Лазерное устройство одномодового модулированного излучения для термической обработки материалов

 

Изобретение относится к лазерному устройству одномодового модулированного излучения для термообработки материалов. Устройство содержит установленные по ходу светового пучка выпуклое глухое зеркало 1, пассивный лазерный затвор (ПЛЗ), вогнутое, пропускное 3, активные элементы 4,5, выходное зеркало задающего генератора, активные элементы 7,8 усилителя, выходное зеркало усилителя ПЛЗ расположен между выпуклым глухим и вогнутым пропускающим концевым зеркалом и выполнен в виде объемной амплитудно-фазовой голографической решетки в форме концентрических окружностей, центр которых совмещен с оптической осью резонатора, а их плоскости ориентированы перпендикулярно этой оси. Изобретение позволяет повысить эффективность модуляции и ресурс работы ПЛЗ, осуществлять плавное изменение временных и энергетических параметров лазерного излучения, уменьшить его расходимость, повысить когерентность и пространственную яркость. 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^-, расположенные 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 также лазерное устройство одномодового модулированного излучения для термической обработки материалов, содержащее пассивный лазерный затвор и один или более активных элементов, расположенных последовательно в линейном неустойчивом многозеркальном резонаторе [2] Недостатком данного устройства является низкая эффективность модуляции и маленький ресурс работы ПЛЗ при высокой мощности накачки АЭ. Это обусловлено тем, что через ПЛЗ проходит значительная мощность лазерного излучения, вызывающего чрезмерные оптические и тепловые нагрузки на ПЛЗ.

Другой недостаток состоит в том, что для изменения энергетических и временных параметров лазерного излучения в широких пределах необходимо иметь набор ПЛЗ с различным начальным пропусканием. Это не позволяет плавно изменять параметры излучения.

Кроме того, устройство не обеспечивает получение излучения с минимальной расходимостью и высокой когерентностью. Это обусловлено тем, что оно не позволяет достаточно надежно выделить нулевую моду.

Отмеченные недостатки существенно ограничивают пространственную яркость лазерного излучения.

Целью изобретения является повышение эффективности модуляции и ресурса работы ПЛЗ, осуществление возможности плавного изменения временных и энергетических параметров лазерного излучения, уменьшение его расходимости, повышение когерентности и пространственной яркости.

Это достигается тем, что ПЛЗ расположен между выпуклым глухим и вогнутым пропускающим концевым зеркалами и выполнен в виде объемной амплитудно-фазовой голографической решетки в форме концентрических окружностей, центр которых совмещен с оптической осью резонатора, а их плоскости ориентированы перпендикулярно этой оси.

Устройство можно выполнить на базе технологических лазеров типа ЛТН-103, ЛТН-120 с непрерывной накачкой или ЛИТ-100, ЛТИ-130, ЛИТ-500 с импульсно-периодической накачкой. Каждый из указанных лазеров состоит из двух квантронов и позволяет получить среднюю мощность многомодового излучения от 200 до 500 Вт с расходимостью 15-20 мрад.

В качестве голографических ПЛЗ используют кристаллы с рабочими центрами окраски, для которых длина волны излучения лазера приходится на спад полосы поглощения, и в кристалле на указанных центрах предварительно образуют объемную амплитудно-фазовую голографическую решетку в форме концентрических окружностей, центр которых совмещают с оптической осью резонатора, а их плоскости ориентируют перпендикулярно этой оси. В качестве рабочих центров можно использовать различные электронные центры окраски, создаваемые в щелочно-галоидных и щелочно-земельных кристаллах путем радиационного или аддитивного окрашивания в парах щелочного металла. Это могут быть N-центры в кристаллах KCl, KBr, NaCl, F^-₂-центры в LiF, Z₂-центры в RbBr ^.Ba и CsJ ^. Eu, Z₄-центры в NaCl ^. Ba, KCl ^. Ca, KCl ^. Ba.

Известно, что дифракционная эффективность (ДЭ) голограммы, записанной на центрах окраски, максимальна на спадах полосы поглощения, где амплитуда модуляции показателя преломления согласно дисперсионным отношениям наибольшая и голограмма является преимущественно фазовой. В максимуме полосы поглощения ДЭ минимальна, так как амплитуда модуляции показателя преломления равна нулю, и голограмма является амплитудной. Поэтому для реализации предлагаемого устройства используют кристаллы с такими рабочими центрами окраски, для которых длина волны излучения лазера приходится на спад полосы поглощения.

В прототипе модуляция добротности резонатора лазера является амплитудной, т. е. периодическое самопросветление ПЛЗ связано с изменением коэффициента поглощения кристалла на рабочей частоте излучения лазера, поэтому сопровождается значительными потерями энергии, поглощаемой в кристалле, его разогревом, деградацией рабочих центров окраски, появлением температурных напряжений в кристалле, приводящим к его расколу при высокой мощности накачки.

