулированного излучения на выходе каждого из 4-х усилителей составит порядка 400 Вт, но суммарная плотность мощности в зоне лазерного воздействия в 16 раз выше, чем от отдельного парциального усилителя, т. е. достигает 6,4 кВт/мм² или в 2,5 раза больше, чем при аддитивном соединении пяти модулей, при этом плотность энергии составит 41 Дж/мм².

Предлагаемое устройство позволяет изменять временные и энергетические параметры лазерного излучения в широких пределах путем изменения начального пропускания ПЛЗ и мощности накачки. При непрерывной накачке излучение состоит из отдельных эквидистантных импульсов длительностью от 100 нс до 500 нс и частотой следования 1-10 кГц. При импульсно-периодической накачке генерируются цуги импульсов излучения, следующие с частотой накачки. Цуги состоят из отдельных эквидистантных импульсов. Длительность импульса в цуге определяется временем релаксации возбужденного состояния рабочих центров в ПЛЗ, его пропусканием и длиной резонатора. Для ПЛЗ на кристалле LiF F₂ ^- длительность импульсов в цуге можно изменять в пределах 100-300 нс, а частоту их следования от 1 кГц до 1 МГц. Мощность одного импульса модулированного излучения можно изменять в пределах от 10 кВт до 10 МВт.

В прототипе возможно последовательное соединение не более двух модулей лазера ЛИТ-500 из-за невозможности компенсации термолинз, наведенных в АЭ при большом их числе. Это приводит к значительным потерям излучения в линейном резонаторе и большим тепловым и оптическим нагрузкам на АЭ при насыщении усиления, поэтому достижение средней мощности излучения более 800 Вт затруднено. Предлагаемое устройство из N усилителей позволяет получить плотность мощности на поверхности обрабатываемого изделия в N² раз больше по сравнению с прототипом благодаря сфазировке когерентного излучения параллельных парциальных усилителей.

Временную и пространственную когерентность излучения устройства определяют с помощью интерферометра Майкельсона, добиваясь максимальной видности интерференционной картины, наблюдаемой на люминесцентном экране.

На чертеже приведена оптическая схема лазерного генераторно-усилительного устройства одномодового излучения для термической обработки материалов.

Устройство содержит закрепленные неподвижно на основании по ходу световых лучей глухое зеркало 1, ПЛЗ 2, выпуклое концевое пропускающее зеркало 3, активные элементы 4, 5, пропускающее зеркало 6, светоделители 7-9, плоские глухие зеркала 10-14, активные элементы 15-22, выпуклые пропускающие зеркала 23-26, глухие плоские зеркала 27-30, оптическую систему 31, объектив 32, обрабатываемое изделие 33.

Устpойство работает следующим образом. Лазерное излучение, возникающее при оптической накачке АЭ 4, 5, частично проходит через концевое пропускающее зеркало 3, попадает на ПЛЗ 2 и отражается от глухого зеркала 1. Вследствие периодического самопросветления ПЛЗ возникает затравочный импульс излучения, длительность которого определяется временем релаксации возбужденного состояния рабочих центов ПЛЗ и его начальным пропусканием. Этот импульс проходит через концевое зеркало 3 и АЭ 4, 5, усиливаясь после многократного отражения между зеркалами 3 и 6. Возникающее таким образом мощное модулированное одномодовое излучение выводится через пропускающее выходное зеркало 6 задающего генератора и делится по амплитуде светодителем 7-9 на четыре равных по интенсивности пучка, которые с помощью поворотных зеркал 13, 14 направлены на входы параллельных парциальных усилителей.

Оптическая накачка АЭ 15-22 парциальных усилителей приводит к усилению излучения задающего генератора. Одна часть этого излучения выводится через пропускающие зеркала 23-26, а другая часть отражается от этих зеркал, проходит через АЭ 15-22 и затем через светоделители 7-9 с помощью вспомогательных зеркал 10-14 возвращается в задающий генератор. Обратная оптическая связь между задающим генератором и усилителями улучшает сфазирование их излучений. Когерентное одномодовое излучение парциальных усилителей с помощью зеркал 27-30 направлено в одну точку, расположенную в фокусе оптической системы 31 (например, собирающая линза), преобразуется в узкий параллельный пучок, который фокусируется затем объективом 32 на поверхности обрабатываемого изделия 33.

Таким образом, ПЛЗ и АЭ 4, 5 являются составной частью эталонного задающего генератора, а АЭ 15-22 служат парциальными усилителями. Сфазирование их излучений осуществляется с помощью светоделителей 7-9. Когерентное сложение излучений параллельных парциальных усилителей выполняется с помощью оптической системы 31 и объектива 32. Расположение ПЛЗ в задающем генераторе между глухим зеркалом 1 и концевым пропускающим зеркалом 3 позволяет повысить эффективность модуляции до 0,9 благодаря тому, что через ПЛЗ проходит незначительная часть лазерного излучения, необходимая только для его периодического самопросветления. Это сопровождается малыми потерями энергии и определяет более высокий КПД лазера. Таким образом, расположение ПЛЗ между зеркалами 1 и 3 позволяет наилучшим образом реализовать цель изобретения, хотя когерентное одномодовое излучение генератора можно получить с помощью выпуклого глухого зеркала без применения концевого зеркала 3.

Для сфазирования излучения парциальных усилителей достаточно инжекции в них эталонного излучения задающего генератора, поэтому применение зеркал 23-26 является желательным, но не обязательным атрибутом предлагаемого устройства, а зеркала 10-14 и 27-30 выполняют в нем вспомогательную роль.

Формула изобретения

ЛАЗЕРНОЕ ГЕНЕРАТОРНО-УСИЛИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ОДНОМОДОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ, содержащее генератор с пассивным лазерным затвором и расположенный за ним по ходу светового пучка усилитель с выходным выпуклым зеркалом и активным элементом, объектив для фокусировки лучей на поверхность обрабатываемого изделия, отличающееся тем, что оно снабжено по крайней мере одним дополнительным усилителем с входным выпуклым зеркалом и активным элементом, светоделителем, оптической системой, при этом усилители размещены параллельно, а угол схождения лучей светового пучка в одну точку, расположенную в фокусе оптической системы, определяется из соотношения
tgϕ ≅ (D-d)/F ,
где ϕ угол схождения лучей;
D диаметр апертурной диафрагмы оптической системы;
d диаметр луча парциального усилителя в месте расположения апертурной диафрагмы;
F фокусное расстояние оптической системы.

РИСУНКИ

Рисунок 1