CC BY
71
НАУЧНОЕ ИЗДАНИЕ МГТУ ИМ. Н. Э. БАУМАНА
НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ
Эл № ФС77 - 4 8211. Государственная регистрация №042 1200025. ISSN 1994-0408
электронный научно-технический журнал
Исследование импульсного лазера на парах меди с промышленными активными элементами серии «Кулон»в режиме с одним выпуклым зеркалом и его возможности для технологических применений # 06, июнь 2014 DOI: 10.7463/0614.0717060 Лябин Н. А.
УДК 535.621.37; 621.378.325
Россия, ОАО "НПП "Исток" им.Шокина lvabin-npk3 'gmail.ru.
Введение
Одним из главных отличий импульсного ЛПМ от других известных газовых и твердотельных лазеров является сочетание короткого времени существования инверсии насе-ленностей (т = 10-30 нс)с большим усилением активной среды (АС) (к = 10...50 Дб) [1, 2]. При таких усилениях ЛПМ может работать в режиме сверхсветимости: без зеркал или с одним зеркалом, но расходимость излучения из-за низкой пространственной когерентности обычно имеет большие значения. В режиме работы ЛПМ с оптическим резонатором излучение за время существования инверсии успевает сделать в резонаторе (L = 1-2 м) лишь несколько проходов, и моды в обычном их понимании, образующиеся в результате сотни проходов, не успевают сформироваться. Поэтому для формирования пучка излучения с малой расходимостью, т.е. дифракционного качества, стали применять резонаторы с высокой пространственной селективностью, как например, неустойчивый резонатор (НР) телескопического типа при увеличении сотни крат (М = 100-300) [3, 4]. Однако, с телескопическим НР выходное излучение имеет многопучковую структуру и для выделения из него дифракционной составляющей, имеющей практическоезначение, требуется пространственный фильтр-коллиматор (ПФК) и дополнительные условия для обеспечения высокой стабильности положения оси диаграммы направленностиэтого пучка [5-7]. Альтернативное решение было предложено в работе [8,9], где впервые был применен и исследован ЛПМ в режиме с одним выпуклым зеркалом. В этом режиме структура выходного излучения двухпучковая: некогерентный пучок сверхсветимости, сформированный геометрической апертурой активного элемента (АЭ), и пучок, сформированный зеркалом и выходной апертурой АЭ. Расходимостью второго пучка можно варьировать в широких
пределах за счет изменения радиуса кривизны выпуклого зеркала. Поскольку этот пучок формируется при участии одного зеркала, он обладает высокой стабильностью оси диаграммы направленности. При радиусах зеркала на один-два порядка меньше расстояния от зеркала до выходной апертуры АЭ, расходимость пучка становится близкой к дифракционной и, соответственно, пригодной для практических применений. В работах [8,9] исследовался ЛПМ с самыми мощными для того времени промышленными отпаянными АЭ «Кристалл» с диаметром разрядного канала 20 мм: модели ГЛ-201 со средней мощностью излучения 20-25 Вт и модели ГЛ-201Д мощностью 40-45 Вт. При малых радиусах кривизны зеркала ^ = 1-5 см) расходимость пучка излучения ЛПМ составляла в = 0,2-0,5 мрад,
что было достаточно для достижения в сфокусированном пятне диаметромd = 20-50 мкм
«-» 10 2 „ плотности пиковой мощности на уровне 10 Вт/см . Этих уровней мощности оказалось
достаточным для обработки тонколистовых материалов.
К настоящему моменту группой разработчиков ОАО «НПП «Исток» им.Шокина» (г. Фрязино) совместно с ООО «НПП «ВЭЛИТ» (г. Истра) созданы малогабаритные с высокой надежностью и эффективностью современные ЛПМ на основе нового поколения промышленных отпаянных АЭ серии «Кулон» со средней мощностью излучения от 1 до 20 Вт [1].Они применяются для накачки перестраиваемых по длинам волн лазеров на растворах красителей, анализа состава веществ, нанотехнологии, медицине и др. Но оставался открытым вопрос о возможности их использования для микрообработки материалов. В идеальном случае, для микрообработки необходимо иметь ЛПМ с однопучковым излучением дифракционного качества. Одним из привлекательных вариантов формирования од-нопучкового излучения с высоким качеством в ЛПМ является режим работы с одним выпуклым зеркалом.
