Способ регулирования параметров импульсов генерации газового лазера Советский патент 1993 года по МПК H01S3/11 

Изобретение относится к кзантовой злзктронике, э частности, к способам регулирования параметров импульсов, излучаемых электроразрядным газовым лазером и может быть использовано о импульсных СО2 лазерах, применяемых для соарки. рззки и термообработки.

Возможность применения импульсных. 8 частности TEA СОа лазеров, для технологических целей (резки, сварки) зависит а перзую очередь от реализации режима, при котором длительность импульса излучения достаточно велика и составляет десятки МКС, а максимальная мощность незначительно превышает среднюю.

Известен способ регулирования длит льности и мощности импульса излучения за счет смещения оси резонатора вниз по потоку газа относительно разрядной зоны.

При импульсном возбуждении длительность импульса и.злучения и его мощность будут зависеть от скорости потека газа, и, следовательно, могут регулироваться в определенных пределах.

Недостатком этого способа является необходимость в весьма высокой скорости прокачки газа, которая для длительности ммпульсз, например, 100 мкс, и ширине каустики однопроходного резонатора 50 мм составляет 500 м/с, что требует сложного и энергоемкого оборудования для транспортировки газа и применения специальной геометрии газового контура.

Другим недостатком способа язляется невозможность оперативного регулирования параметров излучения, особенно а сторону MeHijOiHx значений длительности импульса.

Известен способ регулирования параметров импульсов генерации, излучаемых газовым лазером путем изменения соотношения компонентов рабочей газовой смеси, прокачиваемой со скоростью менее 100 м/сек перпендикулярно к оси каустики резонатора и направлению импульсного разряда накачки.

При этом способе длительность импульсов излучения, его форму и максимальную мощность изменяют путем изменения соотС02

ношения TtT-j-JTM газовой смеси, содержащей также гелий и водород.

Недостатком этого способа является нестабильность оптических характеристик

COz

резонатора при малых значениях- v -t |

соответствующих большей длительности импульса, иесб)сояимой для те; ;-юлогического режима работы лазера; эта нестабильность определяется, з частности большим уровнем непроизводительных потерь в резонаторе по отношению к полезным: необходимость в при.менении резонатором с предельно высокой добротностью ввиду малого усиления среды при малых значениях

С02

отношения

-: невозможность опеС02 + М2

ративного регулирования параметров излу0чения: невысокое максимальное значение длительности импульса излучения при приС02

емлемом значении отношения .л,.. , ., и

С02 + N2

уменьшении энергии, т.е. узкий диапазон

5 удлинения импульса.

Кроме.того, невысокая длительность импульса ограничивает технологические возможности способа, т.е. нельзя, например, выполнять термообработку.

0

Целью изобретения является устранение указанных недостатков, расширение технологических возможностей способа за счет расширения диапазона регулирования параметров получаемого импульса и упро5щения осуществления их регулирования.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе регулирования параметров импульсов генерации газового лазера, до начала импульса разряда накачки

0 каустику резонатора перекрывают, а затем раскрывают с нулевого значения площади ее поперечного сечения до максимального, при этом время раскрытия каустики выбирают не более времени релаксации возбужБденной газовой смеси, а импульсную накачку газовой смеси осуществляют по отношению к началу раскрытия каустики резонатора с задержкой, длительность которой выбирают не более времени полного рас0крытия каустики.

Таксе решение позволяет расширить диапазон параметров излучения, в частности длительности импульса за счет посте 5пенного введения возбужденной газовой смеси в каустику резонатора, упростить регулирование параметров импульса, т.е. сделать его оперативным за счет осуществления регулируемой задержки им0пульса аозбуждения рабочей газовой смеси относительно начала раскрытия каустики резонатора, расширить технологические возможности, т.к. увеличен диапазон изменяемых параметров, в частности, изменяя в

5 пределах этого диапазона длительность импульса, можно осуществлять на одном и том же оборудозании, с помощью оперативного регулирования сззрку. рез;су. Tf pM{-n6paботку.

На фиг.1 показанасхема реализации способа, где обозначены зеркала резонатора 1,2, затвор 3, часть каустики 4 резонатора, в которой существует световое поле при данном раскрытии затвора 3, каустика (коитур) 5 резонатора, возбужденный объем 6 газовой смеси.

На фиг,2 для одной из рабочих смесей газов показаны графики изменения энергии и длительности импульса излучения в зависимости от задержки импульса накачки по отношению к началу раскрытия каустики резонатора, где:

Е - энергия импульса,

Тз - время задержки,

Ти-длительность импульса, излучаемого лазером,

D - рабочий диапазон регулирования времени задержки.

Как видно из графика (фиг.2), длительность импульса и энергия излучения остаются постоянными и равными своим номинальным величинам, как при отсутствии затвора, так и когда импульс накачки задерживается более 100 мкс по отношению к началу раскрытия затвора, т.е. когда накачка происходит при полном раскрытии затвора. По мере уменьшения зремени задержки, длительность импульса увеличивается, т.к. накачка происходит при частично закрытой каустике, объем которой начинает излучать по мере открывания затвора. До начала излучения возбужденный объем частично теряет свою энергию в результате релаксации, что видно по характеру кривой Е. Наибольшее значение длительности им пульса соответствует времени раскрытия каустики и равно примерно 100 мкс.

Яа фмг.З показаны осциллограммы импульсов излучения при максимальной задержке (100 и более мкс), а на фиг.4 - при минимальной задержке запуска импульса накачки (около 10 мкс). На оси ординат мощность излучения, на горизонтальной оси - длительность излучения. Как видно постепенное извлечение световой энергии из возбужденного обьема позволяет примерно на полтора порядка снизить мощность излучения и пов1.1сить длительность импульса.

При промежуточных значениях задержки получают соотаетственно промежуточные значения импульсной мощности и длительности импульса.

Способ осуществляется следующим образом.

До начала импульса накачки каустику 5 резонатора, образоазиного 1 и 2, полностью перйкруоэют затвором 3, а затем открывают, разводя стасрки затаора 3 в стороны со скоростью, при которой время полногб раскрытия каустики 5 меньше времени релаксации возбужденной газовой смеси, т.к. только в этом случае можно обеспечить извлечение энергии из наиболее удаленных от оси объемов каустики 5. Скорость раскрытия каустики 5 определяет также макси.мальную длительность импульса, которая будет равна времени раскрытия каустики 5.

Импульс разряда накачки объема 6 газовой смеси, занимаемого каустикой 5,осуществляют в промежуток времени от начала раскргытия каустики 5 резонатора до полного ее раскрытия, т.е. с задержкой относительно начала раскрытия. Величина задержки равна нулю при совпадении импульса накачки с началом раскрытия, а ее максимальная величина равна времени полного раскрытия каустики 5 резонатора.

Этот диапазон регулирования задержки обозначен D на фиг.2 и является рабочим диапазоном, выход за пределы которого нецелесообразен. Так, если задержку сделать отрицательной, т.е. осуществить возбуждение смеси ранее начала раскрытия каустики 5, то это приведет к уменьшению энергии и максимальной длительности импульса, как это видно из фиг.2. Увеличение же задержки за пределы диапазона D не приведет ни к каким изменениям параметров импульса, так как накачка будет происходить всегда при полностью раскрытой каустике 5.

Таким образом, изменяя задержку импульса накачки по отношению к началу раскрытий каустики резонатора, можно регулиробать длительность импульса излучения от ма.ксимальной деличины, определяемой временем релаксации газовой смеси и скоростью раскрытия каустики резонатора, до минимальной, определяемой составом газовой смеси. Одновременно изменяется мощность импульса излучения от минимальной, соответствующей наибольшей длительности импульса, до максимальной, так же определяемой составом смеси при данной энергии импульса накачки.

С точки зрения технологического воздействия регулированием времени задержки Гз можно изменять режим излучения от мягкого, необходимого для выполнения таких операций, как термообработка поверхности металла и заглаживание поверхности ранее выполненных сварных шоов. до наиболее жесткого, исгюльзуемого для резки, перфорации отверстий и сварки с глубоким проплавлением. Пример.

Способ был осущостзлен на импульсном TEA С02 лазера, з резонатор которого

был пок1еи;ен бысгродейстоующий затзор обе-Лйчипающ/.й .крытиз каустики шириной 40 мм за 110 МКС. В моиоимпульсном режиме исследования производились при неподвижной газовой смеси, в импульсном режиме - при скорости потока 30 м/с. Запуск генератора импульсов был синхронизирован с работой затвора, з задержка запуска относительно начала раскрытия затвора осуществлялась регулированием запускающего генератора.

Как видно из фиг.2, наибольшая длительность импульса, примерно, соответствует времени полного раскрытия каустики и составляет 100 мкс. Оптимальная (по длительности импульса) задержка составляет около 10 МКС, она соответствует ширине каустики, минимально необходимой по условиям возбуждения генерации,,Форма излучаемого импульса при минимальной задержке близка к прямоугольной (фиг.4) с небольшим спадом вершины импульса.

При минимальной задержке импульса возбуждения, равной 110 мкс длительность импульса (фиг.З) соответствует свободному режиму излучения и равна 5 мкс на полузысоте импульса.

Уменьшение энергии получаемого импульса за счет релаксации составляет примерно 50% в данных условиях эксперимента при соотношении компонентов газовой смеси и максимальной длительности импульса

. С02 nifi

C02-bN2

На фиг.З и 4 видно, что с изменением задержки одновременно изменяются форма импульса и пиковая мощность.

Формула изобретения

СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ИМПУЛЬСОВ ГЕНЕРАЦИИ ГАЗОВОГО ЛАЗЕРА, включающий прокачку потока рабочей газовой смеси перпендикулярно оси каустики резонатора и направлению импульсного разряда накачки, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона регулирования параметров импульсов генерации и упрощения способа, до начала импульса разряда накачки

С- 0 применим для лазероа, скорос,- .j3oro потока которых менее сксросги (7оикрытия каустики резонатора, т.к. в противном случае вся или значительная часть возбужденного газа выйдет из каустики до ее полного раскрытия. Предельной скоростью газового потока для лазера сварочного назначения с временем полного раскрытия каустики резонатору 100 мкс и ее.ширине 40 мм может считаться скорость 100 м/с, при которой потеря энергии составляет около 25%

Использование предложенного способа регулирования параметров импульса, излучаемого газовым лазером, позволяет расширить диапазоны параметров излучения, в частности, расширить диапазон длительности импульса, как например, в рассмотренном случае до 100 мкс, упростить регулирование параметров импульса возбуждения газовой смеси за счет регулирования задержки импульса возбуждения относительно начала раскрытия каустики резонатора, расширить технологические возможности лазера за счет увеличения диапазона изменяемых параметров, в частности, изменяя длительность импульса в пределах этого диапазон-а, можно осуществлять на одном и том же оборудовании и одной и той же газовой смеси с помощью оперативного регулирования сварку, резку, термообработку.

(56)Патент ФРГN:2502140, хл.Н 01 S3/097, опубл. 1977.

Жирард А. и др. TEA С02 - лазер с регулируемой длиной импульса излучения от 50 НС до 50 мкс. ЕