Самофильтрующий неустойчивый резонатор в технологических CO2-лазерах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

На правах

Шулятьев Виктор Борисович

САМОФИЛЬТРУЮЩИЙ НЕУСТОЙЧИВЫЙ РЕЗОНАТОР В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ С02-ЛАЗЕРАХ

01.04.05 «Отика»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск - 2005

Работа выполнена в Институте теоретической и прикладной механики Сибирского отделения Российской академии наук

Научные руководители:

доктор технических наук Иванченко Анатолий Иванович

доктор физико-математических наук, профессор Оришич Анатолий Митрофанович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Насыров Камиль Ахметович

кандидат физико-математических наук Карапузиков Александр Иванович

Ведущая организация

Институт проблем механики РАН

Защита состоится «_»_2005 г. в_час._мин. на заседании

диссертационного совета К 003.005.01 в Институте автоматики и электрометрии СО РАН по адресу: 630090, г. Новосибирск, просп. Академика Коптюга 1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Институте автоматики и электрометрии СО РАН

Автореферат разослан «_»_2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н.

Косых В.П.

¿0082. ¿ЛУ о <

Общая характеристика работы

Актуальность темы.

Лазерные технологии обработки материалов широко применяются во многих отраслях промышленности и продолжают развиваться. Воздействие лазерного луча на материал основано на его быстром локальном нагреве Основными параметрами технологического лазера являются мощность и качество излучения, так как именно они определяют условия нагрева материала и эффективность применения лазеров для тех или иных видов обработки. Повышение мощности при сохранении высокого качества излучения стало основным направлением совершенствования технологических лазеров с начала их практического применения. Большинство среди технологических лазеров составляют в настоящее время (ХЬ-лазеры, позволяющие генерировать высокую мощность излучения Мощность лазера может быть повышена либо путем повышения плотности накачки, либо путем увеличения объема активной среды В первых поколениях технологических С02-лазеров использовался традиционный устойчивый резонатор. Присущее устойчивому резонатору ограничение хорошо и ¡вестно [4] - для дискриминации высших мод по потерям и поддержания генерации только на ТЕМад моде число Френеля N резонатора не должно превышать величины, приблизительно равной 1 Это ограничивает объем V моды и мощность излучения, поскольку V - К*.!,2, а длина I резонатора ограничена.

В связи с вышесказанным в 80 - 90 гт XX века активно исследовались оптические резонаторы, способные генерировать излучение высокою качества при больших, чем устойчивый резонатор, числах Френеля. Значительная часть из них основана на применении неустойчивых резонаторов с неоднородным полупрозрачным зеркалом. Зеркала с гауссовым или супергауссовым профилем коэффициента отражения имеют на прозрачной подложке диэлектрическое покрытие с толщиной, уменьшающейся от центра к краю зеркала [1-3]. Об экспериментах по применению таких зеркал в технологических С02-лазерах сообщалось в [4-6]. Известно зеркало с неоднородным отражением, представляющее собой интерферометр Фабри - Перо с изменяющимся по радиусу зазором [7]. В резонаторах непрерывных С02-лазеров мощностью более 1 кВт применялось зеркало, в котором коэффициент отражения меняется ступенчато - отражение имеет постоянную величину в центральной части и просветленную кольцевую область [8] В [8] подбором толщин покрытия и подложки обеспечивалось выравнивание фазы в выходном пучке.

В [9] сообщается об использовании в мощном С02-лазере устойчивого резонатора с неоднородным полупрозрачным зеркалом - выходное ¡еркало имеет заданный коэффициент отражения в центральной части, а остальная часть зеркала просветлена. В лазере с таким резонатором достигнута мощность излучения 6,2 кВт, однако в эксперименте наблюдалось ухудшение качества пучка при мощности излучения более 2 кВт, что авторы связывают с искажением в выходном зеркале.

В [10] в условиях непрерывного С02-лазера мощностью около 1 кВт исследовался неустойчивый резонатор с однородным полупрозрачным зеркалом, что позволило повысить качество пучка по сравнению с неустойчивым резонатором с полностью

отражающими зеркалами. Для уменьшения вреднь к сдафражтюмйЯ 1потфь резонатор

БИБЛИОТЕКА

С. Пен О»

имел увеличение, близкое к единице. Резонатор с малым увеличением имеет, как известно

[11], высокую чувствительность к аберрациям, кроме того, остается возможность искажений пучка в полупрозрачном зеркале.

В настоящее время в промышленных технологических С02-лазерах применяется резонатор с пеосевым выводом излучения из полностью отражающих зеркал, устойчивый по одной поперечной координате и неустойчивый по другой, так называемый устойчиво-неустойчивый резонатор [12, 13]. Усгойчиво-не^стойчивьгй резонатор применен в «слэб»-лазерах с диффузионным охлаждением активной среды фирмы Лойп-Зтаг, лазеры генерируют мощность до 6 кВт при величине парамегра качества 0,9. Устойчиво-неустойчивый резонатор применен также в С02-лазере с конвективным охлаждением активной среды и с поперечным потоком газа, где достигнута мощность излучения 6 кВт

[12] Однако эта схема также имеет свои ограничения. Резонатор плохо согласуется с активной средой, имеющей осевую симметрию. Выходной пучок имеет в поперечном сечении форму прямоугольника, что не всегда приемлемо без дополнительных преобразований пучка. В резонаторе применяются цилиндрические зеркала, более сложные в изготовлении и дорогостоящие по сравнению со сферическими. В слэб-лаэерах для обеспечения симметрии пучка применяется внерезонаторная пространственная фильтрация. При фильтрации теряется мощность излучения. Кроме того, надежная техническая реализация пространственной фильтрации на высокой мощности является сложной задачей и при мощности ~ 10 кВт, как минимум, значительно усложню лазерную установку. Достоинством устойчиво-неустой'швого резонатора является отсутствие проходных оптических элементов. В то же время из-за перечисленных особенностей применение устойчиво-неустойчивого резонатора нельзя считать универсальным решением генерации излучения с высоким качеством в мощных лазерах.

В настоящее время в большинстве технологических лазеров по-прежнему используется устойчивый резонатор. Совершенствование систем накачки позволило повысить мощность излучения проточных лазеров с устойчивым резонатором при генерации на низших поперечных модах, но к настоящему времени эта возможность практически исчерпана

Цель работы - разработать оптический резонатор технологического С02-лазера для генерации излучения с высоким качеством при уровне мощности 5 кВт и более.

Требование к резонатору мощного технологического лазера можно сформулировать следующим образом:

- высокое качество пучка при числе Френеля, значительно превышающем 1:

высокая эффективность преобразования энергии;

простота конструкции;

- высокая лучевая стойкость оптических элементов;

- низкая чувствительность к аберрациям.

В качестве объекта исследования выбран самофильтруюший резонатор (СФР) [3], предложеный авторами Р.О. СоЬЫ и в. С. ЯеаН в 1984 году. Резонатор отличается простотой конструкции, в нем отсутствуют проходные оптические элементы. К началу работы были опубликованы результаты экспериментов с самофильтрующим резонатором в импульсных Ш:УЛО, ХеС1 и СОг-лазерах. Сообщалось о высокой стабильности

характеристик излучения. Была продемонстрирована возможность генерации пучка с высоким качеством и большей по сравнению с устойчивым резона юром мощностью в лазерах со значительным усилением активной среды. В лазерах с умеренным усилением, к которым принадлежат непрерывные С02-лазеры, СФР не применялся. Имевшихся теоретических и экспериментальных результатов было недостаточно для обоснованною вывода о возможности эффективного использования СФР в мощных непрерывных С02-лазерах. Отсутс гаовали необходимые данные для оптимального выбора параметров при разрабожах. В выходном пучке СФР распределение ноля низшей моды близко к гауссову за исключением приосевой области, которая не заполнена излучением. Но этой причине распределение интенсивности в дальней зоне имеет характерную дифракционную структуру, детали которой определяются параметрами резонатора. Возможность использования такого пучка для обработки материалов, в частности для резки, также была неизвестна.

Задачи работы формулируются следующим образом.

Исследование возможности использования в непрерывном С02-лазере самофильтрующего резонатора для повышения мощности излучения но отношению к устойчивому резонатору при сохранении качества пучка на уровне ТЕМ^ моды.

• Определение оптимальной области рабочих парамефов СФР в условиях мощного СОг лазера

• Экспериментальное определение характеристик излучения С02-лазеров с СФР Оценка диапазона мощности излучения, в котором СФР может эффективно использоваться.

• Исследование характеристик реза металлических листов излучением С02-лазсра с СФР.

Научная новизна.

1. Впервые в технологическом С02-лазере применен самофильтрующий резонатор для повышения качества пучка. Разработана конструкция и определена область рабочих параметров резонатора в условиях непрерывного С02-лазера мощностью 1...8 кВт при качестве пучка,близком к ТЕМоо моде.

2. Экспериментально определены энергетические характеристики и качество излучения технологических С02-лазеров с СФР. На основе полученных удельных характеристик сделаны оценки мощности, которая может быть достигнута в проточных электроразрядных лазерах с СФР.

3. Определена перспективноегь применения С02-лазера с самофильтрующим резонатором в технологиях обработки материалов на примере лазерной резки. Впервые жеперимешально продемонстрирована возможность качественной резки стальных листов юлщиной до 20 мм изтучением лазера с СФР.

Пракшческая ценност ь работы

Результаты позволяют создавав мощные С02-лазеры с высоким качеством излучения на основе простых по конструкции резонаторов из полностью отражающих зеркал. Результаты испольюваны при создании в И7ПМ СО РАН технологических СОг лазеров мощностью от 1,5 до 8 кВт и на их основе автоматизированных комплексов для ре жи листовых материалов. Комплекс на основе лазера мощностью 1,5 кВт для резки электротехнической С!али установлен в НПО «ЭЛСИБ» в 2001 году В 2002 году в ОАО

«Новосибирский завод химконцетратов» установлен комплекс мощностью 5 кВт для вырезки деталей из коррозионно-стойких сталей для атомной промышленности. На комплексе производится также резка углеродистых и низколегированных сталей, диэлектриков, композиционных материалов. Комплекс на основе лазера мощностью до 8 кВт создан для «ОКБ лазерной техники» при СО РАН На комплексе ведутся исследования и разработки по лазерной технологии, в частности, произведена резка титановых пластин толщиной 30 мм На предприятии «СибЛазер» С02-лазеры мощностью 1...3 кВт с СФР входят в состав комплексов, использующихся для резки широкого круга металлических и неметаллических материалов.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Всесоюзной конференции «Применение лазеров в народном хозяйстве», Шатура, 1989 г.: Российской национальной конференции «Технологические лазеры и лазерная обработка материалов», Шатура, 1993 г; VII Международной конференции «Лазерные и лазерно-инфорчационные техноло1ии: фундаментальные проблемы и приложения», Владимир, 2001 г.; XIII International Symposium он Gas Flow and Chemical Lasers and High Power Laser Conference, Florence, Italy, 2000; XI International Conference on Laser Optics, St-Petersburg, 30 June-4 Jule, 2003; XV International Symposium on Gas Flow and Chemical Lasers and High Power Laser Conference, Prague, 30 August - 3 September 2004; XII International Conference on the Method of Aerophysical Research, Novosibirsk, Russia, 23 June-3 Jule 2004; на 5 Международной конференции «Лазерные технологии и средства их реализации», Carш-Петербург, 2003; V Международном семинаре «Применение лазеров в науке и технике», Новосибирск, 1992; Всесоюзной конференции молодых ученых и специалистов ИТПМ, Новосибирск, 1988.