Целью настоящей работы является исследование импульсного ЛПМ с промышленными отпаянными АЭ серии «Кулон» в режиме с одним выпуклым зеркалом и определение его возможностей для технологических применений. Для выполнения поставленной цели исследовались пространственные, временные и энергетические характеристики ЛПМ при малых радиусах кривизны выпуклого зеркала и с применением самых мощных АЭ из серии «Кулон»: моделей ГЛ-206Д мощностью излучения 15 Вт и ГЛ-206И мощностью 20 Вт. Были проведены расчеты и экспериментальные измерения расходимости пучка излучения и установлено, что в диапазоне радиуса кривизны зеркал R = 6-30 мм расходимость изменяется в пределах 0,15-0,35 мрад, и что лишь в 1,5-3,5 раза больше дифракционного предела. При такой расходимости плотность пиковой мощности достигает значений 109..Л010 Вт/см2. Использование ЛПМ с одним зеркалом в качестве задающего генератора в ЛСПМ типа задающий генератор-усилитель мощности (ЗГ-УМ) позволяет повы-
112 „ ^ сить плотность мощности до 10 Вт/см , достаточной для производительной и качественной микрообработки материалов ИЭТ.
1. Экспериментальная установка и методики исследований
Экспериментальная установка для исследования характеристик выходного пучка излучения импульсного ЛПМ в режиме с одним выпуклым зеркалом представлена на рис.1.
9
1
8
Рис.1. Экспериментальная установка для исследования характеристик выходного излучения импульсного
ЛПМ в режиме с одним выпуклым зеркалом:
1 - АЭ; 2 - разрядный канал АЭ; Л - коллимирующая линза с фокусным расстоянием Е = 1,6 м; Зг-выпуклое зеркало; 3 - плоское поворотное зеркало; 4 - светоделительная пластина с коэффициентом отражения р = 4%; 5 - фокусирующее зеркало с радиусом кривизны Я = 15 м; 6 - нейтральный светофильтр; 7 - измеритель мощности излучения (милливольтметр М136 с преобразователем мощности лазерного излучения ТИ-3); 8 - осциллограф цифровой GDS-840S с фотоэлементом ФЭК-14К; 9 - анализатор пучка
излучения BeamStar-FX
В исследуемом ЛПМ применялись АЭ модели ГЛ-206Д (15 Вт) и ГЛ-206И (20 Вт), являющиеся самыми мощными промышленными отпаянными АЭ из серии «Кулон» [1,10]. Основные геометрические размеры этих АЭ приведены в табл.1, где 1АЭ - длина АЭ; Бк - диаметр разрядного канала АЭ; 1к - длина разрядного канала (расстояние между электродами); 1АС - длина активной среды.
Таблица 1. Основные геометрические размеры АЭ моделей ГЛ-206Д и ГЛ-206И
Модель АЭ Геометрические размеры, мм
1АЭ Як 1к 1АС
ГЛ-206Д 770 14 515 440
ГЛ-206И 900 14 640 565
Накачка АЭ ЛПМ производилась самым эффективным и надежным на сегодня высоковольтным импульсным ИП с тиратронным модулятором, выполненным по схеме ем-
костного удвоения напряжения с двумя звеньями магнитного сжатия наносекундных импульсов тока и анодным реактором [1, 10, 11].
Для удобства проведения исследований характеристик расходящегося пучка излучения, формируемого в ЛПМ в однозеркальном режиме, сначала производилось его колли-мирование с помощью положительной линзы с фокусным расстоянием Е= 1,6 м (Л), а затем фокусировка сферическим вогнутым зеркалом с Я = 15 м (поз.5). При регистрации импульсов излучения и снятии распределения интенсивности в перетяжке сфокусированного пучка мощность излучения предварительно ослаблялась за счет введения в световой поток светоделительной пластины (поз.4) и нейтральных светофильтров (поз.6).
Измерение средней мощности излучения производилось с помощью милливольтметра М136 с подключенным к нему преобразователем мощности лазерного излучения ТИ-3 (поз.7), регистрация импульсов излучения - осциллографом типа GDS-840S с фотоэлементом ФЭК-14К (поз.8), исследование распределения интенсивности и измерение диаметра в фокальной плоскости (практически в перетяжке по уровню 1/е ) сфокусированного пучка излучения - анализатором пучка излучения BeamStar-FX (поз.9). Так как считается, что распределение интенсивности в фокальной плоскости (перетяжке) соответствует распределению в дальней зоне (>Б /X, где Б- диаметр пучка, X - длина волны излучения), то для практического определения расходимости (в) пучков излучения ЛПМ использовался самый распространенный метод измерения - метод фокального пятна:
в = й °/р (1)
где - диаметр сфокусированного пучка излучения в фокальной плоскости (в перетяжке), Е- фокусное расстояние фокусирующего оптического элемента. Во всех ниже рассматриваемых случаях расходимость излучения ЛПМ приводится к диаметру апертуры его разрядного канала (Бк=14 мм).
