Резонансные явления и устойчивость процессов в газоразрядных лазерах технологического назначения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

московский государственный университет

им. М.В.Ломоносова Научно-исследовательский институт ядерной физики р им. Д.В.Скобелыцша

2 2 МАЙ 1595

На правах рукописи удк 621.373.826

НИЗЬЕВ Владимир Григорьевич

РЕЗОНАНСНЫЕ ЯВЛЕНИЯ И УСТОЙЧИВОСТЬ ПРОЦЕССОВ В ГАЗОРАЗРЯДНЫХ ЛАЗЕРАХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ

( 01.04.08-физика и химия плазмы )

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва-1995

Работа выполнена в Научно-исследовательском центре по технологическим лазерам Российской Академии Наук

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Ионин А.А.,

доктор физико-математических наук Конев Ю.Б.

доктор физико-математических наук Персиянцев И.Г.,

Ведущая организация: Институт проблем механики РАН

Защита состоится СссокА. 1995 г. в ^ час. на

заседании диссертационного совета Д 053.05.80 в МГУ им. М.В.Ломоносова адресу: 119899 г.Москва,Воробьевы горы, НИИЯФ МГУ, 19 корпус, ауд. 2-15

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИЯФ МГУ.

Автореферат разослан "

1995

Ученый секретарь диссертационного совета Д 053.05.80 в МГУ им. М.В.Ломоносова

к.ф.-м.н.

В.В.Радченко

Общая характеристика работы.

Актуальность темы. Развитие и совершенствование лазерной техники привело как к формированию новых научных направлений,так и к широкому практическому применению лазеров. Среди таких применений выделяется и интенсивно развивается лазерная технология, где лазер выступает как инструмент активного воздействия на вещество,материал, а мощность излучения определяет производительность процесса.

Газоразрядные СС^-лазеры в последнее десятилетие получили широкое распространение как источники излучения в новом классе технологического оборудования. Автоматизированные лазерные технологические комплексы используются для различных процессов термической и селективной технологий. В селективной технологии это химические реакции, инициируемые лазером, лазерное разделение изотопов элементов. В термической технологии-резка, сварка материалов, пробивка отверстий, гравировка и т. д.

Для повышения производительности, для обработки материалов большой толщины требуются лазеры с высокой мощностью излучения. Увеличение выходной мощности- одно из важнейших направлений развития технологических лазеров сегодня. Создание технологических лазеров большой мощности является целью японской национальной программы, программы сотрудничества западно-европейских стран "Эврика", такая цель ставилась и в комплексной программе научно-технического прогресса стран-членов СЭВ.

Несмотря на то, что сообщения о создании единичных экспериментальных лазеров мощностью десятки киловатт появлялись в печати давно, создание таких лазеров для технологических целей не стало проблемой чисто технической. Большие резервы их технического совершенствования непосредственно связаны с углубленным пониманием происходящих в этих лазерах физических процессов. Создание все более крупных лазерных установок на принципах линейного масштабирования (пропорциональное мощности увеличение размеров лазера) или аддитивного масштабирования (создание многомодульных

конструкций) либо невозможно, либо практически нерационально. Действительно, в этом случае степень ненадежности многоэлементных систем не только не может уменьшиться, но, по крайней мере пропорционально растет, потери мощности в таких элементах как активные балластные сопротивления становятся практически недопустимыми, резко снижая привлекательность такого оборудования для потребителей.

Необходимы новые подходы, позволяющие анализировать физические аспекты поведения крупных, многоэлементных систем с позиций их коллективной работы, взаимного влияния отдельных элементов, совокупного эффекта их совместного действия. Понимание сущности работы таких систем несомненно приведет и к появлению новых эффективных технических решений по созданию мощных установок, где такие коллективные процессы являются определяющими.

Большой интерес представляют так называемые ТЕА-лазеры импульсного и импульено-периодического действия, когда временная функция отдельного импульса накачки близка к б-образной. Отличительной особенностью таких лазеров является большое превышение пиковой мощности излучения над средним значением, что определяет особый класс технологических задач, оптимальных для таких лазеров. Характерной чертой физических процессов в таких лазерах, существенно влияющих на их работу, являются резонансные явления, связанные с импульсно-периодическим выделением энергии. Такие процессы оказывают влияние на ограничение частоты следования импульсов, обязательно должны учитываться в лазерах с самопрокачкой газа, они могут являться препятствием для осуществления импульсно-периодической накачки при секционированных вдоль по потоку электродах, их надо принимать во внимание при создании ТЕА-лазеров с узкой линией генерации.

В широком контексте физических основ технологического использования лазеров, непрерывное излучение занимает скромное место. Импульсно-периодические режимы генерации имеют гораздо больше независимо изменяемых параметров излучения, существенно влияющих на технологический процесс. С одной стороны это приводит к расширению технологических возможностей, с другой-

приходится решать сложную проблему оптимального выбора параметров и их стабилизации в рабочей точке. Без физических исследований и осмысления проблемы многоимпульсного воздействия оптимальное решение технологических задач невозможно. Коллективный характер многоимпульсного воздействия, приводящий, в зависимости от условий процесса, к качественно различным результатам, проявляется при самых различных видах технологической обработки материалов, например, таких, как получение глубоких каналов с большим отношением длины к диаметру, гравировка или циклическая термообработка с помощью излучения импульсно-периодического лазера. В диссертационной работе проведено теоретическое и экспериментальное изучение некоторых таких процессов и явлений.

Цель работы^ Перед данной работой были поставлены следующие основные задачи:

1. Исследование устойчивости секционированных разрядов в мощных лазерах. Выработка на основе этих исследований физических рекомендаций по повышению эффективности систем накачки таких лазеров.

2. Исследование резонансных явлений в газовых трактах лазеров с импульсно-периодическим вкладом энергии, их влияния на работу лазеров.

3. Изучение физических аспектов технологического воздействия непрерывного и импульсно-периодического лазерного излучения на вещество.

Научная новизна.

1. Предложена теоретическая модель тлеющего разряда в потоке газа, адекватно описывающая основные характеристики разряда: распределение электронной концентрации вдоль по потоку газа, зависимость напряженности электрического поля от скорости потока.

2. На основе принципа минимума диссипации энергии разработан теоретический метод анализа сравнительной эффективности многосекционированных электродных систем.

3. Экспериментально установлен и теоретически описан резонансный характер возбуждения акустических колебаний в

газовых трактах импульсно-периодических СС^-лазеров, выявлены закономерности такого возбуждения при ударно-периодическом вкладе энергии.

4. Построена сублимационная модель лазерной резки, описывающая основные закономерности лазерной резки материалов при интенсивном наддуве нереагирующим газом.

Практическая ценность работы.

1. Созданы экспериментальный и опытный образцы импульсно-периодического СС^-лазера для термической технологии в одно- и двухлучевом вариантах со средней мощностью излучения до 2 кВт,энергией импульса до 4 Дж,частотой следования импульсов до 1400 Гц, с длительностью импульсов до 50 мкс.

2. Практически реализована система накачки постоянного тока с эффективным распределением тока по большому числу разрядов при малом числе секций электродов, с высоким внутренним сопротивлением источника питания инверторного типа, не содержащая активных балластников. На ее основе создан непрерывный С02-лазер, с мощностью излучения до 6 кВт.

3. Разработан теоретический метод определения сравнительной эффективности многосекционированных электродных систем.

4. На основе сублимационной модели лазерной резки выявлены условия энергетически оптимального режима резки.

К защите представляются следующие положения:

1. Теоретическая модель положительного столба тлеющего разряда в потоке газа, учитывающая объемную ионизацию, амбиполярную диффузию и конвективный вынос заряженных частиц адекватно описывает основные характеристики разряда: распределение электронной концентрации вдоль по потоку газа, зависимость напряженности электрического поля от скорости потока. Модель развита для разрядов, секционированных по потоку газа, с учетом их взаимодействия и применима для электроположительных газов.

2. Теоретический анализ сравнительной эффективности

сложных многосекционированных электродных систем может проводиться на основе принципа минимума диссипации энергии. Он позволяет учитывать различные способы секционирования электродов, электрических соединений секций, физические факторы влияния одних разрядов на другие. Выявлена возможность эффективного распределения тока по большому числу разрядов при малом числе секций электродов.

3. В газовых трактах импульсно-периодических лазеров происходит возбуждение акустических колебаний, носящее резонансный характер. Самопрокачка газа при импульсно-периодическом вкладе энергии носит выраженный резонансный характер, связанный с возбуждением собственных частот акустического резонатора.

4. При пробивке отверстий излучением импульсно-периодического лазера на формообразование канала определяющее влияние оказывает резонансное возбуждение акустических волн в канале переменной длины при объемном поглощении излучения в продуктах разложения.

5. Основные закономерности лазерной резки материалов при интенсивном наддуве нереагирующим газом удовлетворительно описываются в рамках разработанной сублимационной модели.

Апробация работы. Результаты, представленные в диссертации, докладывались на международных конференциях: CLEO (США),IEEE/OSA Conf. on Laser Engineering and Application (США),Int. Conf. on Phenomena in Ionized Gases (Голландия), Int. Conf. on Laser Material Processing (Китай), Laser and Their Applications (Болгария), на всесоюзных, российских и межотраслевых конференциях и семинарах.

Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 64 научных работах, в их числе 25 статей, 11 препринтов, 11 тезисов докладов, 2 отчета о НИР, 15 авторских свидетельств.

Личный вклад автора. Все вошедшие в диссертацию оригинальные результаты получены либо самим автором, либо при его непосредственном участии.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, шести глав, и заключения. Каждая глава начинается кратким обзором литературы по

соответствующим проблемам и заканчивается выводами, наиболее важные из которых сформулированы во введении в качестве защищаемых положений. Общий объем диссертации 334 страницы, из них 226 страниц текста и 108 страниц с рисунками. Библиография включает 209 названий на 18 страницах.

Содержание работы.

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации,указана цель работы,изложено краткое содержание диссертации и сформулированы положения,вынесенные на защиту.

В первой главе приводятся результаты экспериментальных исследований разряда постоянного тока в потоке газа. Здесь излагается теория тлеющего разряда в потоке газа и теория разряда, секционированного по потоку.

В п. 1.1 дан краткий обзорный анализ физико-технических особенностей систем накачки, применяемых в газоразрядных ТЕ-лазерах. Здесь рассмотрены системы накачки постоянного, переменного тока, сильноточная и слаботочная формы разряда при высокочастотном питании. Из приведенного анализа следует, что наибольшее распространение для накачки мощных ТЕ-лазеров имеет концепция накачки постоянным током. Делается вывод об актуальности исследований систем накачки постоянного тока с целью выработки физических рекомендаций по устранению их характерных недостатков: многоэлементные электроды, потери мощности в активных балластниках. В кратком обзоре литературы по исследованию разряда в потоке газа определяется место работ, изложенных в следующих трех параграфах среди работ других авторов. Теоретическое и экспериментальное изучение одиночного разряда в рельсовой геометрии электродов при прокачке газа имело конкретную практическую цель- создание первых быстропроточных лазеров в нашей стране. Теория одиночного разряда в потоке газа определяет основные, наиболее существенные для адекватного описания таких систем элементарные процессы и является фундаментом для построения более сложных и более полных численных моделей. Эта теория позднее была развита в рациональной полуаналитической форме для описания двух

разрядов, смещенных по потоку газа, с учетом их взаимодействия по потоку газа и по электрическим цепям.

В п.1.2 приводится описание экспериментальной установки. Протяженные, изготовленные из медных или молибденовых трубок, охлаждаемые водой электроды, длиной 18 см располагались в камере с организованным и регулируемым потоком газа. Скорость потока в области электродов до 120 м/с. Напряженность электрического поля измерялась с помощью двойного зонда компенсационным методом, распределение электронной концентрации вдоль по потоку-одиночным зондом по ветви ионного тока насыщения зондовой характеристики.

В п. 1.3 приведено описание экспериментальных результатов. Прежде всего внимание было уделено изучению общих, феноменологических характеристик разряда при переходе из контрагированного состояния в виде изогнутого по потоку шнура при малой скорости потока в диффузную, слабовыдуваемую потоком из плоскости электродов форму при увеличении скорости. Было установлено, что секционирование электродов позволяет существенно увеличить устойчивость диффузного разряда и удельный вклад мощности. На это техническое решение было получено авторское свидетельство.

В п. 1.4 излагается аналитическая одномерная теория положительного столба разряда в потоке газа. В уравнении баланса плотности электронов учтены ионизация, конвективный вынос потоком газа и амбиполярная диффузия. По аналогии с теорией Шоттки для разряда в трубке основным механизмом гибели заряженных частиц является их уход за счет амбиполярной диффузии на стенки канала поперек потока газа. Пространственное распределение коэффициента ионизации по потоку: в виде 6-функции или полочки. В уравнении баланса энергии электронов учтены ускорение электронов в электрическом поле и передача энергии в упругих столкновениях с тяжелыми частицами. Выведена формула для коэффициента ионизации как функции Е/р (Е-напряженность электрического поля, р- давление газа) для Дрювестейновского распределения электронов по скоростям. Основные результаты теории: распределение плотности электронов по потоку газа и зависимость напряженности электрического поля от

скорости потока. По аналогии с теорией Шоттки напряженность электрического поля не зависит от тока. Результаты расчетов хорошо согласуются с полученными экспериментальными зависимостями.

В п. 1.5 представлена одномерная полуаналитическая теория положительного столба разряда, секционированного по потоку газа. В уравнении баланса плотности электронов учтены ионизация, конвективный снос и рекомбинация. Секционирование электродов позволяет работать при повышенном давлении, когда пренебрегать рекомбинацией нельзя, а роль амбиполярной диффузии при наличии предыонизатора становится второстепенной. Координатная зависимость коэффициента ионизации Ъ моделируется аналитической функцией. Для зависимости Ъ от Е/р используется формула, из предыдущего параграфа. Вычисляется Е/р для первого по потоку разряда, определяются параметры потока газа (скорость, плотность) втекающего во второй разряд в зависимости от энерговклада в первый и, наконец, Е/р для второго разряда. Итерационная схема вычисления Е/р следующая. По заданному значению Е/р вычисляется Ъ, плотность электронов, ток через разряд, падение напряжения на балластном сопротивлении и Е/р на разряде. Первоначальное значение Е/р корректируется, вычисления повторяются. Теория позволяет проанализировть условия возникновения растущих и падающих вольтамперных характеристик разрядов, получать зависимости Е/р от скорости потока. Приведены распределения электронной концентрации по потоку газа в зависимости от скорости потока, общего напряжения, уровня предыонизации, величины балластных сопротивлений, расстояния между разрядами. По результатам расчетов сделаны практические выводы.

Вторая глава посвящена рассмотрению многосекциониро-ванных электродных систем газоразрядных лазеров. Излагается теория устойчивости разряда с секционированными электродами, построенная на основе принципа минимума диссипации энергии. Большое место отведено описанию экспериментов в электродной системе с перекрещенными электродами и безбалластной системой питания инверторного типа. Приведены результаты исследований

резонансных явлений при пульсирующем питании электродов, секционированных по потоку.

В п.2.1 дано введение в проблемы, рассматриваемые во второй главе. Обычно при накачке постоянным током применяют простейшие приемы секционирования электродов с развязкой секций балластными сопротивлениями, число которых равно числу разрядов. До настоящего времени не было теории, позволяющей оценивать устойчивость разрядов при многосекционированных электродах, эффективность таких электродных систем как целого. В отношении секционированной электродной системы можно говорить об устойчивости в двух смыслах, определяющих предельные характеристики разряда: контрагирование при локальном превышении плотности вкладываемой мощности и устойчивость распределения общего тока по секциям при сохранении формы разряда. Такая устойчивость рассматривается здесь. Величины флуктуаций распределения токов по секциям зависят от неоднородности "внешних условий" (точность изготовления электродной системы, однородность потока газа, окисление электродов, образование застойных зон и т.д.) и устойчивости распределения общего тока по секциям. В результате перераспределения токов под действием таких неоднородностей локальное энерговыделение оказывается выше средней величины, здесь зарождаются обычные неустойчивости.

Устойчивость горения секционированного разряда в потоке газа рассмотрена на примере электродной системы с перекрещенными электродами, где катод секционирован вдоль по потоку газа,а анод-поперек потока. Простейшие соображения о работе перекрещенных электродов не дают оснований для оптимизма из-за недостаточности числа балластных сопротивлений по сравнению с числом перекрестий. Надежды на высокую устойчивость разряда в такой системе связывались с влиянием разрядов, находящихся выше по потоку, на разряды,находящиеся ниже по потоку, которое могло бы скомпенсировать этот недостаток.

П.2.2 посвящен изложению теории устойчивости разрядов с секционироваными электродами. Основным здесь является вопрос об эффективности, устойчивости распределения общего тока по отдельным разрядам. Определяется она на основе принципа

минимума диссипации энергии. Рассмотрены две схемы секционирования: традиционная и перекрещенные электроды. В обоих случаях было два ряда разрядов, смещенных по потоку газа, в каждом по "п" разрядов. Рассматривались разные типы соединений секций с источником питания: непосредственно или последовательно со второго ряда на первый и затем к источнику питания. В функцию диссипации входит энерговыделение во всех 2п разрядах, а также во всех балластных сопротивлениях. Аргументами функции являются 2п разрядных токов. Рассматривались линейные представления вольтамперных характеристик (ВАХ) разрядов, причем ВАХ разрядов второго ряда опускались в зависимости от энерговыделения в соответствующем разряде первого ряда. Равновесные значения разрядных токов находились методом неопределенных лагранжевых коэффициентов с подключением условий связи: нормировки общего тока и соотношений, связывающих разряды первого и второго рядов. Устойчивость полученного равновесного рспределения определяется из (1) как вторая производная XV по оставшимся независимым переменным и имеет смысл эффективного сопротивления Ндфф, включенного в цепь данной токовой флуктуации.

\УЬ - мощность, выделяемая в разрядах и балластниках; В^ - сопротивления,подключенные к секциям,расположенным вдоль и поперек потока газа: и|,и2 - напряжения на разрядах первого и второго рядов; II - дифференциальное сопротивление разряда; г=11*1; 1, (1 - длина отдельного разряда поперек потока и межэлектродный зазор; р,у - давление газа и постоянная адиабаты. После приведения квадратичной формы к каноническому виду и нахождения матрицы преобразований Д1 в 51 (см. таблицу)

Г 1

Иг = Щ, + Щ, + 2к (2 + + К(2 + 0) • X £ 4ы ■ А/м • А/п (1)

1 1 к=\ ¡=1

Я-Чх

р=

к=I /=1

определяется максимальное и минимальное Н^фф,

«у.

ч> 1/л/т - 1/л/2 1Д/6

Мц 1/у1т -1 -1Д/2 1Д/6 1/7(т-2)(/»-1)

1/л/т -1 0 -2Д/6 \14{т-2\т-\)

1/л/от-1 0 0 ...

В п.2.3 проводятся вычисления параметра влияния верхних по потоку газа разрядов на те, что расположены ниже по потоку. Это влияние формально выражается в "подсаживании" ВАХ разрядов второго ряда в зависимости от энерговклада в первом. Этот параметр является определяющим в высокой устойчивости перекрещенной системы электродов. Он определялся из экспериментальных данных, из оценок, основанных на снижении напряжения на разрядах второго ряда в связи с нагревом газа в первом, из теории п. 1.5 и, наконец, из двумерных численных расчетов газового разряда.

В п.2.4 представлены первые результаты по перекрещенным электродам с балластными сопротивлениями. Эксперименты проводились в газовом контуре лазера со скоростью потока газа до 100 м/с. Катод- 6 плоских неохлаждаемых ножей длиной 93 см и шириной по потоку 1.2 мм. Анод состоял из 18 секций длиной по потоку 38 см и шириной 4 см каждая. Величина балластных сопротивлений на анодах 400 Ом, на катодах- 225-500 Ом. При давлении молекулярной компоненты 25 мм рт. ст. общий ток был 15 А, удельный энерговклад в положительный столб разряда- 3.5 Вт/см3. Разряд устойчиво горел во всех перекрестьях, несмотря на значительное превышение числа перекрестий над числом балластных сопротивлений и их малые номиналы.

В п.2.5 дается подробное описание системы накачки с перекрещенными электродами, безбалластным питанием и высокочастотным предыонизатором, рис.1, а также результатов

экспериментов на этой системе. Эксперименты проводились в контуре лазера с расходом газа до 5 м3/с и скоростью в камере 100 м/с. Секции анода- 20 медных полос на диэлектрической плите, катодные секции- 6 охлаждаемых медных трубок, расположенных на расстоянии до 7 см друг от друга. Межэлектродный зазор 5.5-6.5 см. Разряд предыонизатора горит через кварцевые трубки диаметром 11 мм. Частота питания предыонизатора 20-120 кГц, мощность до 3 кВт. Система безбалластного питания включает тиристорный инвертор тока (частота до 2.5 кГц) и трансформаторно-выпрямительный блок. Число трансформаторов равно числу секций электродов. Анодная и катодная группы включены параллельно, трансформаторы в группе по первичным обмоткам включены последовательно.

В п.2.6 приведены экспериментальные результаты, полученные на лазере с перекрещенными электродами и безбалластным питанием. Измерены распределения напряжений по секциям анодов и катодов. Сняты распределения напряжения по катодным секциям при включенном и выключенном предыонизаторе, получена зависимость выходной мощности излучения (до 6 кВт) от вкладываемой. Измерены характеристики излучения: зависимость мощности,прошедшей через отверстие в фокусе линзы от диаметра отверстия, пульсации мощности излучения для устойчивого и неустойчивого резонаторов при разных уровнях превышения накачки над пороговым значением. Полученные результаты свидетельствуют о том, что примененная схема является эффективной и рациональной. Концепция инвертора тока приводит к эффективной стабилизации рабочей точки на ВАХ разряда в целом, оригинальное схемное соединение- к жесткому распределению общего тока по секциям и,наконец,в соответствии с теорией происходит распределение токов по перекрестьям с высокой устойчивостью. Действительно, разряд устойчиво горит во всех перекрестьях с высокими энергетическими параметрами. Из-за эффективного распределения токов по перекрестьям и отсутствия перемыканий разряд за верхней границей устойчивости лишь контрагируется,не переходя в дуговой с термоэмиссионным пятном на катоде. Такой режим работы безопасен для электродов и

инвертора.

В п.2.7 изучались резонансные явления при пульсирующем характере накачки. Регулировка мощности инвертора осуществлялась изменением частоты работы инвертора. До частоты 1250 Гц (определяется внутренними параметрами инвертора) реализовывался "несомкнутый режим": стопроцентная модуляция тока, постоянные амплитуда и длительность импульсов. Частота 1250 Гц соответствовала смыканию импульсов по основанию. При частоте инвертора выше 1250 Гц наблюдался "сомкнутый режим": с увеличением частоты растут амплитудный и средний токи, глубина модуляции уменьшается. При таком характере питания на зависимости удельной вкладываемой мощности от давления обнаруживается не только верхняя, традиционная, но и нижняя границы существования диффузного разряда. Объясняется нижняя граница резонансным взаимодействием собственных частот электродной системы (скорость потока газа деленная на расстояние между секциями по потоку) и ненулевыми гармониками Фурье-разложения токов накачки. Амплитуды последних имеют максимумы на шкале изменения частоты инвертора.

В третьей главе излагаются результаты исследований явлений, сопровождающих импульсное протекание тока. Изучаются газодинамические явления при импульсном вкладе энергии, релаксация энергии, неустойчивость распадающейся плазмы разрядов в азоте и в углекислом газе. Приведено описание импульсного С02-лазера с энергией в импульсе 150 Дж и экспериментов по поглощению лазерного излучения плазмой.

В п.3.1 описывается экспериментальная установка для исследования импульсного разряда. Традиционная электродная система со сплошными профилированными электродами и ультрафиолетовой предыонизацией питалась по двум каналам: импульсная схема с коммутацией накопительного конденсатора (напряжение до 23 кВ) через тиратрон и от источника постоянного напряжения 1-5 кВ. Для диагностики газодинамических возмущений, возникающих после импульсного разряда использовался интерферометр Маха Цандера. В качестве источника света был взят рубиновый лазер с модуляцией добротности (t=50

не). Временные задержки между разрядом и экспозицией регулировались в широких пределах. Разряд фотографировался в режиме кадровой развертки лупой времени ЛВ-03.

П. 3.2 посвящен исследованию газодинамических явлений при импульсном вкладе энергии. На полученных интерферограммах, рис.2, зафиксированные ударные волны, распространяющиеся от электродов, боковые волны и образование пробки нагретого газа с малой плотностью. На теневых фотографиях,рис.3,видно,что время существования электродных волн, взаимодействующих друг с другом, отражающихся от электродов, превышает 100 мкс. Скорости распространения катодной и анодной ударных волн в азоте составляют соответственно 500 м/с и 350 м/с, толщина области повышенного энерговыделения на катоде равна 0.4 мм, на аноде 0.8 мм,температура газа вблизи катода достигает 1000°К. Аналогичные измерения проведены в углекислом газе

В п.3.3 исследовалась релаксация энергии в молекулярных газах. По интерферограммам определялась плотность газа в центре разрядного промежутка в различные моменты времени. Установлено,что к моменту времени 1 =500 мкс в азоте в виде тепла выделяется 47% энергии. Столь быстрый нагрев не может бьггь объяснен из известных данных по столкновительной У-Т релаксации в стационарных условиях, а также ее ускорением с учетом У-У обменов. Такая скорость нагрева объясняется сголкновительными релаксационными процессами, связанными с эволюцией функции распределения молекул по колебательным уровням после импульсного разряда. Характерные времена выравнивания давления в разрядной области в СО2 порядка 60 мкс.

В п.3.4 изучается неустойчивость распадающейся плазмы после импульсного разряда. Неустойчивость развивалась в постоянном электрическом поле на фоне газодинамических явлений, описанных выше. По фотографиям разряда в азоте в стадии перехода из диффузного в дуговой режим установлено, что этот переход начинается с развития канала, прорастающего от катода к аноду со скоростью ЗЮ5 см/с. Получены зависимости времени от импульсного разряда до начала роста тока в постоянном поле 1 от Е/п в СО2 и N2- Переход носит взрывной характер с постоянной

времени 1-2 мкс, что приводит к резкому скачку тока на осциллограмме и увеличению интенсивности свечения. Эти результаты объясняются так: плотность газа в разрядном промежутке падает, а Е/n растет, при достижении порогового значения, соответствующего пересечению зависимостей коэффициентов ионизации и прилипания от Е/n. происходит "включение" ионизации, что и обуславливает взрывной характер развития неустойчивости. Расчетная модель контракции показала, что существенным для описания процесса контрагирования разряда являются нагрев газа и уменьшение его плотности в разрядном промежутке, ступенчатая ионизация и изменение колебательной температуры.

В п.3.5 приведено описание моноимпульсного СС^-лазера. Лазер состоял из 12 секций с автономными электродными системами и системами импульсного питания, общим источником питания и общим разрядником. Длина активной области 5 м, площадь поперечного сечения 4-7 см2. В лазере применена электродная система с двойным разрядом. Давление в камере 300 мм рт.ст., состав лазерной смеси C02:N2:He=2:2:3. Длина резонатора- 10 м. Максимальная энергия лазера 150 Дж, удельная энергия 18 Дж/л. Коэффициент полезного действия 17%. На установке использовались также телескопические неустойчивые резонаторы с коэффициентом увеличения М = 2,3,4. Приведены осциллограммы и зависимости, характеризующие разрядные и оптические параметры лазера.

В п.3.6 приведен пример применения импульсного лазера для изучения механизма поглощения лазерного излучения плазмой. Лазерный луч фокусировался линзой с f=31.5 см на твердую мишень CD2 , расположенную в камере. Плотность мощности в фокальном пятне 41011 Вт/см2 при энергии 35 Дж и длительности импульса 70 не. Для определения электронной температуры и плотности снимались спектры на расстоянии 300 мкм от поверхности мишени с помощью спектрографов видимой и ультрафиолетовой областях спектра. Разлет плазмы регистрировался с временным разрешением 3'10*8с. Электронная температура плазмы определялась по

относительной интенсивности дублета трехкратноионизированного углерода CVI 5801 А и CIV 5811 А и линии CIV 2697 А и оказалась равной 20 ev. Плотность плазмы определялась по Штарковскому уширенно спектральных линий CIV 2697 A, CIV 2524 A,CIV 2405 А и составила (5-7)-1018 см'3 . Скорость разлета плазмы 4-106 см/с. Полная отраженная энергия- 1% от падающего излучения. Было установлено, что механизм поглощения излучения плазмой был классическим,обратный тормозному излучению.

В четвертой главе теоретически и экспериментально исследуются газодинамические явления в лазерах импульсно-периодического действия: резонансное возбуждение собственных частот в газовых трактах лазеров, диссипативные процессы при распространении волн, влияние газодинамических неоднородностей на ограничение частоты следования импульсов. Приведено описание эксперимента по самопрокачке газа при резонансном вкладе энергии.

В п.4.1 приводится описание установки по исследованию газодинамических явлений при импульсно-периодическом вкладе энергии. Электродная система с ультрафиолетовой предыонизацией помещена в газовый контур с замкнутым циклом прокачки. Для измерения плотности газа снимались временные интерферограммы с помощью интерферометра Маха-Цандера с He-Ne лазером в качестве источника излучения. В поле зрения попадали разрядный промежуток и части канала вверх и вниз по потоку. При изменении плотности газа в канале происходит смещение интерференционных полос регистрируемое ФЭУ на осциллографе. Перемещая ФЭУ, можно было наблюдать изменение плотности газа во времени в любом месте разрядного промежутка, а также вверх и вниз по потоку.

В п.4.2 исследовались расширение нагретого газа и теплопроводность вдоль по потоку. По результатам обработки иитерферограмм сделаны выводы о скорости нагрева газа после импульсного разряда в разных газах, об адиабатическом характере расширения пробки нагретого газа, последующем ее расширении за счет турбулентной диффузии ( коэффициент турбулентной диффузии в азоте составил 15 см2/с). Экспериментально и

расчетами определена степень неоднородности плотности газа в центре канала в пределах разрядной области к очередному разрядному импульсу. Установлено, что такие неоднородности Е/п не могут служить причиной ограничения частоты следования импульсов.

В п.4.3 рассмотрено влияние пограничных слоев на ограничение частоты следования импульсов. Приведены пространственные и временные интерферограммы, выявляющие процесс обновления газа в приэлектродном слое. Между разрядными импульсами плотность газа быстро восстанавливается в слое, непосредственно примыкающем к электроду, за счет теплопроводности. За границей пограничного слоя происходит эффективное восстановление плотности и температуры газа за счет конвективного выноса горячей пробки потоком газа. Сечение, являющееся "слабым местом", с самым медленным восстановлением параметров находится внутри пограничного слоя. Расчеты показывают, что остающиеся здесь к следующему импульсу неоднородности (до 7%) являются причиной ограничения частоты следования импульсов.

В п. 4.4 рассмотрены диссипативные процессы при распространении волн. Образование слабых ударных волн после импульсного разряда зафиксировано на интерферограммах и с помощью пьезодатчика. Проведены расчеты нагрева газа волнами, распространяющимися вверх по потоку и создаваемые этим нагревом градиенты плотности. Учтены как нагрев газа при переходе через скачок уплотнения, так и последующее адиабатическое расширение на заднем фронте волны. Расчеты и прямые термопарные измерения температуры показывают несущественность вклада этого эффекта в ограничение частоты.