В предлагаемом устройстве модуляция добротности лазера является не амплитудной, а фазовой, т.е. основана не на изменении коэффициента поглощения кристалла вследствие насыщения поглощения, а главным образом пространственно-временным изменением показателя преломления в объемной амплитудно-фазовой голограмме. Это приводит к периодическому изменению ДЭ затвора и потерь в резонаторе при значительно более низкой начальной оптической плотности кристалла и малых потерях на просветление ПЛЗ. Расположение ПЛЗ между глухим зеркалом и концевым зеркалами с оптимальным пропусканием приводит к тому, что через ПЛЗ проходит незначительная часть лазерного излучения, необходимая только для его периодического самопросветления. Это сопровождается значительным изменением ДЭ голограммы и модуляцией добротности резонатора лазера.

Основные преимущества предлагаемого устройства по сравнению с прототипом наиболее отчетливо проявляются при использовании импульсно-периодической накачки с высокой пиковой и средней мощностью.

Например, при использовании в предлагаемом устройстве четырех квантронов типа К-301В с АЭ из ИАГ-Nd размером 6,3 х 100 мм, криптоновых ламп накачки ДНП-6/90, модернизированного блока питания от лазера ЛИТ-130, позволяющего плавно изменять частоту накачки от 1 до 30 Гц, генерируются цуги импульсов, следующие с частотой накачки. Цуги состоят из эквидистантных импульсов, длительность которых и частоту следования можно изменять в широких пределах путем изменения угла наклона голограммы к оптической оси резонатора в пределах ее угловой чувствительности (0,5-5^о). ДЭ объемной аплитудно-фазовой голограммы зависит от угла падения на нее света и длины его волны, т.е. голограмма обладает селектирующими свойствами, использование которых позволяет изменять временные и энергетические параметры лазерного излучения, увеличить его когерентность и уменьшить расходимость. Эти свойства гологpаммы зависят от способа ее записи.

Например амплитудно-фазовую голограмму на кристалле LiF:Fe₂^-записывают когерентным излучением ИАГ:Nd-лазера, длина волны которого λ 1064 нм приходится на длинноволновый спад полосы поглощения F₂^--центров. Максимум F₂^--полосы поглощения λ_m 960 нм. Кристалл LiF:F^-₂с начальным пропусканием 3-5% нагревают в темноте до 70-80 , а его температуру стабилизируют при записи голограммы, после чего кристалл быстро охлаждают. При комнатной температуре F₂^--центры оптически стабильны и под действием лазерного излучения переходят в возбужденное состояние с временем релаксации порядка 100 нс. При температуре кристалла более 60^оС происходит диссоциация дырочных центров окраски с образованием подвижных дырок (V_к-центров), которые рекомбинируют с электронами, освобождаемыми при оптическом возбуждении F₂^--центров. Поэтому в интерференционных максимумах скорость фототермического разрушения F₂^--центров во много раз больше, чем в минимумах. Это приводит к образованию амплитудно-фазовой голограммы. Значение ДЭ голограммы 10-15% достигается при увеличении пропускания кристалла до 80-90% В предлагаемом устройстве с голографическим ПЛЗ на кристалле LiF:F₂^- оптическое пропускание концевого зеркала составило 20% выходного зеркала задающего генератора 47% выходного зеркала усилителя 75% При энергии накачки 4-х квантронов 340 Дж с частотой 30 Гц средняя мощность излучения составила 180 Вт, энергия цуга 6 Дж, длительность 200 мкс, КПД 1,75% Длительность импульсов в цуге составила 140 нс, частота их следования 850 кГц, число импульсов в цуге достигало 170, среднее значение энергии импульса в цуге 35 мДж, а среднее значение пиковой мощности 250 кВт. Огибающая цуга имела колоколообразную форму, поэтому максимальное значение пиковой мощности достигало 700 кВт. Эффективность модуляции определенная как отношение средней мощности модулированного излучения к мощности немодулированного излучения, достигала 92% при глубине модуляции, равной 1. Изменяя угол наклона плоскости голограммы к оси резонатора в пределах 0-5^о изменяют ДЭ, а следовательно, глубину модуляции, энергию и мощность импульсов в цуге от нуля до максимума. Длительность импульсов и частота их следования также изменяются.

Среднюю мощность лазерного излучения измеряли с помощью калориметрического прибора ТПИ-2М и цифрового вольтметра Ф-283 с погрешностью 5% Импульсы излучения регистрировали с помощью лавинного фотодиода ЛФД-2А на запоминающем осциллографе С8-14. Длина когерентности модулированного лазерного излучения, измеренная с помощью интерферометра Майкельсона, составила 20 см. Расходимость излучения по уровню половинной мощности составила 0,5 мрад, т.е. в 2,4 раза выше предельной дифракционной расходимости Θ= 1,22 λ/D 0,21 мрад, где D диаметр пучка излучения в ближней зоне (на выходе лазера). Это соответствует параметру качества излучения М² π D Θ /4 λ= 2,5.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет в 4-5 раз уменьшить расходимость излучения и параметр его качества по сравнению с прототипом и в 15-20 раз по сравнению с базовым лазером ЛТИ-130. Применение предлагаемого устройства позволяет в 2 раза увеличить среднюю мощность излучения и КПД лазера за счет увеличения эффективности модуляции с 40 до 92% В сочетании с малой расходимостью излучения его пространственная яркость на порядок выше, чем у прототипа.

Для реализации одномодового режима генерации с минимальной расходимостью и гауссовым профилем распределения интенсивности радиусы кривизны зеркал и их положение в резонаторе выбирают из условия соответствия диаметра пятна нулевой моды и диаметра АЭ. В этом случае термолинза, наведенная в АЭ, и выпуклое зеркало образуют телескопическую систему, которая реализуется при выполнении условия: F R + C + h, где F фокусное расстояние термолинзы, наведенной в АЭ, определяемое экспериментально; R радиус кривизны выпуклого зеркала; С расстояние между вершиной зеркала и торцом АЭ; h l/2n расстояние главной плоскости термолинзы от торца АЭ; l длина АЭ; n показатель преломления АЭ.

При увеличении мощности накачки F уменьшается, поэтому уменьшают расстояние С путем перемещения 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 лазера, наблюдают с помощью объектива одномодовую структуру излучения с гауссовым профилем распределения интенсивности.

Расстояние между вершиной выпуклого зеркала и торцом АЭ находят по формуле С F R h.

Так при F 480 мм, R 400 мм, l 100 мм, n 1,816, С 52 мм. Использование многозеркального резонатора позволяет не только наилучшим образом компенсировать термолинзы, наведенные в АЭ, но и проводить эффективную селекцию продольных мод, что сопровождается увеличением длины когерентности лазерного излучения.

На чертеже приведена оптическая схема лазерного устройства одномодового модулированного излучения для термической обработки материалов.

Устройство содержит закрепленные неподвижно на основании по ходу светового пучка выпуклое глухое зеркало 1; пассивный лазерный затвор 2 в виде объемной амплитудно-фазовой голографической решетки в форме концентрических окружностей, центр которых совмещен с оптической осью резонатора, а их плоскости ориентированы перпендикулярно этой оси; вогнутое пропускающее концевое зеркало 3; активные элементы 4, 5 задающего генератора; выходное зеркало задающего генератора 6; активные элементы 7, 8 усилителя; выходное зеркало усилителя 9.

Устройство работает следующим образом. Лазерное излучение, возникающее при оптической накачке АЭ 4, 5 задающего генератора частично, проходит через концевое пропускающее зеркало 3, голографический ПЛЗ 2, отражается от глухого зеркала 1. Периодическое самопросветление голографического ПЛЗ приводит к изменению его дифракционной эффективности и модуляции добротности резонатора лазера. При этом возникает затравочный импульс излучения, длительность которого определяется временем релаксации возбужденного состояния рабочих центров ПЛЗ и углом наклона плоскости голограммы к оптической оси резонатора. Этот импульс проходит через концевое зеркало 3 и АЭ 4, 5, усиливаясь после многократного отражения между зеркалами 3 и 6 задающего генератора. Возникающее таким образом мощное одномодовое модулированное излучение выводится через пропускающее выходное зеркало 6 задающего генератора, усиливаясь, затем проходя через АЭ 7, 8 усилителя после многократного отражения между зеркалами 6 и 9. Через выходное зеркало 9 усилителя лазерное излучение направляется в зону лазерного воздействия с помощью световода или иным образом. Выпуклая сторона зеркала 3 обращена к АЭ генератора, а зеркал 6 и 9 к АЭ усилителя. Это позволяет компенсировать термолинзы, наведенные в АЭ, и улучшить развязку между ПЛЗ, задающим генератором и усилителем.

Применение неустойчивого многозеркального резонатора с выпукло-вогнутыми зеркалами и голографического ПЛЗ, расположенного между зеркалами 1 и 3, позволяет реализовать цель изобретения.

Формула изобретения

ЛАЗЕРНОЕ УСТРОЙСТВО ОДНОМОДОВОГО МОДУЛИРОВАННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ, содержащее линейный неустойчивый резонатор с выпуклым глухим и вогнутым пропускным зеркалами и с одним или более активными элементами, расположенными последовательно, пассивный лазерный затвор, отличающееся тем, что пассивный лазерный затвор размещен между зеркалами и выполнен в виде объемной амплитудно-фазовой галографической решетки в форме концентрических окружностей, центр которых совмещен с оптической осью резонатора, а их плоскости ориентированы перпендикулярно к этой оси.

РИСУНКИ

Рисунок 1