Важным технологическим параметром при микрообработке импульсным излучением является плотность пиковой мощности, определяемая по формуле
(2)
где Ризл- средняя мощность излучения, /- частота повторения импульсов (ЧПИ), т- длительность импульсов излучения по полувысоте, г- радиус сфокусированного пятна излучения. В наших экспериментах рабочая ЧПИ ЛПМ составляла _/= 15 кГц, длительность импульсов излучения (по полувысоте) т=12.. .13 нс.
2. Исследование структуры, пространственных, временных и энергетических характеристики излучения ЛПМ в режиме с одним выпуклым зеркалом
На рис.2. отдельно представлена оптическая схема для исследования ЛПМ в одно-зеркальном режиме.
Рис.2. Оптическая схема ЛПМ с АЭ «Кулон» в однозеркальном режиме (с одним выпуклым зеркалом): 1АЭ - длина АЭ; Бки 1к- диаметр и длина разрядного канала; 1АС - длина активной среды; З1 - выпуклое зеркало с радиусом кривизны Я1; 1ОЭ - расстояние от зеркала З1 до коллимирующего оптического элемента
(ОЭ); А1В1 - изображение выходной апертуры разрядного канала АВ в зеркале З1; 11 и 11 - расстояние от зеркала З1 до АЭ и до АС; I - расстояние от зеркала З1 до выходной апертуры АВ;/1 - расстояние от зеркала З1 до изображения А1В1; « - угол распространения пучка сверхсветимости, сформированного суммарной геометрической апертурой разрядного канала; « - угол распространения пучка сверхсветимости, сформированного зеркалом З1 и выходной апертурой АВ; I и II - распределение интенсивности пучков
сверхсветимости в ближней зоне
Исследования и расчеты производились для двух случаев расположения выпуклого зеркала З1 по отношению к АЭ: при 11 = 50 мм и 11 = 250 мм.
В однозеркальном режиме, в соответствии с результатами исследований в [1, 9] и настоящей работе, выходное излучение ЛПМ имеет строго двухпучковую структуру: некогерентный пучок сверхсветимости 1 (рис.2), сформированный из усиливающихся спонтанных затравок суммарной геометрической апертурой разрядного канала АЭ, и пучок 2 с высокой пространственной когерентностью, сформированный зеркалом З1 и выходной апертурой разрядного канала (АВ). Далее по тексту первый некогерентный пучок будет называться просто фоновым пучком, как непригодным для практического применения, второй с высокой когерентностью - качественным пучком.
На рис.3 приведены зависимости расчетной расходимости, рис.4 - средней мощности излучения при изменении радиуса выпуклого зеркала З1 в пределах 0,6-3 см для АЭ «Кулон» моделей ГЛ-206Д (а) и ГЛ-206И (б). Расчет расходимости 0предкачественного пучка 2 производился по формуле
^пред _ 2 I(к+г) + 0дифр '
где Я-радиус кривизны выпуклого зеркала, ^-диаметр апертуры разрядного канала АЭ, I- расстояние от зеркала до выходной апертуры АВ, 0дифр = 2,44Х/Бк (X - длина волны из-
лучения) - дифракционная расходимость [1,9]. Для АЭ ГЛ-206Д и ГЛ-206И с диаметром апертуры канала Бк = 14 мм дифракционная расходимость равна вдифр=0,1 мрад.
Кривые 1 и 3 на рис. 3 рассчитаны для расстояния от зеркала до АЭ 11 = 50 мм, 2 и 4 - для 11 = 250 мм. Чем больше расстояние 11 и длиннее разрядный канал 1к и, соответственно, больше расстояние от зеркала до выходной апертуры АВ (I) АЭ, тем меньше расходимость качественного пучка (кривая 4). АЭ «Кулон» модели ГЛ-206И длиннее АЭ ГЛ-206Д на 130 мм.
мрад мрад
0,5 1,0 2,0 3,0 Я, см 0,5 1,0 2,0 3,0 Я, см
а б
Рис.3. Зависимость расчетной расходимости качественного пучка излучения ЛПМ с АЭ «Кулон» моделей ГЛ-206Д (а) и ГЛ-206И (б) в однозеркальном режиме от радиуса кривизны выпуклого зеркала 31.
Кривые 1 и 3 рассчитаны для 11 = 50 мм, кривые 2 и 4 - для 11 = 250 мм
Рис. 4. Зависимости средней мощности в суммарном (1), фоновом (2) и качественном (3) пучках излучения ЛПМ с АЭ «Кулон» ГЛ-206Д (а) и ГЛ-206И (б) в однозеркальном режиме от радиуса кривизны выпуклого зеркала.^ = 50 ммд - мощность пучка сверхсветимости без зеркал
Экспериментальные значения расходимости качественного пучка излучения определялись по результатам измерений минимального диаметра в перетяжке сфокусированного пучка и использования формулы (1). Например, на рис.5 представлено распределение интенсивности излучения в перетяжке в режиме работы ЛПМ с АЭ ГЛ-206И и выпуклым зеркаломc радиусом кривизны R= 3 см при l1 = 250 мм.
2d-распределение
Х-Рояйоп (mm]
Распределение по горизонтали
Рис.5. Распределение интенсивности выходного пучка излучения ЛПМ с АЭ «Кулон» ГЛ-206И в однозеркальном режиме в фокальной плоскости (перетяжке) зеркала с радиусом кривизны
Я = 15 м^! = 30мм,/1 = 50мм
На поле распределения интенсивности по горизонтали указаны следующие обозначения^, 2W, FWHM, Correlation, PeakHeight.W - размер перетяжки, определяемой как полуширина профиля по уровню 1/е от максимума интенсивности пучка.2W - полная ширина профиля по уровню 1/е от максимума интенсивности пучка.FWHM - полная ширина профиля по половинному максимуму интенсивности пучка. Correlation - наилучшее корреляционное соответствие между профилем пучка и идеальным гауссовым пучком. PeakHeight - высота пика пучка Вт/см .
Диаметр перетяжки по уровню 1/е (2W на рис.5) от максимальной интенсивности составил 1,315 мм, расходимость пучкав соответствии с формулой (1)- 0пред = 0,25 мрад, что хорошо согласуется с расчетным значением - 0пред = 0,3 мрад (см. кривую 4 на рис.3). Из распределения интенсивности по горизонтали следует, что степень корреляции пучка в однозеркальном режиме с гауссовым пучком высокая и составляет 0,903.
При увеличении l1 от 50 до 250 мм мощность излучения снизилась незначительно -на 5... 6 %, что по вкладу на плотность мощности несущественно по сравнению с уменьшением расходимости. На рис.6 представлены примеры осциллограмм фонового некогерентного (1) и качественного (2) пучков излучения ЛПМ с АЭ «Кулон» ГЛ-206И при радиусах кривизны выпуклого зеркала R= 0,6; 1; 2 и 3 см и расстоянии от зеркала до АЭ l1 = 250 мм. При l1 = 250 мм время двойного прохождения излучением расстояния от зеркала до активной среды составляет
Д t = ^ = 2, 8 не, (4)
с
' 8
где 11 = 0,42 м, с = 3 10 м/сек. Общая длительность импульса излучения по основанию составляет 23...25 нс. Время Дt =2,8 нс, как видно из осциллограмм, соответствует времени отставания начала импульсов качественного пучка(2) от импульсов фонового пучка (1).
см ,0 С* А
1 2 ,5 И С 1
/ / У Ч I Ч^д.
г л ж у 2 1 / / - 2
2,0 СМ 3.0 см
/ 2 „ / 15 и с 2
/ Г* ч г 1 Г > 1
г J ■ч \ / / - - - *
Рис.6. Осциллограммы импульсов фонового (1) и качественного (2) пучков излучения ЛПМ с АЭ «Кулон» ГЛ-206И в однозеркальном режиме при разных радиусах кривизны выпуклого зеркала и 11 = 250 мм
При увеличении расстояния Iг, от зеркала до АС, интервал времени задержки Дt увеличивается, а длительность импульсов качественного пучка уменьшается, что приводит к повышению качества обработки из-за уменьшения времени взаимодействия с материалом. С увеличением Дt расходимость качественного пучка уменьшается, но и уменьшается мощность излучения. В зависимости от поставленной задачи изменением расстояния от зеркала до АЭ можно оптимизировать плотность пиковой мощности излучения в сфокусированном пятне как при работе ЛПМ в режиме отдельного генератора, так и в ЛСПМ, работающей по схеме ЗГ - ПФК - УМ.
В технологических установках с применением двухволнового ЛПМ фокусировка излучения производится с помощью ахроматических объективов с Е = 30-150 мм. На рис.7 представлены зависимости минимального диаметра пятна (ё) и плотности пиковой мощности (р) в перетяжке сфокусированного пучка излучения ЛПМ в однозеркальном режиме от радиуса кривизны выпуклого зеркала с ахроматическим объективом с Е = 70 мм.
Из хода кривых на рис.7 видно, что изменению радиуса кривизны зеркала в пределах Я] = 0,6-3 см соответствует увеличение диаметра сфокусированного пятна с АЭ ГЛ-206Д в пределах ё = 10,5-25 мкм (кривая 1) и сболее длинным ГЛ-206И в пределах ё = 9-21 мкм
9 2
(кривая 3), плотности пиковой мощности р = (0,96-3,2)10 Вт/см (кривая 2) и (10-
9 2
7,7)-109 Вт/см2 (кривая 4), соответственно.
Рис.7.Зависимости диаметра пятна и плотности пиковой мощности в перетяжке сфокусированного пучка излучения ЛПМ с АЭ «Кулон» ГЛ-206Д (кривые 1 и 2) и ГЛ-206И (кривые 3 и 4) от радиуса кривизны выпуклого зеркала с ахроматическим объективом Е = 70 мм
С практической точки зрения при работе ЛПМ в однозеркальном режиме предпочтительнее применение длинных АЭ относительно с небольшим диаметром разрядного канала (Дк=10-20 мм) и увеличенным расстоянием от зеркала до АЭ. Но нежелательно, чтобы расстояние от зеркала до активной среды АЭ было больше 0,7-1 м, что соответствует времени двойного прохода излучением этого расстояния Дt = 5.. .7 нс, так как при общей длительности импульсов излучения 20.25 нс приводит к заметному снижению мощности в качественном пучке излучения. С увеличением длины АЭ расходимость пучка уменьшается и стремится к дифракционному пределу, а мощность излучения возрастает, что в совокупности приводит к резкому повышению плотности пиковой мощности. С этой точки зрения более эффективными являются промышленные АЭ «Кристалл» моделей ГЛ-205А и ГЛ-205Б с длиной разрядного канала 0,93 и 1,23 м и диаметром 20 мм [1]. К достоинствам однозеркального режима ЛПМ, кроме формирования одного качественного пучка, следует отнести высокую стабильность положения оси диаграммы направленности этого пучка и его импульсной энергии, к недостатку - расходимость в 2-3 раза больше дифракционного предела, что снижает плотность мощности в 5-10 раз.
^ 9 2 „
Уровень плотности пиковой мощности 10 Вт/см , как показывает практический опыт, достаточен лишь для производительной микрообработки фольгированных материалов и раскроя припоев (0,02-0,1 мм). Для обработки более толстых материалов (до 1 мм) ЛПМ в режиме с одним выпуклым зеркалом применяется в качестве ЗГ в ЛСПМ типа ЗГ -ПФК - УМ [12, 13]. Например, при использовании в ЛСПМ в качестве УМ АЭ «Кристалл» моделей ГЛ-205А и ГЛ-205Б мощность и плотность пиковой мощности излучения
11 2
возрастает более, чем на порядок (30-60 Вт и 10 Вт/см ). При этих уровнях мощности для более производительной и качественной микрообработки материалов необходимо, чтобы однопучковое излучение имело строго дифракционную расходимость.
Заключение
В рамках данной работы исследованы пространственные, временные и энергетические характеристики ЛПМ в режиме с одним выпуклым зеркалом с применением самых мощных промышленных отпаянных АЭ из серии «Кулон»: моделей ГЛ-206Д мощностью излучения 15 Вт и ГЛ-206И мощностью 20 Вт с целью определения его возможностей для эффективной микрообработки материалов.
Расчеты и экспериментальные исследования показали, что изменением радиуса кривизны выпуклого зеркала расходимостью пучка излучения ЛПМ можно варьировать в широких пределах и при радиусах кривизны на один-два порядка меньших расстояния от
зеркала до выходной апертуры АЭ достигать значений близких к дифракционному пределу.
При малых радиусах кривизны зеркала ^ = 6-30 мм) расходимость выходного пучка излучения ЛПМ может отличаться от дифракционного предела лишь 2-3 раза (0,150,35 мрад). При этих расходимостях плотность пиковой мощности достигает в сфокусированном пятне значений 109...1010 Вт/см2.
С увеличением длины разрядного канала АЭ расходимость выходного пучка излучения ЛПМ в однозеркальном режиме уменьшается и стремится к дифракционному пределу, а мощность возрастает, что в совокупности приводит к резкому повышению плотности пиковой мощности. Поэтому с практической точки зрения более эффективными являются промышленные АЭ «Кристалл» моделей ГЛ-205А и ГЛ-205Б с длиной разрядного канала 0,93 и 1,23 м и диаметром 20 мм.
К достоинствам ЛПМ в однозеркальном режиме, кроме формирования одного качественного пучка, относится высокая стабильность положения оси диаграммы направленности этого пучка и его импульсной энергии, что повышает качество обработки.
^ 9 2 „
Уровень плотности пиковой мощности 109 Вт/см2, как показывает практический опыт, достаточен лишь для производительной микрообработки фольгированных материалов и раскроя припоев (0,02-0,1 мм).
Применение ЛПМ с одним зеркалом в качестве ЗГ в ЛСПМ типа ЗГ - ПФК - УМ с
использованием в УМ промышленных АЭ «Кристалл» мощностью излучения 30-50 Вт
^ 112 »-» позволяет повысить плотность пиковой мощности до 1011 Вт/см2, достаточной для производительной и качественной микрообработки материалов толщиной до 1 мм.
Основные выводы по результатам исследований ЛПМ справедливы и для импульсных лазеров на других парах металлов, а также газовых и твердотельных лазеров с короткой длительностью существования инверсии населенностей.
Список литературы
1. Григорьянц А.Г., Казарян М.А., Лябин Н.А. Лазеры на парах меди: конструкция, характеристики и применения. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. 312 с.
2. Little C.E. Metal Vapour Lasers: Physics, Engineering and Applicaitions. Chichester (UK): J. Wiley and Sons Ltd., 1999. 620 p.
3. Земсков Л.И., Исаев А.А., Казарян М.А., Петраш Г.Г., Раутиан С.Г. Применение неустойчивых резонаторов для получения дифракционной расходимости излучения импульсных газовых лазеров с большим усилением // Квантовая электроника. 1974. Т. 1, № 4. С. 863-869.
4. Получение дифракционной расходимости с импульсными лазерами, обладающими малым временем существования инверсии / К.И. Земсков, А.А. Исаев, М.А. Казарян [и др.] // 2-й Всесоюзный симпозиум по физике газовых лазеров (Новосибирск, 16-18 июня 1975 г.): тез. докл. Новосибирск, 1974. С. 141.
5. Пространственные, временные и энергетические характеристики излучения лазера на парах меди / В.П. Беляев, В.В. Зубов, А.А. Исаев, Н.А. Лябин, Ю.Ф. Соболев, А.Д. Чурсин // Квантовая электроника. 1985. Т. 12, № 1. С. 74-79.
6. Лябин Н.А. Характеристика излучения лазера на парах меди // Импульсные газовые лазеры: тез. докл. конференции. М.: ЦНИИЭ, 1986. С. 15-16. (Сер. 11. Лазерная техника и оптоэлектроника; вып.3 (237).
7. Зубов В.В., Лябин Н.А., Чурсин А.Д. Эффективная система генератор-усилитель на основе лазерных активных элементов на парах меди // Квантовая электроника. 1986. Т. 13, № 12. С. 2431-2436.
8. Зубов В.В., Лябин Н.А., Чурсин А.Д. Лазер на парах меди с высокостабильным одно-пучковым излучением и управляемой расходимостью // Квантовая электроника. 1988. Т. 15, № 10. С. 1947-1954.
9. Лябин Н.А. Безрезонаторный лазер на парах меди с высоким качеством излучения // Квантовая электроника. 1989. Т. 16, № 4. С. 652-657.
10. Промышленные лазеры на парах металлов серии KULON / Н.М. Лепехин, Ю.С. При-секо, В.Г. Филиппов, Н.А. Лябин, А.Д. Чурсин, М.А. Казарян // Прикладная физика. 2005. № 1. С. 110-115.
11. Лепехин Н.М., Присеко Ю.С., Филиппов В.Г., Лябин Н.А., Чурсин А.Д., Колоколов И.С. Генератор наносекундных импульсов для возбуждения лазеров на самоограниченных переходах атомов металлов: пат. 2226022 РФ. 2004. Бюл. № 8.
12. Лябин Н.А. Лазеры на парах меди: от индустриальных до медицинских приложений // Фотоника. 2012. Т. 32, № 2. С. 66-69.
13. Импульсные лазеры на парах меди, технологическое и медицинское оборудование на их основе / Н.А. Лябин, А.Н. Королев, Е.Н. Покровский, В.Н. Батыгин, П.С. Мелешкевич, А.Д. Чурсин, В.И. Клименко, В.С. Парамонов, Е.А. Котюргин,
И.С. Колоколов, Г.М. Парамонова, Л.Л. Бетина, М.Е. Королева, И.В. Каморин // Электронная техника. Сер. 1. СВЧ-техника. 2013. Вып. 3 (518). С. 211-220.
SCIENTIFIC PERIODICAL OF THH BAUMAN MSTU
SCIENCE and EDUCATION
EL № FS77 - 48211. N»0421200025. ISSN 1994-0408
electronic scientific and technical journal
Investigation of Copper Vapor Pulsed Laser with Industrial Active
Elements of "Kulon" Series using One Convex Mirror Mode and Its
Capabilities for Technological Applications
# 06, June 2014
DOI: 10.7463/0614.0717060
N.A. Lyabin
JSC "RPC "Istok" named after Shokin, Fryazino, Moscow Region, 141190, Russian Federation
lvabin-npk3 amaiLru
Within the scope of the given paper spatial, time and energy characteristics of a copper vapor laser (CVL|) have been investigated in the mode of one convex mirror using the most powerful industrial sealed-off active elements (AE) of "Kulon" series: 15 W GL-206D model and 20 W GL-206I model in order to define the capabilities of using its one-beam radiation for effective microprocessing of materials.
The carried out calculations and experimental investigations showed that one can vary the radiation beam divergence within a wide range by changing the radius of curvature of CVL convex mirror; and one can reach values close to diffraction limit at radii of curvature one-two orders lower than the distance from the mirror to AE output aperture. At small radii of mirror curvature (R = 6-30 mm) the CVL output radiation beam divergence can only 2-3 times (0.150.35 mrad) differ from diffraction limit. At these divergences the peak power density in a focused spot can reach 109.. ,1010 W/cm2 values.
With the increase of AE discharge channel length the CVL output radiation beam divergence in one-mirror mode decreases and tends to diffraction limit, while power increases, which in the aggregate leads to the sharp increase of peak power density. Therefore, from practical point of view the industrial AEs "Crystal" GL-205A and GL-205B with 0.93 and 1.23 m discharge channel length and 20 mm diameter are the most effective ones. Besides the formation of one high quality beam, the advantages of one-mirror mode include a high axis stability of directivity pattern of this beam and pulsed energy, which increase the quality of microprocessing of materials.
9 2
Practical experience of using CVL with one convex mirror shows that 10 W/cm peak power density level is sufficient only for efficient microprocessing of foiled materials and solder cutouts (0.02-0.1 mm). The use of this CVL as a driving oscillator (DO) in a copper vapor laser system (CVLS) of the type: driving oscillator - power amplifier (DO - PA) using 30-50 W in-
•112* dustrial "Crystal" AEs in PAs allows to increase peak power density up to 10 W/cm , sufficient
for efficient and qualitative microprocessing of materials up to 1 mm thick.
The main conclusions on the results of CVL investigations are also true for other metals vapor pulsed lasers as well as for gas and solid-state lasers with a short period of population inversion existence.
Publications with keywords: copper vapor lasers, radiation divergence, peak power density, microprocessing of materials
Publications with words: copper vapor lasers, radiation divergence, peak power density, microprocessing of materials
References
1. Grigor'iants A.G., Kazarian M.A., Liabin N.A. Lazery na parakh medi: konstruktsiia, kharakteristiki i primeneniia [Copper vapor laser: design, characteristics and applications]. Moscow, FIZMATLIT Publ., 2005. 312 p. (in Russian).
2. Little C.E. Metal Vapour Lasers: Physics, Engineering and Applicaitions. Chichester (UK), J. Wiley and Sons Ltd., 1999. 620 p.