Личный вклад автора в получение представленных в работе результатов является определяющим, включая выбор способа достижения сформулированной в работе цели, планирование и проведение расчетов и экспериментов или непосредственное в них участие, разработку принципиальных технических решений конструкций резонаторов. Автор принимал непосредственное участие в создании экспериментальных установок и в формулировке целей и задач работы.

Защищаемые положения

1. Самофильтругогций неустойчивый резонатор позволяет генерировать в непрерывном электроразрядном С02-лазере мощностью 1...8 кВт излучение, близкое по качеству к TFMIX, моде устойчивого резонатора при эффективности преобразования энергии на уровне неустойчивого телескопического резонатора.

2. СФР может обеспечивать в непрерывном элекгроразрадном проточном С02-лазере мощность излучения с единицы длины резонатора приблизительно в три раза большую, чем устойчивый резонатор при генерации на TEMoo моде и при близких параметрах системы возбуждения.

3. С02-лазер с самофильтрующим резонатором позволяет производить резку сталей с основными показателями качества реза и с удельными энергозатратами не хуже, чем лазер с устойчивым резонатором при генерации на низших модах.

Публикации.

Основные результаты диссертации опубликованы в 12 работах, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 150 наименований. Полный объем диссертации 91 страница, включая 45 рисунков и 8 таблиц.

Содержание рабты

Во введении дан краткий обзор и анализ методов генерации излучения с высоким качеством в технологических лазерах, обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи работы, ее научная новизна, приведены данные о практическом использовании результатов работы, сформулированы защипщемые положения.

Глава 1 посвящена численному исследованию самофильтрующего резонатора.

СФР (рис. 1) представляет собой конфокальный резонатор из двух софокуспых сферических зеркал, в общей фокальной плоскости которых расположено кольцевое выводное зеркало с отверстием связи радиусом а, а =■ (0,61//2) Активная среда расположена между выводным зеркалом и зеркалом с фокусным расстоянием ^.

Расчет распределения интенсивности в пучке СФР проводился на основе дифракционного ингсграла Френеля Кирхгофа. Дифракционный интеграл, записанный через элементы лучевой матрицы для случая осевой симметрии, выглядиг следующим образом:

и2(г2) = 2тгсх^Щ I (г,)ехрря-(А2 + Ог1)! ЛВ]'/0<Мг2 / В)гхс1гх,

ив ц

здесь м,<(>/), и^Г)) радиальные распределения комплексной амплитуды поля в опорных плоскостях ! и 2, А - расстояние между опорными плоскостями, Я/ - апертура источника в плоскости 1, ](, — функция Бесселя первого рода нулевого порядка, к = 2тх/Х, А, В, О -элементы лучевой матрицы промежутка 1-2. Расчеты проводились двумя методами -итерационным методом Фокса и Ли, а также методом [18], при котором интегральное уравнение резонатора сводится к системе линейных алгебраических уравнений.

Расчеты выполнялись для низшей моды пустого резонатора со сферическими зеркалами. Вследствие дифракции на отверстии связи распределение в дальней зоне представляет собой характерную струюуру с центральным пятном и боковыми кольцами. Качество пучка возрастает с ростом увеличения резонатора М, М = поскольку уменьшается интенсивность побочных максимумов и доля энергии за пределами центрального пятна. При М> 4 выходной пучок СФР приближается по качеству к гауссову, рассчитанный для пустого резонатора параметр К имеет величину 0,9 и более, К параметр качества излучения, К = 4л/7гОО, где 0, О - расходимость излучения в дальней зоне и диметр пучка в ближней зоне, соответственно.

На рис. 2 показана доля мощности а, в центральном пятне в дальней зоне и интенсивность 1т! первого побочного максимума в зависимости от увеличения резонатора М. При М ~ 4 в центральном пятне содержится 90% всей мощности пучка, а 1т1 имеет величину менее 0,007. Для сравнения отметим, что источнику с круглой апертурой и однородным распределением амплитуды и фазы соответствуют б0 и 1т1, равные 84% и 0,

0175 На рис 3 показаны рассчитанные распределения интенсивности изучения в выходном пучке (в плоскости выводно! о зеркала) и в дальней зоне при М~4иМ=6

Рассчитывалась также зависимость качества выходного пучка от соотношения апертуры зеркал резонатора и размера пятен на зеркалах Установлено, что качество пучка максимально, когда радиус А апертуры зеркал равен радиусу центрального пятна радиального распределения интенсивности на выводном зеркале, что имеет место при А = 1,5 Ma.

В главе 2 анализируется возможность эффективного использования СФР в мощном непрерывном элекгроразрядном С02-лазере

Особенностью СФР является взаимозависимость величины обрашой связи, модового объема при заданной длине резонатора и качества выходного пучка, поскольку все эти величины зависят от геометрического увеличения M резонатора Причем зависимость модового объема V и качес!ва пучка К or M яв^ется прямой, а величины обратной связи R' - обратной.

Оценка эффективности преобразования энергии в резонаторе и необходимого усиления сделана на основе известных соотношений [1!], полученных для аационарното режима генерации, однорочного уширения контура уситения, равномерного распределения ненасыщенного коэффициента уситения а0 по активному объему и равномерною распре (еления интенсивности излучения генерации в поперечном сечении резонатора. Как следу ci из представленных в Главе 1 результатов, выходной пучок СФР приближается по качеству к гауссову при M * 4 и более Согласно оценкам, при M - 4 . 5 и характерных дтя СОт-тазера потерях в многопроходной схеме резонаюра эффективность преобразования имеет максимум при a(Jl = 10...12 Но поскольку КПД резонатора слабо зависит от обратной связи вблизи свои о максимального значения, уменьшение усиления в 2 2,5 раза приводит к уменьшению КПД всего на 10%. Усиление ccol ~ 4.. 6 уже вполне достижимо при непрерывной накачке в многопроходной схеме Таким образом, высокое качество пучка и высокая эффек тивнос гь преобразования энергии в резона юре достигаются в диапазоне увеличений резонатора M ~ 4 .. 6. В СФР с увеличением однозначно связано число Френе.ш N усилительного плеча, N = D7 /4X1 - 0,6\a"hM , здесь а - A/Ma, А -радиус апертуры зеркала резонаюра, 1 длина акшвной среды, h f]/'l Соо1ве1ствующий Vf 4...6 диапазон N равен 5...8, что хорошо согласуется с парамеграми активных сред современных проючных С02-лазеров.

['лава 3 посвящена применению СФР в технологических С02-лазерах. Описана конструкция разработанных в ИТПМ СО РАН лазеров, предиавлены схемы резонаторов, приведены результаты измерения характеристик излучения, проведено сравнение лазеров с СФР и лазеров с устойчивым и неустойчивым телескопическим резонаторами

Созданные в ИТПМ СО РАН технологические С02-лазеры непрерывного действия ЛОК [151 существую! в нескольких модификациях. Общим для них является использование самостоятельного разряда постоянного тока для возбуждения активной среды, конструкция электроразрядного устройства со сплошными несекционированными электродами и общая компоновочная схема лазера: направления газового потока, электрического тока и направление распространения излучения в резонаторе взаимно перпендикулярны Различаю юя лазеры длиной электродной сисюмы в поперечном к

газовому потоку направлении, количеством разрядов в общем газовом потоке (один или два), конфигурацией газодинамического контура. Электродная система включает общий для обоих разрядов анод - медную пластину шириной вдоль потока 100... 140 мм, и два кагода - медные трубки по обеим сторонам анода вблизи диэлектрических стенок канала. Газ прокачивается по замкнутому контуру при помощи центробежного вентилятора. Скорость газового потока на входе в разрядную камеру составляет 45...60 м/с. Непосредственно за разрядной камерой по направлению потока расположен ребристый теплообменник, использующий в качестве хладагента воду. Газовая смесь C02:N2:He или С02:воздух:Не имеет давление до 30 мм.рт.ст.

СФР устанавливался и исследовался на нескольких лазерах типа ЛОК, отличающихся количеством разрядных промежутков и длиной разряда. Максимальная мощность излучения ССЬ-лазеров семейства JIOK с СФР получена на лазере «Сибирь 1» с двумя разрядными промежутками. Расстояние между катодом и анодом равно 55 мм в каждом разряде, длина электродной системы вдоль направления распространения излучения в резонаторе рав1 га 110см. Скорость газа в разрядных промежутках равна 50 м/с. Схема резонатора показана ни рис. 4. В большем шгече резонатора луч совершает по 3 прохода в каждом разрядном промежутке по Z-образной схеме. Увеличение резонатора равно 4,5, длина резонатора (расстояние между крайними сферическими зеркалами) -11,2 м. Диаметр отверстия связи в выводном зеркале равен 7,3 мм, диаметр апертуры зеркал в большом плече резонатора - 49 мм и равен расчетному значению центрального пятна распределения интенсивности. Кольцевое зеркало является вогнутым и образует со стоящим за ним по ходу луча выпуклым зеркалом (на рисунке не показано) телескоп, уменьшающий диаметр луча в 1,3 раза. Максимальная мощность излучения лазера равна 8,3 кВт.

В таблице 1 дано сравнение лазера «Сибирь 1» с СО?-лазерами Spectra Physics 820 [15] и Toshiba Corporation [16], в которых активная среда возбуждается гакже самостоятельным разрядом постоянного тока.

Таблица 1.

Мощность Aitepiypa Длина Удельная

Лазер Резонатор излучения, зеркал, резонатора, мощность,

кВт мм м кВт/м

Spectra Physics устойчивый 1,5 - 8,05 0,19

820 ТЕМ«,

Toshiba неустойчивый 10 50 10 1,0

Corporation M = 3

Сибирь 1 самофильтрующий М - 4,5 8 49 11,2 0,71

Самофилырующий резонатор позволит получить мощность излучения с единицы длины резонатора примерно в 1,4 раза меньшую, чем неустойчивый телескопический резонатор, но более чем в 3 раза ботьшую, чем устойчивый при i операции па TFMf,o моде.

Измерения пространственных характеристик излучения выполнены на лазерах «Сибирь 1» и ЛОК-ЗМ мощностью 3,5 kBi Лазер ЛОК-ЗМ имеет два разрядных промежутка при длине разряда 80 мм. Увеличение резонатора ЛОК-ЗМ равно 4,5, компоновочная схема резонатора аналогична схеме лазера «Сибирь 1» Для измерения расходимости излучения в дальней зоне и диаметра пятна в ближней зоне использовался метод калиброванных диафрагм. Выходной пучок фокусировался сферическим мстатлическим зеркатом с фокусным расстоянием 4,8 м, распределение мощности в перетяжке пучка («мощность в кружке») определялось измерением доли полной мощности, проходящей через диафрагму при различных диаметрах диафрагмы По результатам измерений расходимость излучения 0 равна 0,68 мрад (полный утл по уровню 0,86 мощности), а диаметр D пучка в ближней зоне, измеренный методом калиброванных диафрагм, - 30 мм Этим величинам соответствуст К = 0,66

Зависимость распределения интенсивности в сфокусированном пучке от мощности излечения измерена на лазере «Сибирь Ь>. Распределение ингенсивносш в перетяжке пучка, сфокусированного ZnSe линзой с фокусным расстоянием 190,5 мм, регистрировалось методом сканирования отражающим цилиндром. Фокусирующая линза входи I в состав резака, который используется для лазерной резки. При помощи соыасующею icJiecKona апертурньтй диаметр пучка на входе в линзу устанавливался равным 30 мм. На рис. 5 показано распределение мощности в пучке, полученное в результате сканирования перетяжки пучка в направлении, перпендикулярном оси пучка

Измерения проводились при мощности излучения 0,5. 5,5 кВт. В этом диапазоне осевая интенсивность возрастает с ростом мощности практически линейно, и не происхотит видимых изменений диаметра пучка и формы распредетения Диаметр пучка по уровню 0,86 мощности на фокусирующей линзе равен приблизительно 20 мм Как показывают оценки, вклад сферической аберрации в размер фока плюю пята пренебрежимо мал, что позвотяет оценить расходимость излучения и параметр качества пучка Оценка дает К - 0,63, что близко к величине 0,66 лазера ЛОК-ЗМ, резонатор которого также имеет увеличение 4,5.

На рис 6 в координатах «мощность изтучения - качество пучка» представлены промышченные ¡ехнологические СОг-лазеры двух ведущих мировых фирм-нроизводитетей - Trumpf и Rofin Sinar, зтесь же представлен лазер «Сибирь 1» с самофильтрующим резонатором

Как видно из рисунка, максимальная мощность лазеров с устойчивым резонатором при генерации на ТЕМад моде (К - 0,9) не превышает 3,5 кВт. Такую же мощность имеют лазеры, генерирующие преимущественно на ТЕМ„о моде с примесью мод высших порядков (К - 0,6) Мощность 6 кВт достигается при генерации на ТЕМ0| моде (К = 0,55). Далее с ростом мощности происходит резкое ухудшение качества пучка Максимальную мощность 6 кВт при качестве пучка на уровне TEMqo моды имеют так называемые «слэб»-пазеры, в которых применен устойчиво-неустойчивый резонатор. Эта схема применена также в СОглазере с поперечным поюком мощностью 6 кВт [12|. Присущие эюму резонатору недостатки отмечены во Введении Проведенный анализ показываст, чю

полученная в настоящей работе мощность проточного СОг-лазера с СФР не является предельной Самофильтрующий резонатор позволяет сочетать высокую мощность излучения и высокое качество пучка и представляется перспективным для использования в ССЬ-чазерах мощностью более 5 кВт

Мощность излучения может быть повышена путем увеличения объема активной среды или увеличения плотности накачки. В работе сделаны оценки мощное I и, достижимой в лазере с поперечной прокачкой при использовании СФР В таблице 2 представлены два варианта построения лазера типа «Сибирь \>, также с двумя разрядами, но с повышенной длиной разряда и коэффициентом увеличения резонатора 5 вместо 4,5. Уси тения активной среды при этом, как показывают оценки, достаючно для обеспечения эффективного преобразования энергии Мощность излучения с единицы активною объема принята 1акой же, как в ¡тазере «Сибирь 1» Возможность достижения мощности излучения 5 кВт с 1 м длины разряда в лазерах типа ЛОК продемонстрирована в [ 17] Таблица_2.

Лазер

Длина разряда

Сибирь 1

Гт

Вариант I

1,1

7,з

Вариант 2 ! 1,5

Увеличение Длина

Объем

резонатора резонатора разряда

4,5

11,2

13У

44"

13,6

18,4

Л

Диаметр

пучка

мм

49

56

59

Мощность кВт

8,2 12,4" 16,8

В главе 4 изложены результаты применения СОг лазеров с СФР для резки сталей Дано общее описание созданных на основе лазеров с СФР техпотогических комплексов д ш речки листвых материалов. Приведены скорость резки, шероховатость поверхности реза, ширина реза для листов углеродистой и легированной ста ш. Дано сравнение полученных резу штатов с известными из литературы харак!сристиками реза, полученными при использовании лазеров с устойчивыми резонаторами Приведены фоюграфии вырезанных деталей, поверхностей реза, поперечных сечений канала реза.

Оптическая система комплекса включает лазерный резонатор, выходное окно из 7пЯе, зерка зьный телескоп для согласования диаметра выходного пучка лазера и входной апер|уры лазорною резака, систему плоских нромежу!очных зеркал, фазосдвигающее зеркало для преобразования плоской поляризации излучения в круговую, фокусирующую линзу из /п$с Координатный технологический стол построен по схеме «тегающая оптика» (лазерный резак перемещается по двум поперечным координатам относительно неподвижного лис га) Соосно с лазерным пучком на материал подается через коническое сопто струя технологического газа Дтя стабилизации зазора между соплом и разрезаемым листом применена система слежения на основе емкостного датчика На рис 7 дана фотография лазерного технологического комплекса для резки листовых материалов на основе лазера с СФР. Резонатор лазера имеет увеличение 4,5.

В таблице 3 приведены скорости резки листов углеродистой стали обыкновенного качества Ст.З в струе кислорода в сравнении со скоростями резки мало)г геродистой стали

при использовании СОглазера с устойчивым резонатором фирмы PRC. При резке лазером с СФР во всем диапазоне толщин листов использовалась линза с фокусным расстоянием 190,5 мм при диаметре пучка на линзе 30 мм (апертурный размер). Скорость резки определялась как скорость, при которой отсутствует грат на нижней кромке реза, и шероховатость имеет визуально минимальную величину Видно, что скорости резки лазером с СФР и лазером PRC близки. Таблица 3.

Толщина, мм 2 3 4 5 6 8 10 10 12 20

Мощность, кВт 1 1 1 ! 1 1 1 1,3 1,5 1,5 3,5

Скорость, м/мин СФР,ЛОК 3,8 2,7 1,8 1,6 1,4 1 0,8 0,6 0,9

Скорость, м/мин УР, PRC 4 2,3 1,8 _ 1,5 1,4 1 0,9 0,8 0,85

Измеренная величина шероховатости R„ усредненная для образцов толщиной 1... 10 мм, равна 19,7 мкм (для измерений использовался профилограф Form Talysurf 0355) Аналогичная величина для поверхности реза, полученного на комплексах фирмы Trumpf, -14,7 мкм, величины достаточно близки. При толщине образцов 10 мм и более поверхность реза для лазеров с СФР имеет в 1,5... 2 раза большую шероховатость. Следует заметить, что качество реза зависит от большого количества различных, иногда трудно контролируемых факторов - химического состава разрезаемого материала и технологического газа, состояния поверхности листа, стабильности перемещения резака относительно листа, состояния оптических элементов, что затрудняет корректное сравнение результатов, полученных на разных установках. Образцы реза малоуглеродистой стали толщиной 16 мм и 10 мм показаны на рис. 8 и 9, соответственно.

При резке малоуглеродистой стали толщиной 1 мм в струе азота одиночной линзой при условиях фокусировки, оптимальных для получения минимального размера фокального пятна, рез имеет ширину 90... 100 мкм, что характерно для одномодовых С02-лазеров.

На рис. 10 показано сечение канала реза титановой пластины толщиной 20 мм. В качестве технологического газа использовался аргон, фокусное расстояние линзы равно 254 мм, перетяжка сфокусированного пучка находится на расстоянии 9 мм от верхней поверхности реза. Ширина канала на половине толщины равна 33 мм, что близко к диаметру пучка в перетяжке. На рис. И показана поверхность реза титановой пластины толщиной 30 мм, рез выполнен на установке «Сибирь 1» при мощности излучения 6 кВт.

По результатам экспериментов можно сделать следующие выводы.

1. При резке малоуглеродистой стали в струе кислорода фат на деталях orcyi ствует.

2 Скорость резки малоуглеродистой стали в струе кислорода близка к скорости резки излучением С02-лазера с устойчивым резонатором.

3. Шероховатость поверхности рсза листов малоуглеродистой стали толщиной до 10 мм не превышает 20 мкм, что характерно для резки излучением лазеров с устойчивым резонатором.

4. Боковые стенки канала реза близки к прямым. При резке стальных и титановых листов с инертным газом выбором условий фокусировки может бьггь получена ширина реза, близкая к диаметру перетяжки сфокусированного пучка. В листе толщиной 1 мм рез имеет ширину примерно равную 0,1 мм, характерную для С02-лазеров с устойчивым резонатором.

В Заключении приведены основные результаты работы.

1. Расчетным путем определены пространственные характеристики выходного пучка самофильтрующего резонатора.

2. Определены увеличение резонатора и поперечные размеры зеркал, оптимальные для генерации излучения с высоким качеством в мощном непрерывном С02-лазере.

3. Разработаны и применены в технологических СОглазер ах с поперечным потоком резонаторы на основе СФР. Измеренный параметр качества пучка равен 0,66 при числе Френеля 6,1.

4. Впервые произведена генерация пучка с качеством ТЕМ«) моды при мощности излучения 8 кВт.

5. Показано, что возможным является создание непрерывных С02-лаэеров с СФР уровня мощности до 15 кВт при значениях параметров резонатора, обеспечивающих высокое качество излучения.

6. Впервые произведена резка стальных листов толщиной до 20 мм излучением С02-лазера с СФР. Показано, что по основным показателям качества реза и удельной энергии резки СФР близок к устойчивому резонатору. Произведена резка титановых пластин толщиной 30 мм.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1 Иванченко А.И., Крашенинников В.В., Пономаренко АГ., Шулятьев ВБ. Самофильтрующий резонатор в С02~лазере непрерывного действия // Квантовая электроника. 1989. Т. 16, №2. С. 305-307.

2. Грачёв ГЛ., Иванченко А.И., Смирнов AJI., Шулятьев В.Б. Неустойчивый резонатор с пространственной фильтрацией излучения в технологическом СОглаэере // Квантовая электроника. 1991.Т. 18,№ 1.С. 131-134.

3. Иванченко АЛ., Крашенинников ВБ., Смирнов АЛ., Шулятьев В.Б. Технологический С02-лазер мощностью 3 кВт с высоким качеством излучения Н Квантовая электроника. 1994. Т. 21, №7. С. 643-648.

4. Афонин Ю.В., Гольпиев А.П, Иванченко А.И., Малов АН., Оришич AM., ПечуринВЛ., Филев В.Ф., Шулятьев В.Б. Генерация излучения с качеством ТЕМ«) моды в непрерывном ССЬ-лазере мощностью 8 кВт // Квантовая электроника. 2004. Т. 31,№4. С. 307-310.

5. Смирнов АД, Шулятьев В.Б. Численное и экспериментальное исследование самофильтрующего неустойчивого резонатора применительно к проточному С02-лаэзру // Моделирование в механике: Сб. науч. гр. Т. 2, № 6. Новосибирск, Изд. ИП1М СО АН СССР, 1988. С. 115-121.

6. Иванченко А.И., Крашенинников В.В., Пономаренко А.Г., Шулятьев В.Б. Самофильтрующий неустойчивый резонатор для СО>-лазера // Применение лазеров в народном хозяйстве: Тез. докл. III Всесоюз. конф. Шатура, 1989. С. 23.

7. Gohshev А.P., Ivanchenko A.I, Onshich AM, Shulyat'ev V.B. Industrial C02-lasers of power up to 10 kW with high quality radiarion//Proc SPIE. 2001. Vol. 4184. P. 414 - 419.

8. Малов A.H., Малов H.A., Оришич AM., Шулятьев В.Б., Печурин В.А., Филев В.Ф. Резка толстых металлических пластин излучением (Х)2-лазера с самофиллрующим резонатором // Лазерные технологии и средства их реализации: Материалы IV Междунар. научно-техн. конф. С.-Петербург: Изд-во СПбГТТУ, 2003. С. 39-47

9 Fomin V.M, Filev V F, Pcchurm V A , Onshich A M., Golyshev A P, Malov A.N., Afonin Yu.V., Shulyat'ev VB High power high beam quality industrial C02-lasers and material processing systems // Intern. Conf. on the Methods of Aerophys. Research: Proc. Pt III. Novosibirsk, 2004. P. 65-70. 10. Malov A N., Shulyat'ev V.B Measurement of the parameters of a focused beam of powerfull C02-laser // Intern. Conf. on the Methods of Aerophys. Research: Proc. Pt III. Novosibirsk, 2004. P. 119-122.

11 Golyshev A.P, Malov AN., Orishich A.M., Shulyat'ev V.B., Pechurm VA, Filev VF. Application of the high-power continuous-wave C02-laser with self-filtering resonator to cutting of metal plates // Proc. SPIE. 2004. Vol. 5777. P. 256-261

12 Afonin Yu.V, Filev VF, Ivanchenko A.I, Golyshev A.P., Malov A.N., Onshich A.M., Pechurin V A , Shulyat'ev V В., Shikhalcv E G. Automated laser technological complex for cutting with irradiation power of 8 kWt//Proc SPIE. 2004 Vol. 5479 P. 164-169.

Цитируемая литература

1. Willets D V., Harris В R Output charactenstics of a compact 1 J COrlaser with a gaussian

reflectivity resonator // IEEE J. Quant. Electron. 1988. Vol. 24, No. 6. P. 849-955 2 Snell K.J, McCarthy N, Piche M.. I avigne P. Single transverse mode oscillations from an unstable resonator Nd'YAG laser using a variable reflectivity mirror // Optics Comms. 1988 Vol. 65, No. 5. P. 377-381. 3. Lavigne P., McCarthy N., Parent A., Snell K.J. Laser mode control with variable reflectivity mirrors // Canadian J. Phys. 1988. Vol. 66, No. 10. P. 888-895.

4 Sona P, Muys P, Sherman С, Leys Ch. High-power fast-axial-flow C02-laser with a

variable-reflectivity output coupler//Opt. Lett. 1990. Vol. 15, No. 24 P 1452-1455

5 Generalov N A., Gorbulenko M.I, Solov'yov NG, Yakimov M.Yu., Zimakov V.P. High-

power industrial COj-lasers excited by a nonself-sustaincd glow discharge. Gas Lasers -

Recent Developments and Future Prispects / Eds W J. Witteman, V N. Ochkin Dordrecht: Kluwer Academic Publishers, 1996 P 323-327.

6 Генералов H.A., Зимаков В.П, Соловьев Н.Г., Якимов MJO. Повышение качества

излучения мощных непрерьшных С02-лазеров с поперечной прокачкой путем применения специальных схем оптических резонаторов // Изв. Акад. наук. Сер физическая. 1994. Т. 56, № 2. С. 104 109.

7 De Silvestri S, Laporta P., Magni V. Laser output coupler based on a radially variable

interferometer//! Opt. Soc Am. A. 1987 Vol. 4,No. 8. P. 143-150.

8. Yasui K., Tanaka S , Yagi S. Unstable resonator with phase-unifying coupler for high power lasers // Appl. Phys. Lett. 1988. Vol. 52, No. 7. P. 530-533.

9. Takenaka Y, Nishimae J, Tanaka M, Motoki Y. Gauss-core resonator for high-speed cutting of thin metall sheets //Opt Lett 1997. Vol. 22, No 1. P. 37-39.

10 Михеев П.А., Николаев В. Д., Шепеленко А А. Неустойчивый резонатор с полупрозрачным выходным зеркалом для быстропрсп очного (ХЬ-лазера // Квантовая электроника. 1992. Т. 12, № 5. С. 456-461.

И.Ананьев ЮЛ. Оптические резонаторы и проблема расходимости лазерного излучения. М.: Наука, 1979.

12,Galushkm M.G., Golubev V.S, Korotchenko A.V, Zabelin A.M. Physical and technical factors determining beam quality of high-power fast-transverse-flow industrial lasers // Proc. SPIE. 1996 Vol. 3092 P. 134-141.

13 Du K., Biesenbach J., Ehrhchmann D. Lasers for materia! processing- specifications and trends // Opt. and Quant Electronics. 1995. Vol. 27. P. 1089-1101.

14 Gobbi P.O., Reali G.C. A novel unstable resonator configuration with a self filtering aperture // Opt. Comms. 1984. Vol. 52, No. 3. P. 195-202.

15.Технологические лазеры: Справочник / Под ред ГА. Абильсишова. Т. I. М.: Машиностроение, 1991.

16 Takhasaki Т, Kakisaki К., Sasaki N., Sakuma J. 10 kW C02-laser for material processing // Proc. SPIE. 1986. Vol. 610 P. 50-55.

17. Волков BJI., Денисенко A.A., Закревский С.И., Иванченко А.И., Коба А.П, Лысенко КЛ., Пономаренко А.Г. Система накачки с высокими удельными энергетическими характеристиками для технологического С02-лазера // Квантовая электроника. 1989. Т. 16, № 11. С. 2234-2234.

18 Булышев А.Е., Ведерников ГО А., Преображенский Н Г. К расчету характеристик лазерного резонатора //Квантовая электроника. 1980. Т. 7, № 5. С. 1093-1094.

м

Рис. 1. Оптическая схема Рис. 2. Зависимость доли мощности Со в

самофильтрующего резонатора. центральном пятне и интенсивности 1т]

первого побочного максимума в дальней зоне от увеличения М резонатора.

М=4

51К

ГфШЛ 1 "-'IV

024бвЮ12?1%

Углоюй радиус огнсд

М-6

I ау|.сов пучок

15 20

Угловой ради) с, о ш ед

Рис. 3. Угловое распределение интенсивности излучения выходного пучка СФР в дальней зоне при М = 4 (а) и М = 6 (б). Пфиферийная часть пучка увеличена

-400 -200 0 200 400 600 Радиус пучка, мкм

Рис. 4. Схема СФРС02-лазера Сибирь 1. 1,2- сферические зеркала, 3 - кольцевое выводное зеркало.

Рис. 5. Измеренное распределение мощности в сфокусированном пучке.

1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0 1

ТЕМ,

ТЕЛ/,

Устойч

1во-неу

Сам

ТЕМ,

имафш]

льтрутщии

6 8 10 12 Мощность, кВт

14 16

Рис. 6. Мощность излучения и качество пучка технологических С02-лазеров. Знак «+» в ТЕМш+ означает, что ТЕМоо мода является доминирующей.

Рис. 7. Автоматизированный лазерный технологический комплекс для резки листовых материалов на основе лазера мощностью 5 кВт.

Рис. 10. Поперечное сечение канала реза в титановой пластине толщиной 20 мм. Ширина канала равна 33 мм (измерение при помощи микроскопа). Минимальная ширина канала равна 23 мм (измерение щупом).

Рис.11. Поверхность реза титановой пластины толщиной 30 мм. Рез выполнен на установке «Сибирь 1» при мощности излучения 6 кВт

Ответственный за выпуск В.Б. Шулятьев Подписано в печать 28.10.2005

Формат бумаги 60 х 84/16, Усл. печ. л. 1.0, Уч. изд. л. 1.0, Тираж 100 экз., Заказ №10

Отпечатано на ризографе ЗАО "ИНТЕРТЕК" 630090, Новосибирск-90, Институтская, 4/1

№21331

РНБ Русский фонд

2006^4 20082

i

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ХАРАКТЕРИСТИКИ ПУЧКА СФР.

§ 1.1. Расходимость и качество лазерного излучения.

§ 1.2. Самофильтрующий резонатор - схема и основные свойства.

§1.3. Методы численного расчёта характеристик резонатора.

§ 1.4. Характеристики пучка СФР.

§ 1.5. Выбор размеров зеркал резонатора.

ГЛАВА 2. ОПТИМАЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ СФР В УСЛОВИЯХ

МОЩНОГО НЕПРЕРЫВНОГО С02-ЛАЗЕРА.

§ 2.1. Об эффективности преобразования энергии в лазерном резонаторе.

§ 2.2. Область рабочих параметров СФР.

ГЛАВА 3. СФР В МОЩНОМ НЕПРЕРЫВНОМ С02-ЛАЗЕРЕ.

§ 3.1. Устройство технологических СОг-лазеров ЛОК.

§ 3.2. Средства и методы измерений.

§ 3.3. Мощность излучения.

§ 3.4. Расходимость и качество излучения.

§ 3.5. Максимальная мощность непрерывных СОг-лазеров с СФР.

ГЛАВА 4. РЕЗКА МЕТАЛЛОВ ИЗЛУЧЕНИЕМ С02-ЛАЗЕРА С СФР.

§ 4.1. Особенности лазерной резки металлов.

§ 4.2. Технологические комплексы для резки на основе СОг-лазера с СФР.

§ 4.3.Скорость резки и качество реза.

Функциями оптического резонатора в лазере являются преобразование энергии активной среды в энергию когерентного излучения и формирование пространственной структуры лазерного пучка. Кроме того, в резонаторе могут находиться элементы, для управления спектральными, временными и поляризационными характеристиками излучения - дифракционные решетки, призмы, затворы, поглощающие ячейки, анизотропные элементы.

Идеи об использовании в лазерах открытого оптического резонатора впервые высказаны в работах A.M. Прохорова [121], а также Шавлова и Таунса [122]. В качестве резонатора предложено было использовать простейшую систему из двух расположенных друг напротив друга зеркал, причем, размер зеркал и расстояние между ними намного превышают длину волны излучения. Такой резонатор обладает на оптической частоте значительно лучшими селективными свойствами, чем объемный. В то же время, потери энергии, связанные с дифракцией излучения на зеркалах, имеют приемлемую величину. В работе Фокса и Ли [123] было показано существование в таком резонаторе устойчивых самовоспроизводящихся распределений поля - мод, рассчитаны характеристики мод. В шестидесятых годах двадцатого века была в основном построена: теория пустых идеальных резонаторов [4, 124]: В конце шестидесятых - начале семидесятых годов после выхода работы А. Сигмена [125] активно исследовались неустойчивые резонаторы, нашедшие применение в лазерах с большим поперечным сечением и сравнительно большим усилением активной среды. В настоящее время существуют десятки различных разновидностей лазерных резонаторов. Это связано, с одной стороны, с многообразием лазерных активных сред, с другой стороны - с многообразием применений лазеров и, соответственно, с разными требованиям к характеристикам лазерного излучения. Результаты теории и практики применения резонаторов изложены в [ 4, 6, 61, 95, 124].

Остановимся более подробно на мощных лазерах с большим объемом активной среды, к которым относятся и технологические лазеры, т.е., лазеры, применяемые для обработки материалов - резки, сварки, поверхностного термоупрочнения, наплавки, гравировки и т.д. Мощность технологических лазеров имеет величину от сотен ватт до десятков киловатт. Важнейшей характеристикой технологического лазера является и расходимость излучения.

Большинство среди технологических лазеров составляют СОг-лазеры с давлением газовой смеси до 100 мм.рт.ст. и непрерывной накачкой. Активная среда в этом случае является достаточно однородной, и расходимость излучения решающим образом зависит от типа и параметров оптического резонатора. При лазерной обработке на материал воздействуют сфокусированным пучком. Размер d фокального пятна при безаберрационной фокусировке определяется соотношением d = OF, 0 - расходимость излучения, F - фокусное расстояние линзы или зеркала. Расходимость определяет вместе с мощностью интенсивность излучения на поверхности материала - основной, параметр лазерной обработки. Важной является и форма распределения интенсивности в фокальном пятне, которая также зависит от модового состава резонатора.

Рассмотрим связь между модовым составом резонатора и технологическими возможностями лазера на примере ССЬ-лазеров, генерирующих в настоящее время максимальную мощность и составляющих большинство среди применяемых в промышленности: технологических лазеров. В появившихся г в семидесятых, годах СО2-лазерах мощностью — 1 кВт использовался простейший двухзеркальный устойчивый резонатор. В большинстве лазеров резонатор является многопроходным - содержит плоские зеркала для изменения направления луча, но промежуточные плоские зеркала не оказывают влияния на модовый состав резонатора. Как известно, модовыми конфигурациями устойчивого резонатора являются Эрмит-Гауссовы или Лагерр-гауссовы пучки [4]. В зависимости от числа Френеля N резонатора генерация происходит на низшей моде или на нескольких модах. Наименьшую расходимость при данном поперечном размере или наивысшее качество имеет гауссов пучок, соответствующий низшей ТЕМоо моде. С ростом поперечных индексов моды качество пучка ухудшается, следовательно, возрастает размер пятна, в которое может быть сфокусирован пучок при данном F/D, D - диаметр пучка на линзе. В зависимости от модового состава характеристики фокального пятна будут различными, соответственно, разными будут и условия нагрева материала.

Наиболее жесткие требования к качеству пучка предъявляет и лазерная резка [136, 140-141]- плотность мощности в фокальном пятне должна иметь величину 106. .107 Вт/см2 в непрерывном режиме, диаметр пятна должен быть 0,1.0,2 мм. Как показали эксперименты и практика лазерной резки, высокое качество реза может быть достигнуто в том случае, если генерация происходит на ТЕМоо или TEMoi* модах. При генерации на модах более высокого порядка качество и скорость резки существенно ухудшаются, и многомодовые лазеры для резки практически не используются. Важной является и форма распределения интенсивности в поперечном сечении сфокусированного пучка, распределение должно быть «компактным» - содержание энергии в периферийной области с низкой интенсивностью должно быт небольшим. По этой причине в лазерах для резки не используется неустойчивый резонатор из полностью отражающих зеркал. В дальней зоне пучок лазера с неустойчивым резонатором имеет характерную дифракционную структуру с побочными максимумами, содержащими значительную долю мощности пучка. Поверхностная обработка (термоупрочнение, наплавка) ведется при плотности мощности 104.105 Вт/см2, для этих технологий подходящим является многомодовый пучок. Распределение интенсивности в многомодовом пучке более равномерно по сравнению с гауссовым, это способствует созданию однородной закаленной зоны. Условия сварки близки к условиям резки, но являются менее жесткими: с / Л плотность мощности - 5*10 .5*10 Вт/см , форма распределения интенсивности имеет меньшее значение. Важным параметром для всех трех технологий является скорость обработки, которая прямо связана с мощностью излучения. Кроме того, при повышении мощности растет максимальная толщина разрезаемых листов при резке и максимальная глубина проплавления при сварке.

Наибольшая потребность существовала и продолжает существовать в мощных лазерах с высоким качеством излучения. Во-первых, наиболее распространенным видом лазерной обработки является резка, требующая излучение высокого качества. Во-вторых, лазер с качеством излучения на уровне ТЕМоо моды универсален - он обеспечивает качественную резку и сварку, в то же время, распределение интенсивности в фокальном пятне может быть преобразовано внешними устройствами в более равномерное для поверхностной обработки. Таким образом, при получении уже первого опыта практического применения технологических лазеров сформировалось основное направление их совершенствования - повышение мощности при сохранении высокого качества пучка.

Присущее устойчивому резонатору ограничение хорошо известно [4] - для дискриминации высших мод по потерям и поддержания генерации только на ТЕМоо моде число Френеля N резонатора не должно превышать величины приблизительно равной 1. л

Это ограничивает объем V моды и мощность излучения, поскольку V ~ NA.L , L -расстояние между концевыми зеркалами резонатора. Например,. при длине резонатора 8.05 м СС>2-лазер фирмы Spectra Physics модель 820 [1] имел при генерации на ТЕМоо моде мощность 1,5 кВт. Многомодовое же излучение, генерируемое при больших числах Френеля, непригодно для многих операций лазерной обработки. Существенно понизить расходимость излучения по сравнению с многомодовым устойчивым резонатором позволило применение в мощных СОг-лазерах неустойчивого резонатора [125, 4]. В неустойчивом резонаторе луч, запущенный в резонатор под малым углом к оси, при последовательных отражениях выходит за пределы апертуры зеркал. Оба зеркала резонатора могут быть полностью отражающими, излучение выводится из резонатора по периферии одного из зеркал. На практике наибольшее распространение получил телескопический резонатор, составленный из выпуклого и вогнутого сферических зеркал с общей фокальной точкой. В неустойчивом резонаторе эффективно подавляются высшие моды, выходной пучок имеет близкий к плоскому или сферическому волновой фронт даже при больших числах Френеля. На лазерах с неустойчивым резонатором были показаны хорошие результаты по сварке [127]. Однако, для резки качество пучка оказалось недостаточно высоким. Во-первых, выходной пучок имеет в поперечном сечении форму кольца, и в дальней зоне (в фокальной плоскости линзы) наблюдается дифракционная картина с побочными максимумами, имеющими значительную интенсивность. Это искажает структуру, фокального пятна и увеличивает его эффективный размер. Кроме того, распределение интенсивности в поперечном сечении пучка внутри резонатора существенно отличается от гауссова, обладающего минимальной расходимостью. Поэтому выходной пучок имеет худшее по сравнению с ТЕМоо модой качество даже при больших увеличениях резонатора, когда относительный размер отверстия связи в выходном зеркале мал и эффекты дифракции на отверстии не велики [6]. По этой причине неустойчивый резонатор не нашел применения в лазерах для резки.

В настоящее время в абсолютном большинстве технологических лазеров всех ведущих мировых производителей, таких, как Trumpf, Rofin Sinar, PRC Laser, используется обычный устойчивый резонатор. При генерации на ТЕМоо моде (К ~ 0,6.0.9) мощность излучения не превышает 3.4 кВт [130, 131, 5], при мощности 8.10 кВт параметр качества имеет величину ~ 0.25 [129, 130], при мощности 30 кВт — 0,13 [120] - расходимость излучения уже на порядок больше предельной дифракционной.

В течении последних 10-15 лет было предложено несколько решений для повышения качества излучения мощных СОг-лазеров. Большинство из них основано на применении резонаторов с неоднородным полупрозрачным зеркалом. Исследовалось несколько разновидностей неустойчивых резонаторов с полупрозрачным зеркалом. Если отражение выходного зеркала имеет максимум в центре и уменьшается к краю,-а неотраженная часть излучения составляет выходной пучок, то при соответствующем выборе величины отражения в центре, закона его изменения и коэффициента увеличения резонатора генерируется пучок без пустой центральной области с гладким профилем интенсивности и с расходимостью, близкой к предельной дифракционной. Существует несколько разновидностей зеркал с неоднородным отражением. Зеркала с гауссовым или супергауссовым профилем имеют на прозрачной подложке диэлектрическое покрытие с толщиной, уменьшающейся от центра к краю зеркала [7-8, 10]. Об экспериментах по применению таких зеркал в технологических С02-лазерах сообщалось в [11, 119, 149]. Известно зеркало с неоднородным отражением, представляющее собой интерферометр Фабри - Перо с изменяющимися по радиусу зазором [12]. В непрерывных С02-лазерах мощностью более 1 кВт применялось зеркало, в котором коэффициент отражения меняется ступенчато - отражение имеет постоянную величину в центральной части и просветленную кольцевую область [13]. В [13] подбором толщин покрытия и подложки обеспечивалось выравнивание фазы в выходном пучке.

В [128] сообщается об использовании в мощном С02-лазере устойчивого резонатора с неоднородным полупрозрачным зеркалом - выходное зеркало имеет заданный коэффициент отражения в центральной части, а остальная часть зеркала просветлена. В лазере с таким резонатором достигнута мощность излучения 6,2 кВт, однако, в эксперименте наблюдалось ухудшение качества пучка при мощности излучения более 2 кВт, что авторы связывают с искажением в выходном зеркале.

В [14] в условиях непрерывкого С02-лазера мощностью около 1 кВт исследовался неустойчивый резонатор с однородным полупрозрачным зеркалом, что позволило повысить качество пучка по сравнению с неустойчивым резонатором с полностью отражающими зеркалами. Для уменьшения вредных дифракционных потерь резонатор имел увеличение, близкое к единице. Резонатор с малым увеличением имеет, как известно [4], высокую чувствительность к аберрациям, кроме того, остается возможность искажений пучка в полупрозрачном зеркале.