В п. 4.5 приведена расчетная модель резонансного возбуждения акустических волн в одномерном акустическом приближении. Получены функции Грина решения о распространении одиночной волны и квазистационарного решения при импульсно-периодическом вкладе энергии. Использованы дисперсные граничные условия, позволяющие моделировать различные практические ситуации с открытыми и закрытыми

концами (2).

, | ехр(Уй) •(< - /')) (1+ г) • [ехр{-/<а • л; / (с + «)) + ехр(ш • л / (с - »))]

Ь, с, и - длина канала, скорость звука и потока газа; о>0-частотная характеристика граничного условия; \¥(х'Д')- пространственно-временная функция энерговклада.

Расчетная модель описывает колебания плотности газа в любой точке акустического резонатора (разрядной камеры) с произвольной функцией импульсного вклада от времени и координаты. Приведены различные расчетные зависимости, характеризующие закономерности резонансного возбуждения волн в газовых трактах лазеров: возбуждение на собственных частотах и гармониках, смещение собственных частот со скоростью потока, рис.4, зависимость амплитуды колебаний от местоположения вклада, его временной и прстранственной структуры и др.. Для сравнения с акустическим приближением задача резонансного возбуждения собственных частот решалась и путем численного решения уравнений газодинамики.

В п. 4.6 представлены экспериментальные результаты по акустическим волнам. С помощью интерферометрии показаны одиночные волны, отраженные от концов волны, ударное возбуждение собственных частот акустического резонатора, резонансное возбуждение стоячей волны,рис.5.

П. 4.7 посвящен самопрокачке газа при резонансном вкладе энергии. Основная цель эксперимента- продемонстрировать резонансный характер самопрокачки. Газоразрядный канал располагался внутри закрытого объема с возможностью движения газа по замкнутому контуру. Вклад энергии осуществлялся в широкой части канала, вблизи газодинамического клапана (резкое расширение канала). Резонансное возбуждение собственных частот

акустического резонатора регистрировалось интерферометрически. Максимальная скорость самопрокачки достигнута в СО2 при частоте

следования импульсов 310 Гц и составляет 1 м/с.

В пятой главе приведено описание импульсно-периодических СС>2-лазеров для селективной и термической технологий, приведены примеры их использования. Даются параметры и характеристики импульсно-периодического СР4-лазера оптически накачиваемого излучением СС^-лазера.

В п.5.1 дается описание установки для исследования селективных процессов взаимодействия излучения с веществом на основе импульсно-периодического С02-лазера. Скорость потока газа в разрядной зоне лазера 30 м/с, давление смеси до 0.8 атм. Электродная система с ультрафиолетовой подсветкой, объем разрядной области 0.6 л. Резонатор образован плоским глухим зеркалом и дифракционной решеткой, имеющей 100 пггр./мм. Это позволяло получать генерацию на различных колебательно-вращательных переходах молекулы СО2 (Р и R ветвях переходов

00°1-10°0 и00°1-02°0). Средняя мощность излучения 500 Вт. При наличии азота в смеси наблюдается пик излучения с длительностью 150 не и протяженный по времени хвост 1 мкс. В случае безазотной смеси хвост отсутствует.

В п.5.2 приводится описание импульсно-периодического СС>2-лазера мощностью 10 кВт для наработки весовых количеств изотопически обогащенных веществ методом многофотонной диссоциации многоатомных молекул в сильном ИК-поле. В лазере применялись три вентилятора с суммарным расходом 2.5 м3/с, создающие скорость потока в разрядной камере 100 м/с. В разрядной камере применялась электродная система с ультрафиолетовой предыонизацией. Размеры разрядной области 40-25-800 мм3 . Электрическая цепь содержала основной конденсатор 0.2 мкФ,коммутируемый тиратроном. Дополнительная емкость обеспечивала вспомогательный разряд. С помощью селективного резонатора, содержащего глухое медное зеркало с радиусом кривизны 20 м и, в качестве выходного зеркала,

дифракционную решетку (100 линий на миллиметр, угол блеска 30°), наблюдалась генерация на отдельных колебательно-вращательных переходах Р иН ветвей переходов 00°1-10°0 и00°1-02°0 молекулы С02. Максимальная энергия в импульсе 16 Дж получена на лазерной смеси С02 :N2 :Не= 1:1:5 и 4.5 Дж на смеси, не содержащей азота. Электрооптический КПД 10 %. При максимальной средней мощности 10 кВт полный коэффициент полезного действия 4.5 %.

В п.5.3. дан пример практического применения импульсно-периодического лазера для разделения изотопов. Объект исследований- молекула SF6 с естественным содержанием изотопов серы. Излучение С02-лазера (п.5.1), фокусировалось линзой в центре кюветы длиной 185 см. Контроль содержания SF6 производился по спектру, селективность диссоциации определялась масс-спектрометрически, как по оставшемуся после облучения SF6, так и по образовавшемуся после облучения SOF2. Исследовалась зависимость количества диссоциированных молекул SF6 и селективности диссоциации от частоты повторения импульсов лазера. Начальное давление газа в кювете составляло 0.24 мм рт.ст.. Число импульсов было равно 1000. Энергия в импульсе 1.2 Дж (импульс без хвоста). Эксперименты проводились на линии ЮР (16). С ростом частоты повторения импульсов наблюдается уменьшение доли продиссоциировавших молекул (ДР/Р ). Селективность диссоциации в меньшей степени зависит от частоты, чем величина ДР/Р, что связано с увеличением температуры. В этих опытах обогащение изотопа 34S достигалось в остаточном газе SF6 при диссоциации 32SF6 . Высокой селективности, при диссоциации

молекул с целевым изотопом 33S, можно добиться при охлаждении газа, приводящем к существенному сужению спектра многофотонного поглощения SF6 . Излучение С02-лазера (п.3.5) направлялось в охлаждаемую парами жидкого азота кювету, содержащую смесь SF6 : Не: = 2:1. Выход диссоциации за импульс

Р измерялся по изменению поглощения в полосе V3 молекулы SFg после облучения. Максимальное значение селективности диссоциации q(33/32) достигается на линии ЮР(ЗО) и равно 5 ± 0.7; при этом средний расход 33SF6 8 = 60 %. Получены зависимости q(33/32) и q(33/34) от температуры газа при Ф = 5 Дж/см на линии ЮР(ЗО). По мере охлаждения газа селективность возрастает. Квантовая эффективность 5.7-10"2 . Найденное значение q( 33/32) при большой выработке 33SF6 5=60 % позволяет реализовать основное преимущество лазерных методов: высокую селективность элементарного акта разделения.

В п.5.4 дано описание оптически накачиваемого CF4-лазера

для решения ряда проблем спектроскопии, фотохимии и лазерного разделения изотопов. Для накачки использовался импульсно-периодический С02-лазер (п.5.1). Излучение непрерывного С02-лазера низкого давления мощностью 7 Вт инжектировалось через 3 мм отверстие в селективный резонатор лазера накачки. Совпадение частот имеет место для 9R(12) (1073.3 см ) перехода С02,который возбуждает генерацию на переходе Р(44) (613.3см) в CF4. Газовая ячейка охлаждалась парами жидкого азота. Эффективность генерации на 16 мкм достигает 10 %, энергия 0.1 Дж, а мощность генерации 2.5 Вт.

В п.5.5 дается описание технологического С02-лазера импульсно-периодического действия ИПТЛ-2 для термической технологии. Лазер имеет двойной газодинамический тракт и две разрядные камеры. Прокачка смеси осуществляется двумя центробежными вентиляторами с вводом вращения через магнитные муфты. Анод плоский, катод профилированный, ультрафиолетовая предыонизация. Объем разряда одной камеры 500 см3 . Накопительные конденсаторы заряжаются за один импульс длительностью 150 мкс,через 200 мне на сетку тиратрона поступает отпирающий импульс, происходит импульсный разряд. В однолучевом варианте обе камеры объединены П-образным устойчивым резонатором с тремя режимами работы: удвоения энергии при одновременном срабатывании разрядных камер,

удвоения частоты при поочередном срабатывании камер и удвоения длительности импульсов,при срабатывании камер с задержкой друг к другу. Разработан двухлучевой вариант лазера с использованием двух резонаторов. Параметры излучения с одной камерой: энергия 2 Дж, частота импульсов 700 Гц, длительность импульса 50 мкс, средняя мощность 1000 Вт.

В п.5.6 приведен пример практического применения лазера ИПТЛ-2 для пробивки отверстий в меди и нержавеющей стали, демонстрирующий его высокую эффективность и производительность. При толщине меди 0.3 мм, энергии в импульсе 1.3 Дж, частоте следования импульсов 80 Гц,время пробивки составило 0.35 с при диаметре отверстия на входе и на выходе 0.2 мм. Для нержавеющей стали толщиной 1.5 мм, при энергии 1 Дж, частоте 500 Гц, время пробивки 0.15 с. Диаметр на входе 0.45 мм, на выходе 0.25 мм.

Шестая глава посвящена физическим аспектам воздействия лазерного излучения на материалы. Здесь приводятся результаты исследований формообразования глубоких каналов в полиметилметакрилате, излагается теория резки материалов лазерным лучом, приводится анализ тепловых режимов при импульсно-периодическом облучении поверхности движущимся лазерным лучом, обсуждается механизм выплеска жидкой фазы при лазерном облучении поверхности.

В п. 6.1 излагаются результаты исследований по образованию глубоких каналов в полимере при лазерном воздействии. Целью экспериментов было выяснение факторов, определяющих отношение глубины канала к его диаметру. Применялся лазер ЛГИ-50. По фотографиям кратера в полиметилметакрилате в последовательные моменты времени видно, что рост длины замедляется, а форма канала становится весьма специфической, с локальными уширениями. Причина этого явления в объемном поглощении лазерного излучения в продуктах разложения материала и резонансном возбуждении собственных частот в канале переменной длины. При устранении этого эффекта лазером мощностью 17 Вт был получен канал с отношением длины к диаметру равным 50,и длиной 150 мм.

В п.6.2 представлена сублимационная теория лазерной резки. Фронт взаимодействия луча с материалом как фунция координаты х и времени 1 является искомой функцией. Движущийся Гауссов луч имеет перетяжку в заданном месте. Учтены однократные отражения на фронте взаимодействия. Френелевский коэффициент отражения для поглощающей среды. В системе координат, связанной с лучом, координата "и", искомое решение разлагается на стационарный фронт и малые возмущения, применяется теория возмущений. Скорость движения возмущений выражается формулой (3), развивается неустойчивость или подавляется зависит от знака выражения (4).

1(и,у)-функция интенсивности излучения лазерного луча, Г(а)-функция поглощения излучения, а(и)- угол наклона фронта взаимодействия луча с материалом.

Получены следующие зависимости: предельная глубина резки как функция поляризации и заглубления фокуса, рис.8, интегральное поглощение как функция скорости движения луча, условия развития и скорость движения возмущений на фронте, форма риски на боковой поверхности реза, рис.9, и другие. Теория объясняет ряд экспериментальных закономерностей, дает практические рекомендации.

В п.6.3 рассмотрено воздействие движущегося импульсно-периодического излучения на плоские поверхности. Большое число независимо изменяемых параметров импульсно-периодического излучения и, следовательно, многовариантность технологического воздействия требуют для правильной ориентировки глубокого понимания происходящих физических процессов. Дефицит таких представлений не может быть скомпенсирован обилием фактического материала, технологического опыта, из-за трудностей его обобщения при отсутствии ориентирующих физических представлений. Временной характер поведения температуры на поверхности образца зависит от четырех величин временного

(3)

(4)

масштаба: длительности импульса- t„, длительности паузы между импульсами- tj,, времени нахождения точки в зоне движущегося

пятна- d/v и тепловой постоянной времени d2/x- Динамика поведения температуры поверхности образца качественно различается при разных соотношениях этих времен. Для выявления этих особенностей была решена трехмерная тепловая задача. Получен ряд температурных режимов поверхности, оптимальных для разных видов термической технологии: поверхностной очистки, термоупрочнения, гравировки камней и металлов. Приведенные результаты позволяют находить физически правильные законы подобия при переходе к процессам высокой производительности.

В п.6.4 представлены экспериментальные результаты по вихревым движениям расплава под действием лазерного излучения. Наблюдались различные типы вихревых течений парафина, расплавленного лазерным излучением. Течение жидкости визуализировалось угольным порошком. Крупномасштабная структура течений выявлена методом теневой фотографии. Изучена динамика развития процесса от узкого канала кинжального проплавления до образования жидкой ванны специфической формы, обусловленной крупномасштабными вихрями. Представлена обобщенная картина вихревых движений расплава в жидкой ванне. С ростом мощности излучения, появляются более мелкие вторичные вихри, а затем и мелкомасштабное вихревое течение вблизи свободной поверхности. Тепломассоперенос в жидкости, нагреваемой со стороны свободной поверхности, определяется возникающими в расплаве конвективными течениями,которые могут носить турбулентный характер. Существенную роль при этом играют процессы образования новых вихрей (перезамыканий линий тока) перемещение которых,в свою очередь, осуществляет перенос порций нагретого вещества.

В п.6.5 обсуждается механизм удаления расплава импульсом TEA СО2-лазера. Проведены расчеты скорости движения расплава и анализ условий отрыва капли от фронта движущейся волны расплава. Проведенный анализ позволяет сделать вывод о конкурентности термокапиллярного и испарительного механизмов и необходимости учета термокапиллярного эффекта в физической

картине лазерного удаления расплава импульсами TEA С02-лазера даже при интенсивности падающего излучения 107 Вт/см2 .

В заключительной части диссертации сформулированы основные результаты и выводы полученные в работе.

1. Создана теория положительного столба одиночного тлеющего разряда в потоке газа, описывающая основные характеристики разряда: распределение электронной концентрации вдоль по потоку газа, зависимость напряженности электрического поля от скорости потока. Результаты теории согласуются с полученными экспериментальными данными. Теория развита в рациональной полуаналитической модели для двух, сдвинутых по потоку газа, разрядов с учетом их взаимодействия по электрическим цепям и по потоку газа.

2. На основе принципа минимума диссипации энергии разработан метод теоретического анализа сравнительной эффективности сложных многосекционированных электродных систем. Он учитывает различные способы секционирования электродов, электрических соединений секций, физические факторы влияния одних разрядов на другие. Установлено, что:

а) Устойчивость распределения общего тока по секциям определяется не только балластниками, подключенными к секциям, но и влиянием разрядов, расположенных вверх по потоку газа на разряды, расположенные вниз по потоку.

б) Система перекрещенных электродов с расположением анодных секций вдоль по потоку, а катодных- поперек потока газа обладает высокой эффективностью и практической значимостью. Система реализует глубокое секционирование разряда с высокой устойчивостью при малом числе секций электродов.

3. Практически реализована новая система накачки с секционированными высокоресурсными электродами и безбалластным источником питания инверторного типа для лазера мощностью 6 кВт.

4. Обнаружена неустойчивость разряда, секционированного вдоль по потоку газа, наблюдаемая при протекании тока с большим содержанием ненулевых компонент Фурье-разложения.

Неустойчивость развивается при резонансном взаимодействии собственных частот секционированной электродной системы (обратная величина времени пролета газа между секциями) и ненулевых гармоник источника питания. Неустойчивость подавляется при уходе от условий резонансного взаимодействия в сторону уменьшения или увеличения вкладываемой в разряд мощности.

5. Исследование разрядного промежутка с помощью интерферометрии и теневой фотографии выявило сложную топологию энерговыделения при импульсном разряде, динамику развития и затухания газодинамических возмущений в разрядном промежутке. Установлено, что:

а) На развитие неустойчивости существенным образом влияют газодинамическое уменьшение плотности газа, ступенчатая ионизация с метастабильных электронных состояний и зависимость констант элементарных процессов от колебательной температуры.

б) Характерное время выделения энергии в тепло в чистом азоте после импульсного разряда, полученное по результатам обработки интерферофамм разрядной области равно 1 мс, что не объясняется обычными представлениями о столкновительной Y-T релаксации, а также увеличением ее скорости с учетом V-V обменов.

6. Создан моноимпульсный СС^-лазер с двойным разрядом, имеющий энергию в импульсе 150 Дж. для исследования физических процессов взаимодействия лазерного излучения с веществом. Установлено, что: механизм поглощения излучения плазмой, образующейся при облучении мишени СД2 лазерным

импульсом с плотностью мощности 4-101' Вт/см2 является классическим, обратным тормозному излучению.

7. Возбуждение акустических колебаний в газовых трактах импульсно-периодических СО2-лазеров носит резонансный характер. Теоретически и экспериментально выявлены закономерности возбуждения стоячих волн при ударно-периодическом вкладе энергии. Самопрокачка газа при импульсно-периодическом вкладе энергии носит выраженный резонансных характер, связанный с возбуждением собственных частот акустического резонатора.

8. Наибольшие неоднородности плотности газа в разрядном промежутке, ограничивающие частоту следования импульсов в лазерах периодического действия при использовании эффективной в моноимпульсном режиме электродной системы с ультрафиолетовой предыонизацией, связаны с неэффективным обновлением смеси в пограничных слоях. Неоднородности среды, связанные с наличием акустических волн, при характерных для лазерных систем удельных вкладах энергии, на порядок меньше.

9. Созданы экспериментальные образцы импульсно-периодических лазеров для исследования селективных по частоте процессов лазерохимии и для лазерного разделения изотопов методом селективной диссоциации многоатомных молекул:

- С02-лазер со средней мощностью излучения 500 Вт,

- С02-лазер со средней мощностью излучения 10 кВт,

- оптически накачиваемый СР4-лазер с длиной волны 16 мкм и средней мощностью излучения 2.5 Вт.

Показано,что: а) Излучение импульсно-периодического С02-лазера может успешно использоваться для разделения изотопов элементов.

б) Эффект многофотонной диссоциации многоатомных молекул может успешно использоваться и при наличии промежуточных изотопов для обогащения целевого изотопа с малым природным содержанием при диссоциации молекул с этим изотопом. Охлаждение газа позволяет существенно увеличить селективность процесса диссоциации.

10. Разработан и создан опытный образец импульсно-периодического С02-лазера ИПТЛ-2 для термической технологии. Лазер работает в одно- и двухлучевом вариантах с суммарной выходной мощностью до 2 кВт, энергией в импульсе до 4 Дж, длительностью импульсов 10-50 мкс, частотой следования импульсов до 1400 Гц. Продемонстрирована высокая эффективность практического применения лазера ИПТЛ-2 для пробивки отверстий.

11. На формообразование канала при воздействии излучения импульсно-периодического лазера определяющее влияние оказывает резонансное возбуждение акустических волн в канале переменной

длины при объемном поглощении излучения в продуктах разложения. Предельно достигнутое отношение длины канала к диаметру 50.

12. Основные закономерности лазерной резки материалов при интенсивном наддуве нереагирующим газом удовлетворительно описываются в рамках разработанной сублимационной модели. Показано, что: а) Предельная глубина резки существенно зависит от поляризации излучения и заглубления фокуса.

б) Существует энергетически оптимальная скорость резки, при которой производительность резки (произведение предельной глубины реза на скорость движения луча) максимальна.

в) Форма рисок на боковой поверхности реза зависит от поляризации излучения и заглубления фокуса.

13. Выявлен ряд качественно различающихся температурных режимов на плоских поверхностях при их облучении импульсно-периодическими потоками энергии, существенно влияющих на характер воздействия излучения на материал.

14. Вклад термокапиллярного эффекта в механизм выплеска жидкой фазы при импульсном облучении металлической мишени является соизмеримым с силой отдачи парогазовой струи и должен учитываться при интерпретации экспериментальных результатов.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Баранов В.Ю.,Веденов А.А.,Низьев В.Г. Разряд в потоке газа. ТВТ, 1972,т.10, № 6, с.1156-1159.

2. Баранов В.Ю., Бреев В.В., Малюта Д.Д., Низьев В.Г. Ограничение частоты следования импульсов в С02-лазерах периодического действия. Квантовая электроника 1977, т.4, № 9, с.1861-1866.

3. Баранов В.Ю.,Борисов В.М.,Низьев В.Г.,Петряков В.М. Импульсный СО2-лазер с энергией излучения 150 джоулей. Письма в ЖЭТФ, 1974, т.19, № 4,с.212-215.

4. Баранов В.Ю., Низьев В.Г., Пигульский C.B. О скорости передачи энергии в поступательные степени свободы после импульсного разряда в азоте. Физика плазмы 1977, 3, № 6, с.1380.

5. Получение распределенного электрического разряда в импульсном С02-лазере и некоторые особенности лазерного излучения. (Авторы: Баранов В.Ю., В.М.Борисов, Веденов A.A., С.В.Дробязко, В.Н.Книжников, Напартович А.П., Низьев В.Г., А.П.Стрельцов) Препринт ИАЭ№ 2248. М.: ИАЭ,1972,20 е..

6. Average Power Limitations in High Repetition Rate Pulsed Gas Lasers at 10.6 and 16 m. (Авторы: Baranov V.Yu.,Kazakov S.A., Malyuta D.D., Mezhevov V.S., Napartovich A.P., Niziev V.G., Orlov M.Yu.,Starodubtsev A.I.). Appl. Optics,1980,v.l9,№ 6,p. 930-936.

7. Баранов В.Ю., Любимов Б.Я., Низьев В.Г., Пигульский C.B. Газодинамические возмущения потока в С02-лазерах. II. Акустические волны. Квантовая электроника 1979, т. 6,№ 1,с. 184188.

8. Разделение изотопов методом многофотонной диссоциации молекул излучением мощного С02-лазера. И. Импульсные С02-лазеры периодического действия. (Авторы: Баранов В.Ю., Велихов Е.П., Казаков С.А., Малюта Д.Д., Межевов B.C., Низьев В.Г., Пигульский C.B., Письменный В.Д., Стародубцев А.И.) Квантовая электроника, 1979, т. 6,№ 4, стр.811-821.

9. Баранов В.Ю., Дроков Г.Ф.,Казаков С.А.,Межевов B.C., Низьев В.Г. Импульсно-периодический С02-лазер. ЖТФ, 1978, т. 48, с. 1039-1040.

10. The Application of High Pulse Repetition Rate C02-Laser with High Average Power for Isotope Seperation by Molecular Dissociation in a Strong IR Field. (Авторы: Bagratashvili V.N., Kolomiiskii Yu.R.,Letokhov V.S.,Ryabov E.A.,Baranov V.Yu.,Kazakov S.A., Niziev V.G., Pysmenny Y.D., Starodubtsev A.I., Velikhov E.P.) Applied Physics, 1977,14,p.217-220.

11. Баранов В.Ю., Межевов B.C., Низьев В.Г. и др. О скорости релаксации колебательной энергии после импульсного разряда в азоте. Тезисы докладов V Всесоюзной конференции по физике низкотемпературной плазмы, г.Киев, 1979, с. 61

12. Баранов В.Ю.,Низьев В.Г.,Пигульский C.B. Контракция распадающейся плазмы разряда в углекислом газе. Физика плазмы, 1979,т. 5,№ 1,с. 198-203.

13. Борисова Н.А.,Бреев В.В.,Любимов Б.Я.,Низьев В.Г.,Печенова

О.И. Волновые процессы в газовых трактах с импульсно-периодическим вкладом энергии .Препринт ИАЭ-3349/16, М.:ИАЭ, 1980, 25 с.

14. Баранов В.Ю., Высикайло Ф.И., Напартович А.П., Низьев В.Г., Пигульский C.B. Контракция распадающейся плазмы разряда в азоте. Физика плазмы, 1979,т. 3,№ 2,с.358-365.

15. Baranov V.Yu., Velikhov Е.Р., Kazakov S.A., Kolomiiskii Yu.R., Letokhov V.S., Niziev V.G., Pysmenny V.D., Ryabov E.A. Application of High Average Power High Repetition Rate C02-Laser to Isotope Seperation by Multi photon Dissociation. IEEE/OS A Conf. on Laser Engineering and Application. Washington USA, 1977.

16. Baranov Y. Yu., Borisov N.V., Niziev Y.G., Sholin G.V. C02-Laser Beam Interaction with CD2-Target. Proc. of the XII Int. Conf. on Phenomena in Ionised Gases. Amsterdam Netherlands 1975, c. 338

17. Разделение изотопов методом многофотонной диссоциации молекул излучением мощного С02-лазера. IY.

Обогащение изотопа 33S при воздействии на охлажденный газ SF6. (Авторы: Баранов В.Ю.,Велихов Е.П.,Коломийский Ю.Р.,Летохов B.C., Низьев В.Г., Письменный В.Д., Рябов Е.А.) Квантовая электроника, 1979,т. 6,№ 5,стр. 1062-1069.

18. Импульсный С02-лазер, работающий с высокой частотой повторения импульсов. (Авторы: Баранов В.Ю., Клепач Г.М., Малюта Д.Д.,Межевов B.C.,Низьев В.Г.,Чалкин С.Ф.). ТВТ,1977, т.15,№ 5,с. 972- 976.

19. Исследование характеристик импульсных С02-лазеров периодического действия. (Авторы: Баранов В.Ю., Казаков С.А., Малюта Д.Д., Межевов B.C., Низьев В.Г., Пигульский C.B., Стародубцев А.И.) Препринт ИАЭ-2996. М.: ИАЭ, 1978,20 с.

20. Баранов В.Ю., Низьев В.Г., Пигульский C.B. Газодинамические возмущения потока в С02-лазерах. I. Конвективное удаление нагретого газа из разрядной области. Квантовая электроника 1979,т. 6,№ 1,с. 177-183.

21. Баранов В.Ю., Низьев В.Г., Пигульский C.B., Толстов В.Ф. Самопрокачка газа при импульсно-периодическом вкладе

энергии. ЖЭТФ, 1980,т. 79,№ 2(8),с. 478-480.

22. Голубев B.C., Гофман З.Н., Низьев В.Г. Современные разработки мощных технологических лазеров. Препринт НИЦТЛ. Шатура: НИЦТЛ, 1988, № 42,38 с.

23. Абильсиитов Г.А., Бондаренко А.И., Васильцов В.В., Голубев В.С.,Гонтарь В.Г..Забелин A.M.,Низьев В.Г.,Якунин В.П. Промышленные технологические лазеры НИЦТЛ АН СССР. Квантовая электроника. 1990. т. 17, № 6. с. 672-676.

24. Низьев В.Г. Полулях В. П. Устойчивость секционированного разряда в потоке газа. Труды Всесоюзной конференции по применению лазеров в народном хозяйстве. Звенигород, 1985, с. 70-73.

25. Васильцов В.В., Забелин A.M., Низьев В.Г., Полулях В.П. О возможности создания многосекционной электроразрядной системы с малым числом внешних связей для технологического лазера. Тезисы докладов Всесоюзного научно-технического семинара "Лазерная технология в приборостроении",^ Рига, 1985 г. М.: 1985,С.10.

26. Низьев В.Г. Устойчивость секционированного разряда в потоке газа. Электротехника, 1987, № 11,с. 39-42.

27. Физические принципы и техническая реализация эффективной системы накачки газоразрядного лазера. (Авторы: Абильсиитов Г.А. , Булатов О.Г. , Иванов B.C., Низьев В.Г., Новодворский O.A., Поляков В.Д., Сагдеев Р.Я., Силантьев Ю.А., Царенко А.И.) Электротехника, 1988, № 11,с. 2-5.

28. Низьев В.Г.,Кортунов В.Н.,Новодворский O.A., Сагдеев Р.Я. Принципы построения секционированных электродных систем. Газоразрядный СОг-лазер с новой системой накачки. Препринт НИЦТЛ. Шатура: НИЦТЛ, 1991, № 77,43 с.

29. Niziev V.G., Kortunov V.N., Novodvorsky O.A., Sagdeev R.Ya. Gas Discharge C02-Laser with New Pumping System. Plasma Devices and Operations, 1992, № 5,p.89-98.

30. Гофман В.Э., Дембовецкий B.B., Низьев В.Г., Тарасов M.H. Технологический импульсно-периодический С02-лазер. Электротехника, 1988, № 11,с. 5-8.

31. Источник питания мощностью 15 кВт с регулируемыми

стабилизированным напряжением для импульсно-периодических газовых лазеров. (Авторы: Гордеев П.Г., Калинов А.А., Поляков Н.П., Румянцев П.П., Гофман В.Э.,Синенко В.В.,Ярушкин Ю.П., Низьев В.Г.) ПТЭ, 1990,№ 1,с.188-190.

32. Низьев В.Г.,Полулях В.П.,Сейдгазов Р.Д. Импульсно-периодические лазеры для термической технологии. Препринт НИЦТЛ, Троицк: НИЦТЛ,1983,№ 4,38 с.

33. Низьев В.Г.Теория неустойчивости резки материалов непрерывным излучением. Препринт НИЦТЛ. Шатура: НИЦТЛ, 1991, № 9,25 с.

34.Гладуш Г.Г.,Левченко Е.Б.,Низьев В.Г.,Р.Д.Сейдгазов О механизме разрушения полимеров излучением импульсно-периодического С02-лазера. Квантовая электроника 1984,11, №11, с.2294-2300.

35. Chen Tao, Qiu Junlin, Niziev Y.G. Thermal regimes of material surface radiated by moving pulse laser beam. Proceedigs of the Int.Conf. on Laser Materials Processing,Chongqing, China, 1994,p.43.

36. Goftnan V.E., Niziev V.G., Velichko S.V. Technological repetitively pulsed C02-laser. Тезисы докладов конференции "Лазеры и их применение" Пловдив,НРБ, 1988,с.14.

37. Сейдгазов Р.Д.,Низьев В.Г.,Гофман В.Э. О механизме удаления расплава импульсом TEA СС^-лазера. Поверхность, 1992, № 3,с. 18-21.

38. Niziev V.G. Theory of CW Laser Beam Cutting. Laser Physics, 1993,3,№ 3,p. 629-635.

Рис.1. Блок схема системы накачки с секционированными перекрещенными электродами и безбалластным источником питания.

Рис.2. Интерферограмма газодинамических возмущений после импульсного разряда (т=1мкс) в углекислом газе. Временная задержка экспозиции 20 мкс.

Рис.3. Теневые фотографии электродных волн инициированных импульсным разрядом в азоте. Временные задержки экспозиции 12 и 20 мкс.

А, отн. ед. 0.15

0.10 0.05 0.00

60 600

г, Гц

Рис.4. Резонасное возбуждение собственных частот газового тракта лазера при импульсно-периодическом вкладе энергии. Отдельные пики - скорость потока газа 10 м/с, кривая - при скорости потока 120 м/с

Рис.5. Временные интерферограммы газоразрядного промежутка, иллюстрирующие резонансное возбуждение стоячей волны при импульсно-периодическом вкладе энергии. На интерферограммах видны моменты вклада энергии, снос горячей пробки потоком газа, отсутствие на первой и наличие на второй стоячей волны.

Рис.6. Зависимость средней мощности излучения в одном луче лазера ИПТЛ-2 от частоты следования импульсов при разных составах лазерной смеси. Давление смеси 210 мм рт.ст.

Рис.7. Эволюция формы канала при лазерном воздействии на полиметилметакрилат.

и,тт

Рис.8. Форма фронта взаимодействия излучения с материалом в зависимости от положения образца по отношению к каустике.

Рис.9. Форма рисок на боковой поверхности реза, в зависимости от положения материала относительно фокуса. Во всех случаях положение фокуса приу=0.