3. Zemskov L.I., Isaev A.A., Kazarian M.A., Petrash G.G., Rautian S.G. [Use of unstable resonators in achieving the diffraction divergence of the radiation emitted from high-gain pulsed gas lasers]. Kvantovaia elektronika, 1974, vol. 1, no. 4, pp. 863-869. (English translation: Soviet Journal of Quantum Electronics, 1974, vol. 4, no. 4, pp. 474-477. DOI: 10.1070/QE1974v004n04ABEH006787 ).
4. Zemskov K.I., Isaev A.A., Kazarian M.A., et al. [Obtaining diffraction divergence with pulsed lasers which have short lifetime of inversion]. 2-i Vsesoiuznyi simpozium po fizike gazovykh lazerov: tez. dokl. [2nd All-Union Symposium on Physics of Gas Lasers: abstracts]. Novosibirsk, 16-18 July, 1975. Novosibirsk, 1974, p. 141. (in Russian).
5. Beliaev V.P., Zubov V.V., Isaev A.A., Liabin N.A., Sobolev Iu.F., Chursin A.D. [Spatial, temporal, and energy characteristics of copper vapor laser radiation]. Kvantovaia elektronika, 1985, vol. 12, no. 1, pp. 74-79. (English translation: Soviet Journal of Quantum Electronics,
1985, vol. 15, no. 1, pp. 40-44. DOI: 10.1070/QE1985v015n01ABEH005842 ).
6. Liabin N.A. [Characteristic of radiation of copper vapor laser]. Impul'snye gazovye lazery: tez. dokl. konferentsii [Pulsed gas lasers: abstracts of conference]. Moscow, Publ. of TsNIIE,
1986, pp. 15-16. (Ser. 11. Lazernaia tekhnika i optoelektronika; vyp.3 (237) [Ser. 11. Laser technology and optoelectronics; issue 3 (237)]). (in Russian).
7. Zubov V.V., Liabin N.A., Chursin A.D. [Efficient master-oscillator-amplifier system utilizing copper vapor laser active elements]. Kvantovaia elektronika, 1986, vol. 13, no. 12, pp. 2431-
2436. (English translation: Soviet Journal of Quantum Electronics, 1986, vol. 16, no. 12, pp. 1606-1610. DOI: 10.1070/QE1986v016n12ABEH008501 ).
8. Zubov V.V., Liabin N.A., Chursin A.D. [Copper vapor lasers with a highly stable single output beam of controlled divergence]. Kvantovaia elektronika, 1988, vol. 15, no. 10, pp. 19471954. (English translation: Soviet Journal of Quantum Electronics, 1988, vol. 18, no. 10, pp. 1216-1221. DOI: 10.1070/QE1988v018n10ABEH012460 ).
9. Liabin N.A. [Noncavity copper vapor laser generating high-quality radiation]. Kvantovaia elektronika, 1989, vol. 16, no. 4, pp. 652-657. (English translation: Soviet Journal of Quantum Electronics, 1989, vol. 19, no. 4, pp. 426-429. DOI: 10.1070/QE1989v019n04ABEH007879 ).
10. Lepekhin N.M., Priseko Iu.S., Filippov V.G., Liabin N.A., Chursin A.D., Kazarian M.A. [The metal vapour industrial lasers of the KULON series]. Prikladnaiafizika, 2005, no. 1, pp. 110115. (in Russian).
11. Lepekhin N.M., Priseko Iu.S., Filippov V.G., Liabin N.A., Chursin A.D., Kolokolov I.S. Generator nanosekundnykh impul'sov dlia vozbuzhdeniia lazerov na samoogranichennykh perekhodakh atomov metallov [Nanosecond pulse generator for excitation of lasers on self-terminating transitions of metal atoms]. Patent RF, no. 2226022, 2004. (in Russian).
12. Liabin N.A. [Copper Vapor Lasers. From Industrial to Medical Applications]. Fotonika, 2012, vol. 32, nio. 2, pp. 66-69. (in Russian).
13. Liabin N.A., Korolev A.N., Pokrovskii E.N., Batygin V.N., Meleshkevich P.S., Chursin A.D., Klimenko V.I., Paramonov V.S., Kotiurgin E.A., Kolokolov I.S., Paramonova G.M., Betina L.L., Koroleva M.E., Kamorin I.V. [Pulsed copper vapor lasers, technological and medical equipment on their basis]. Elektronnaia tekhnika. Ser. 1. SVCh-tekhnika [Electronic engineering. Ser. 1. Microwave engineering], 2013, iss. 3 (518), pp. 211-220. (in Russian).