В настоящее время в промышленных технологических С02-лазерах применяется резонатор с неосевым выводом излучения-из полностью отражающих зеркал, устойчивый по одной поперечной координате и неустойчивый по другой, т.н. устойчиво-неустойчивый резонатор [131, 138]. В [129] устойчиво-неустойчивый резонатор применен в т.н. слэб лазерах с диффузионным охлаждением активной среды, лазеры генерируют мощность до 6 кВт при величине параметра качества 0,9. Устойчиво-неустойчивый резонатор применен также в С02-лазере с конвективным охлаждением активной среды и с поперечным потоком газа, где достигнута мощность излучения 6 кВт [131] Однако, эта схема также имеет свои ограничения. Резонатор плохо согласуется с активной средой, имеющей осевую симметрию. Выходной луч имеет в поперечном сечении форму прямоугольника, что не всегда приемлемо без дополнительных преобразований пучка. Для обеспечения неосевого вывода применяются цилиндрические зеркала, более сложные в изготовлении и дорогостоящие по сравнению со сферическими. . В слэб лазерах для обеспечения круговой симметрии пучка применяется внерезонаторная пространственная фильтрация. При фильтрации теряется мощность излучения. Кроме того, надежная техническая реализация пространственной фильтрации на высокой мощности является сложной задачей и при мощности ~ 10 кВт, как минимум, значительно усложнит лазерную установку. Достоинством устойчиво-неустойчивого резонатора является отсутствие проходных оптических элементов. В то же время, из-за перечисленных особенностей применение устойчиво-неустойчивого резонатора нельзя считать универсальным решением генерации излучения с высоким качеством в мощных лазерах.

Цель работы - разработать оптический резонатор технологического СОг-лазера для генерации излучения с высоким качеством при уровне мощности 5 и более кВт.

Требование к резонатору мощного технологического лазера можно сформулировать следующим образом:

- высокое качество пучка при числе Френеля значительно превышающем 1; высокая эффективность преобразования энергии; простота конструкции;

- высокая лучевая стойкость оптических элементов

- низкая чувствительность к аберрациям.

В качестве объекта исследования выбран самофильтрующий резонатор [3]. Схема была предложена авторами P.G. Gobbi и G. Reali в 1984 году - за два года до начала настоящей работы. Резонатор отличается простотой конструкции, в нем отсутствуют проходные оптические элементы. К началу работы были опубликованы результаты экспериментов с самофильтрующим резонатором (СФР) в импульсных Nd:YAG [16], XeCl [18 ,37] и СОг-лазерах [17]. Сообщалось о высокой стабильности характеристик излучения. Была продемонстрирована возможность генерации пучка с высоким качеством и большей по сравнению с устойчивым резонатором мощности в лазерах с большим усилением активной среды. Возможность же эффективного использования СФР в лазерах с умеренным усилением, к которым принадлежат непрерывные СОг-лазеры, была неизвестной. Имевшихся теоретических и экспериментальных результатов было недостаточно для определения такой возможности и, тем более, для обоснованного выбора параметров при разработках. В выходном пучке СФР распределение поля низшей моды близко к гауссову за исключением приосевой области, которая не заполнена излучением. По этой причине распределение интенсивности в дальней зоне имеет характерную дифракционную структуру, детали которой определяются параметрами резонатора. Применимость такого пучка для резки также была неизвестна. Задачи работы формулируются следующим образом.

• Исследование возможности использования в непрерывном СОг-лазере самофильтрующего резонатора для повышения мощности излучения по отношению к устойчивому резонатору при сохранении качества пучка на уровне

ТЕМоо моды.

• Определение оптимальной области рабочих параметров СФР в условиях мощного

СОг-лазера

• Экспериментальное определение характеристики излучения СО2-лазеров с СФР.

Оценка диапазона мощности излучения, в котором СФР может эффективно использоваться.

Исследование характеристик реза металлических листов излучением СОг-лазера с

СФНР.

В работе получены следующие новые результаты.

1. Впервые в технологическом СОг-лазере применен самофильтрующий резонатор для повышения качества пучка. . Разработана конструкция и определена область рабочих параметров резонатора в условиях непрерывного СОг-лазера мощностью 1. 8 кВт при качестве пучка близком к ТЕМоо моде.

2. Экспериментально определены энергетические характеристики и качество излучения технологических СОг-лазеров с СФР. На основе полученных удельных характеристик сделаны оценки мощности, которая может быть достигнута в проточных электроразрядных лазерах с СФР.

3. Определена перспективность применения СОг-лазера с самофильтрующим резонатором в технологиях обработки материалов на примере лазерной резки. Впервые экспериментально продемонстрирована возможность качественной резки стальных листов толщиной до 20 мм излучением лазера с СФР.

На защиту выносятся следующие положения.

1. Самофильтрующий неустойчивый резонатор позволяет генерировать в непрерывном электроразрядном СОг-лазере мощностью 1.8 кВт излучение, близкое по качеству к ТЕМоо моде устойчивого резонатора при эффективности преобразования энергии на уровне неустойчивого телескопического резонатора.

2. СФР может обеспечивать в непрерывном электроразрядном проточном СОг-лазере мощность излучения с единицы длины резонатора приблизительно в три раза большую, чем устойчивый резонатор при генерации на ТЕМоо моде и при близких параметрах системы возбуждения.

3. СОг-лазер с самофильтрующим резонатором позволяет производить резку сталей с основными показателями качества реза и с удельными энергозатратами не хуже, чем лазер с устойчивым резонатором при генерации на низших модах.

Материалы диссертации опубликованы в работах [68-72, 74, 78 , 132-134, 145-148]. Основные результаты работы докладывались на Всесоюзной конференции «Применение лазеров в народном хозяйстве», Шатура, 1989 г.; Российской национальной конференции «Технологические лазеры и лазерная обработка материалов», Шатура, 1993 г; VII Международной конференции «Лазерные и лазерно-информационные технологии: фундаментальные проблемы и приложения», Владимир, 2001 г.; XIII International Symposium on Gas Flow and Chemical Lasers and High Power Laser Conference, Florence, Italy, 2000; XI International Conference on Laser Optics, S-Petersburg, 30 June-4 July, 2003; XV International Symposium on Gas Flow and Chemical Lasers and High Power Laser Conference, Prague, 30 August - 3 September 2004; XII International Conference on the Method of Aerophysical Research. , Novosibirsk, Russia, 23 June-3 July 2004; на 5 международной конференции «Лазерные технологии и средства их реализации», Санкт-Петербург, 2003; V Международном семинаре «Применение лазеров в науке и технике», Новосибирск, 1992; Всесоюзной конференции молодых ученых и специалистов ИТПМ, Новосибирск, 1988.

Личный вклад автора в получение представленных в работе результатов является определяющим, включая выбор способа достижения сформулированной в работе цели, планирование и проведение расчетов и экспериментов или непосредственное в них участие, разработку принципиальных технических решений конструкций резонаторов. Автор принимал непосредственное участие в создании экспериментальных установок и в формулировке целей и задач работы.

Результаты позволяют создавать мощные СОг-лазеры с высоким качеством излучения на основе простых по конструкции резонаторов из полностью отражающих зеркал. Результаты использованы при создании в ИТПМ СО РАН технологических СО2-лазеров мощностью от 1,5 до 8 кВт и на их основе автоматизированных комплексов для резки листовых материалов. Комплекс на основе лазера мощностью 1,5 кВт для резки электротехнической стали установлен в НПО «ЭЛСИБ» в 2001 году. В 2002 году в ОАО «Новосибирский завод химконцентратов» установлен комплекс мощностью 5 кВт для вырезки деталей из коррозионно-стойких сталей для атомной промышленности. На комплексе производится, также, резка углеродистых и низколегированных сталей, диэлектриков, композиционных материалов. Комплекс на основе лазера мощностью до 8 кВт создан для «ОКБ лазерной техники» при СО РАН. На комплексе ведутся исследования и разработки по лазерной технологии, в частности, произведена резка титановых пластин толщиной 30 мм. На предприятии «СибЛазер» СОг-лазеры мощностью

1.3 кВт с СФР входят в состав комплексов, использующихся для резки широкого круга металлических и неметаллических материалов.

Выполнение настоящей работы было бы невозможно без существующей в ИТПМ СО РАН экспериментальной базы — мощных СОг-лазеров и технологических комплексов на их основе. Автор глубоко благодарен их создателям — А.И Иванченко и А.М Оришичу. Автор благодарит соавторов научных публикаций и весь коллектив лаборатории №3 «Лазерные технологии» ИТПМ СО РАН за сотрудничество.

Основные результаты и выводы.

1. Расчетным путем определены пространственные характеристики выходного пучка самофильтрующего резонатора.

2. Определены увеличение резонатора и поперечные размеры зеркал, оптимальные для генерации излучениях высоким качеством в мощном непрерывном СОг-лазере.

3. Разработаны и применены в технологических СОг-лазерах с поперечным потоком резонаторы на основе СФР. Измеренный параметр качества пучка равен 0,66 при числе Френеля 6,1.

4. Впервые произведена генерация пучка с качеством ТЕМоо моды при мощности излучения 8 кВт.

5. Показано, что возможным является создание непрерывных СОг-лазеров с СФР уровня мощности до 15 кВт при значениях параметров резонатора, обеспечивающих высокое качество излучения.

6. Впервые произведена резка стальных листов толщиной до 20 мм излучением лазера с СФР. Показано, что по основным показателям качества реза и удельной энергии резки СФР близок к устойчивому резонатору. Произведена резка титановых пластин толщиной 30 мм.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Технологические лазеры. Справочник. Ред. Г.А. Абильсиитов. Т. 1. М.: Машиностроение, 1991.

2. Дж. Реди. Промышленные применения лазеров. М.: Мир, 1981.

3. P.G. Gobbi, G. Reali. Stable telescopic resonators, unstable resonators and new cavity designs applied to high energy laser engineering // Proc. SPIE.- 1984.- V. 492.- P. 68.

4. Ю.А. Ананьев. Оптические резонаторы и проблема расходимости лазерного излучения. М.: Наука, 1979.

5. К. Yasui, И. Kuzumoto, S. Ogawa, V. Tanaka, S. Yagi. Silent-discharge exited TEMoo 2,5 kW C02 laser // IEEE J. Quant Electron.- 1989.- V: 25,- N 4,- P. 836.

6. N. Hodgson, H. Weber. Optische resonatoren. Springer-Verlag, 1991.

7. D.V. Willets, И. R. Harris. Output characteristics of a compact 1 J C02-laser with a gaussian reflectivity resonator // IEEE J. Quant, electron.- 1988,- V. 24,- N 6.- P.-849.

8. K.J. Snell, N. McCarthy, M. Piche, P. Lavigne. Single transverse mode oscillations from an unstable resonator Nd:YAG laser using a variable reflectivity mirror // Optics comms.-1988.- V. 65.- N 5,- P. 377.

9. S. De Silvestri, P. Laporta, V. Magni, O. Svelto. Unstable laser resonators with super-Gaussian mirrors // Opt. lett.-1988.- V. 13.- N 3.- P. 201.

10. P. Lavigne, N. McCarthy, A. Parent, K.J. Snell. Laser mode control with variable reflectivity mirrors. Canadian J. Phys.-1988.- V. 66.- N 10.- P. 888.

11. P. Sona, P. Muys, C. Sherman, Ch. Leys. High-power fast-axial-flow СОг-laser with a variable-reflectivity output coupler //Opt.lett,- 1990,- V.15.- N 24,- P. 1452.

12. S. De Silvestri, P. Laporta, V. Magni. Laser output coupler based on a radially variable interferometer // J. Opt. Soc. Am. A. 1987.- V. 4.- N 8,- P. 143.

13. K. Yasui, S. Tanaka, S. Yagi. Unstable resonator with phase-unifying coupler for high power lasers // Appl. Phys. Lett.- 1988.- V.52.- N. 7,- P. 530.

14. П.А. Михеев, В.Д. Николаев, А.А. Шепеленко. Неустойчивый резонатор о полупрозрачным выходным зеркалом для быстропроточного С02-лазера // Квант, электроника,- 1992.-Т. 12,- N 5.- С. 456.

15. P.O. Gobbi, G.C. Reali. A novel unstable resonator configuration with a self filtering aperture // Opt. comms.-1964.- V. 52.- N 3.- P. 195.

16. A. Luches, V. Nassisi, M.R. Perrone. Experimental characterisation of a self-filtering unstable resonator applied to a short pulse XeCl laser // Appl. Opt.-1989,- V. 28.-N 11.- P. 2047.

17. B.K. Голов, А.И. Иванченко, B.B. Крашенинников, А.Г. Пономаренко, А.А.1.'

18. Шепеленко, В.Б. Шулятьев. Технологический СОг-лазер мощностью 2,5 кВт // Изв. СО АН СССР, сер. техн.-1986,- N 10,- вып. 2.- С. 87.

19. Г. Хирд. Измерение лазерных параметров. М.: Мир, 1970.

20. А.А. Шепеленко, В.Б. Шулятьев. Измерение расходимости излучения СОг-лазеров//ПТЭ,-N 5.- С. 157.-1985.

21. S. De Silvestri, V. Magni, 0. Svelto, G. Valentini. Lasers with super gaussian mirrors // IEEE J. Quant. Electron.-1990.- V. 26,- N 9.- P. 1500.

22. А.И. Иванченко, В.В. Крашенинников, А.А. Шепеленко, В.Б. Шулятьев. ^ Калориметрический преобразователь средней мощности лазерногоизлучения. Авторское свидетельство N 1226969

23. Г.В. Креопалова, Н.А. Лазарева, Д.Т. Пуряев. Оптические измерения. М.: Машиностроение, 1987.

24. А.Н. Громов, В.Б. Шулятьев. Измеритель радиусов кривизны отражающих поверхностей // ПТЭ.- 1987.- N 2.- С. 212.

25. Н. Kogelnik, Т. Li. Laser beams and resonators // Proc. IEEE.-1966.- V. 54.- N 10,- P. 1312.

26. A.E. Siegman. Unstable optical resonators for laser applications // Proc. 1ЕЕЕ,-1965.- V. 53.- P. 277.

27. A.E. Siegman, R. Arrathoon. Modes in unstable optical resonators and lens waveguides // IEEE J. quant, electron.-1967.- V. QE-З,- N 4.- P. 156.

28. Ю.А. Ананьев, В.E. Шерстобитов. Влияние краевых эффектов на свойства неустойчивых резонаторов // В об.: Квантовая электроника, ред. Н.Г. Басов,-1971.-N 3,-С. 82.

29. Т. Takhasaki, К. Kakisaki, N. Sasaki, J. Sakuma. 10 kW СОг-laser for material processing // Proc. SPIE.- 1986,- V. 610.-P. 50.

30. R. Hauok, N. Hodgson, H. Weber. Losses and mode structure of unstable resonators with spherical mirrors // J. Appl. Phys.-1988,- V. 63.- N 3.- P. 628.

31. P.G. Gobbi, G.C. Reali. Numerical study of a self filtering unstable resonator // Proc. SPIE.- 1985,- V. 540,- P. 119.

32. P.G. Gobbi, G.G. Reali. Mode analysis of a gaussian transmission aperture // Opt. comms.- 1986.- V. 57.- N 5,- P. 355.

33. P. Di Lazzaro, T. Hermsen, T. Letardi, G.E. Zheng. Self-filtering unstable resonator: an approximate analytical model with comparison to computed and XeCl laser experimental results // Opt. comms.- 1987,- V. 61.- N 6.- P. 393.

34. A. Parent, N. McCarthy, P. Lavigne. Effects of hard apertures on mode properties of resonators with gaussian reflectivity mirrors // IEEE J. quant, electron.- 1987.- V. QE-23.- N 2.-P. 222.

35. A. Grekelberger. New developments of C02-high power lasers in multi-kilowatt range and their industrial production // Proc. SPIE,- 1986.- V. 610,- P. 24.

36. A.G. Fox, T. Li. Resonant modes In maser interferometer // Bell syst. techn. J.-1961,- V. 40.- 453.

37. D.B. Rench, A.N. Chester. Iterative diffraction calculations of transverse mode distributions In confocal unstable laser resonators // Appl. Opt.- 1973.- V. 12.- N 15,-P. 997.

38. A.B. Siegman, Е.А. Szikals. Mode calculations in unstable resonators with flowing saturable gain. 1: Hermite-Gaussian expansion// Appl. Opt.- 1974.- V. 13.- N 12.-P. 2775; 2: Fast fourier transform method // Appl. Opt.- 1975,- V. 14.- P. 1875.

39. Г.В. Гадияк, A.JI. Добривокий, K.A. Насыров. Математическое моделирование и оптимизация проточных газоразрядных С02 лазеров.-Новосибирск, 1988.- 48 с,- (Препринт/АН СССР, Сиб. отд-ние, Ин-т теорет. и прикл. механики; N 24-88).

40. М. Борн, Э. Вольф. Основы оптики,- М.: Наука, 1970.

41. А. Мейтленд, М. Дан. Введение в физику лазеров. М.: Наука, 1978.

42. А.Е. Siegman, H.Y. Miller. Unstable optical resonator loss calculations using the Prony method // Appl. Opt.- 1970,- V. 9.- N 12.- P. 2729.

43. А.Е. Булышев, Ю.А. Ведерников, Н.Г. Преображенский. К расчётухарактеристик лазерного резонатора // Квант, электрон.- 1980.-Т. 7.- N 5.- С. 1093.

44. Г.И. Марчук. Методы вычислительной физики. Новосибирск.: Наука, 1973.

45. Ю.А. Ананьев, С.Г. Аникичев, А.В. Горланов. Эффекты краевой дифракции и насыщения усиления в линейном неустойчивом резонаторе с пространственной фильтрацией излучения // Опт. и спектр.- 1988.- Т. 64,- В. 4.- С. 957.

46. Справочник по специальным функциям. Ред. М. Абрамович, И. Стиган. М.: Наука, 1979.

47. К.Е. Oughstun. Unstable resonator modes // Progress in Optics .- Elsever science publishers B.V., 1987,- V. 24,- P. 165.

48. E. Armandillo, A.S. Kay. Modelling of transverse-flow CW C02-lasers: theory and experiment//J. phys. D: Appl. phys.-1980.- V. 13.- P. 321.

49. Г.В. Гадияк, А.Л. Добривский, K.A. Насыров. Численный расчёт выходного излучения проточного газоразрядного СОг- лазера по измеренному полю ненасыщенного коэффициента усиления. Квант, электрон.- 1989,-Т. 16.- N 6.-С. 1149.

50. В.А. Шангин, A.M. Райцин, И.И. Шангина. Измерение энергетической расходимости лазерных пучков // Измерит, техника,- 1983.- N 3.- С. 38.

51. A.S. Кауе, A. Delph, Е. Hanly, С. Nicholson. A new 10 kW industrial carbon dioxide laser // Gas flow and chemicallasers, 4th Int. symp., Stresa, 1982.

52. Ю.А. Ананьев. О выборе лазерного резонатора // Квант, электрон.- 1989.- Т. 16,- С. 2107.

53. W.F. Rrupke, W.R. Sooy. Properties of an unstable confocal resonator СОг-laser system // IEEE J. Quant. Electron.- 1969.-V. QE-5.- P. 575.

54. A.H. Ораевский. Гауссовы пучки и оптические резонаторы // Труды ФИАН.-М.: Наука, 1988.-т. 184.-С. 3.

55. В.И. Купренюк, С.И. Клементьев, Н.В. Марусяк и др. Исследование активной среды и характеристик излучения СОг- лазера замкнутого цикла // Опт,- мех. пром-ть.- 1984.- N 2.-С. 8.

56. J.P. Sercel. Matrix overview of medium-to high-power СОг-lasers // Proc. SPIE.-1987.- V. 737,- P. 59.

57. W. Triebel, E. Ose, G. Michel, A. Petrioh. Experimental and theoretical investigation of a transverse flow cw СОг-laser // Proc. SPIE.- 1968.- V. 1031.- G. 41.

58. И.А. Турыгин. Прикладная оптика. M.:% Машиностроение, 1966.

59. М.Г. Галушкин, B.C. Голубев, A.M. Забелин, В.Я. Панченко. Светоиндуцированные мелкомасштабные оптические неоднородности активной среды непрерывных СОг- лазеров // Изв. АН СССР. Сер. физ.-1992.- Т. 56,- N8,- С. 199.

60. B.C. Голубев, М.Г. Галушкин, A.M. Забелин, В.Я. Панченко. Сильная нелинейность в усиливающей среде и особенности её проявления в технологических СОг- лазерах // Изв. АН СССР. Сер. физ.- 1989,- Т. 53,- N 6,-С. 1136.

61. A.JI, Смирнов, В.Б. Шулятьев. Численное и экспериментальное исследование самофильтрующего неустойчивого резонатора применительно к проточному

62. С02 лазеру // Моделирование в механике. Сб. науч. трудов. ИТПМ СО АН СССР.- 1988,- Т. 2,- N 6,- С. 115.

63. А.И. Иванченко, В.В. Крашенинников, А.Г. Пономаренко, В.Б. Шулятьев. Самюфильтрующий резонатор в С02- лазере непрерывного действия // Квант, электроника.- 1989,- Т. 16,- N 2,- С. 305.

64. Г.Н. Грачёв, А.И. Иванченко, A.JI. Смирнов, В.Б. Шулятьев. Неустойчивый резонатор с пространственной фильтрацией излучения в технологическом С02 лазере // Квант, электроника.- 1991,- Т. 18.- N I.- С. 131.

65. А.И. Иванченко, В.В. Крашенинников, А.Г. Пономаренко, В.Б. Шулятьев. Самофильтрующий неустойчивый резонатор для С02- лазера // Тезисы докл. НГВсесоюз. конф. "Применение лазеров в народном хозяйстве", г. Шатура,-1989,-С. 23.

66. А.И. Иванченко, В.В. Крашенинников, АЛ. Смирнов, В.Б. Шулятьев. Технологический С02- лазер мощностью 3 кВт с высоким качеством излучения // Материалы V Международ, семинара "Применение лазеров в науке и технике", г. Новосибирск.-1992.- С. 153.

67. G.N. Grachev, A.I. Ivanchenko, A.G. Ponomarenko, V.B. Shuljat'ev. 3 kW high, quality beam CW C02- laser with line tuning and Q-switched pulsing capabilities // Proceedings of the SPIE. V 2257.- P. 106.

68. А.И. Иванченко, В.В. Крашенинников, A.JI. Смирнов, В.Б. Шулятьев. Технологический С02- лазер мощностью 3 кВт с высоким качеством излучения // Квантовая электроника. 1994.- Т. 21.- N 7,- С. 643.

69. А. А. Шепеленко, В. Б. Шулятьев. Измерение расходимости излучения С02-лазеров // Приборы и техника эксперимента,-1985,- N Б.- С. 157.

70. А.Н. Громов, В.Б. Шулятьев. Измеритель радиусов кривизны отражающих поверхностей // Приборы и техника эксперимента.- 1987.- N 2,- С. 66.

71. А.И. Иванченко, А.А. Шепеленко. Устройство для измерения распределения интенсивности излучения // Авторское свидетельство СССР № 646774.- 1977.

72. Патент РФ N 1702842. Проточный газовый лазер А.И Иванченко, В.Б. Шулятьев.

73. G.V. Gadiyak, A.L. Dobrivskii, К.А. Nasirov. An application of multlpassed self-filtering unstable resonator in high power gas-discharge C02-laser // "Lasers and their applications", IV National conference, Plovdiv, Bulgaria. Abstracts.- 1990.- P. 26.

74. Ю.П. Райзер. Физика газового разряда. М.: Наука, 1987.

75. D.C. Smith, М.С. Fowler. Ignition and maintenance of a CW plasma in atmospheric-pressure air with C02 laser radiation // Appl. Phys. Lett.- 1973.- V. 22,-N 10,- P. 500.

76. И.О. Fowler, D.C. Smith. Ignition and maintenance of subsonic plasma waves in atmospheric pressure air by CW C02-laser radiatin and their effect on laser propagation// J. Appl. Phys.- 1975.- V. 46.- N.I.- P. 138.

77. C.C. Воронцов, Г.Н. Грачёв, А.Г. Пономаренко, В.Б. Шулятьев. Мощный непрерывный СОг- лазер с быстрой перестройкой частоты для зондирования атмосферы // Тезисы докл. V Совещания по атмосферной оптике, г. Томок,-1991.- С. 112.

78. Г.Н. Грачёв, А.И. Иванченко, В.В. Лебедев, А.Г. Пономаренко, С.А. Стоянов,

79. B.Б. Шулятьев. Одночастотный непрерывный СОг- лазер мощностью 2,5 кВт // Тезисы докл. конф. Оптика лазеров 98, 21-25 июня, г. С,- Петербург.- 1993.-Часть1.-С. 132.

80. А.В. Елецкий, Б.М. Смирнов. Физические процессы в газовых лазерах. М.: Энергоатомиздат, 1985.

81. А. А. Веденов. Физика электроразрядных СОг- лазеров. М.: Энергоатомиздат, 1982.

82. C.Г. Аникичев, Е.Н. Котляков, В.Н. Прокашев. Зеркала со ступенчатым коэффициентом отражения для технологических лазеров // Тезисы докл.конф. Оптика лазеров 93, 21-25 июня, г. С,- Петербург.- 1993.- Часть I,- С. 258.

83. Н:А. Генералов, В,П. Зимаков, Н.Г. Соловьёв, М.Ю. Якимов. Применение аподизированных зеркал в резонаторах мощных технологических лазеров // Тезисы докл. конф. Оптика лазеров 93, 21-25 июня, г. С.- Петербург,- 1993,-Часть. I.-С. 277.

84. D.R. Akitt, H.J.J. Seguin, M.R. Gervenan, S.K. Nikumb. Electronic mode and power control of a high-power СОг- laser // IEEE j Quant. Electron.- 1990.- V. 26.-N8.-P. 1413.

85. J. Spalding, A.C. Selden, И. Hill, J. H. P. C. Megaw, B. A. Ward. High power C02- lasers//Proc. SPIE,- 1988,- V. 1031.-P.16.

86. Заявка N 4869735/10-098375, решение о выдаче патента от 31.01.92. Устройство юстировки зеркала лазерного резонатора / А.П. Голышев, В.Б. Шулятьев.

87. Ю.А. Ананьев, В.Е. Шерстобитов. Расчёт эффективности ОКГ с большими потерями на излучение // Квант, электроника. Сб. статей под ред. Н.Г.1. Басова.-1971.-N1.-С. 91.

88. D.P. Chernin. Optical extraction efficiency in lasers with high Fresnel number confocal unstable resonators // Applied Optics.- Vol. 18,- No. 21,- P. 3562.

89. Заявка на изобретение N 4869735/10-098375. Устройство юстировки зеркала лазерного резонатора. А.П. Голышев, В.Б. Шулятьев

90. Ананьев Ю.А., Егорова В.Ф., Мак А.А., Прилежаев Д.С., Седов Б.Mr О работе четырёхуровневого оптического квантового генератора. ЖЭТФ.- 1963,- Т. 44,- С. 1884.

91. Криксунов Л.З. Справочник по основам инфракрасной техники. М.: Советское радио, 1978.

92. Rigrod W. Gain saturation and output power of optical masers // J. Appl. Phys.-1963.-V.34.-P.2602.

93. G. Sliwinskl at al. Investigation of a high-power transverse-flow СОг-laser II Proc. SPIE.- 1988.- V.1031.-P.216.

94. K. Yasuoka at al. Characteristics and applications of new electrode system for high power C02-laser // Pros. SPIE.-1987.- V.737,- P.52.

95. Ананьев Ю.А., Ковальчук Л.В., Трусов В.П. Методика расчёта эффективности лазеров с неустойчивыми резонаторами //Квантовая электроника,- 1974,- T.I.-С. 1201.

96. Виттеман В. С02- лазер. М.: Мир, 1990, С. 79.

97. Новосибирск, 1987.- 125 с.

98. N.A. Generalov, M.I. Gorbulenko, N.G. Solov'yov, M.Yu. Yakimov, V.P. Zimakov. High-power industrial СОг-lasers excited by a nonself-sustained glow discharge/

99. A.M. Прохоров. О молекулярном усилителе и генераторе на субмиллиметровых волнах.// ЖЭТФ.- 1958,- т. 34.- с. 1658.

100. A.L. Shawlow, C.N. Townes. Infrared and optical masers//Phys. Rev.- 1958.- V. 112.- P. 1940.

101. A.G. Fox, T. Li. Resonant modes in a maser interferometer//Bell Syst. Techn. J.-1961.-V.40:-P. 453.

102. H. Kogelnik, T. Li. Laser Beams and Resonators// Proc. IEEE.- 1966.- V. 54.- P. 1312.

103. A.E. Siegman. Unstable optical resonators for laser application. Proc// IEEE.-m 1965.-V.53.-P.277.

104. В.П. Быков, O.O. Силичев Лазерные резонаторы. М.: Физматлит, 2003

105. W. М. Steen. Laser Material Processing. Springer Verlag, 1991.

106. Y. Takenaka, J. Nishimae, M. Tanaka, Y. Motoki. Gauss-core resonator for high speed cutting of thin metal sheets // Optics Letters, 1997, V. 22,- N 1.- P. 37.

107. Технические данные лазеров Rofin-Sinar, http://www.rofin.com/home-e.htm.

108. Технические данные лазеров Trumpf, http://www.us.trumpf.com.

109. Galushkin M.G., Golubev V.S., Korotchenko A.V., Zabelin A.M. Physical and technical factors determining beam quality of high-power fast-transverse-flowш industrial lasers// Proc. SPIE.- 1996,- V. 3092.- P. 134.

110. А.Р. Golishev, A.I. Ivanchenko, A.M. Orishich, V.B. Shulyat'ev. Industrial C02lasers of power up to 10 kW with high quality radiation// Proc. SPIE.- 2001,- V. 4184.-P.414.

111. Ю.В. Афонин, А.П. Голышев, А.И. Иванченко, А.Н. Малов, A.M. Оришич, В.А. Печурин, В.Ф. Филев, В.Б. Шулятьев. Генерация излучения с качеством ТЕМоо моды в непрерывном С02- лазере мощностью 8 кВт// Квантовая электроника.- 2004,- Т. 31.- N 4. С.307-310.

112. Стандарт ISO/TS 172/SC 9/WG1

113. W. М. Steen. Laser Material Processing. Springer Verlag, 1991.

114. Г.А. Абильсиитов, Е.П. Велихов, B.C. Голубев, Ф.В. Лебедев. Перспективные схемы и методы накачки мощных С02- лазеров для технологии (обзор)//Квант. Электроника.- 1981,- Т. 8.- № 12,- С. 2517.

115. К. Du, J. Biesenbach, D. Ehrlichmann. Lasers for material processibg: specifications and trends// Optical and Quant. Electronics.- 1995.- V.27.- P. 1089.

116. J. Powell. C02- laser cutting. Springer-Verlag, 1998.

117. A.M. Оришич. Технология лазерной обработки материалов. В кн. Высокоэнергетические процессы обработки материалов, серия Низкотемпературная плазма, Новосибирск, Наука, 2000, С. 7 62.

118. A.M. Оришич и др. Лазерные технологии машиностроения. Новосибирск, Новосиб. Гос. Ун-т., 2004.

119. Н. Jorgenson, F.O. Olsen. Experimental Investigation of Relations Between Adjustable Process Parameters and Quality Parameters in C02-laser Cutting. Lasers in Engineering. Laser 91. Ed. W.W. Waidelich. Springer-Verlag, 1991.

120. Рекомендации по выбору фокусирующей ZnSe линзы фирмы II-VI, http://www.ii-vi.com/pages/res-determining.html144. http://prclaser.com/calculator.html.

121. V.M. Fomin, V.F. Folev, V.A. Pechurin, A.M. Orishich, A.P. Golyshev, A.N. Malov, Yu. V. Afonin, V.B. Shulyatiev. High power high beam quality industrial

122. C02-lasers and material processing systems. //XII International Conference on the

123. Method of Aerophysical Research. , Novosibirsk, Russia, 23 June-3 July 2004, Proceedings, Part III, Novosibirsk, Russia, 2004, P. 65-70.

124. A.P. Golyshev, A.N. Malov, A.M. Orishich, V.B. Shulyat'ev, V.A. Pechurin, V.F. Filev. Application of the high-power continuous-wave СОг-laser with self-filtering resonator to cutting of metal plates // Proc. SPIE Vol. 5777.

125. Yu.V. Afonin, V.F. Filev, A.I. Ivanchenko, A.P. Golyshev, A.N. Malov, A.M. Orishich, V.A. Pechurin, V.B. Shulyat'ev, E.G. Shikhalev. Automated laser technological complex for cutting with irradiation power of 8 kWt. Proc SPIE, V. 5479, P.164-169,2004.

126. M.B. Иващенко, А.И. Карапузиков, И.В. Шерстов. Формирование коротких импульсов излучения TEA СО2 лазера при использовании газовой смеси СО2-N2-H2 // Квантовая электроника. 2001.- Т. 31.- № 11.- С. 965-969.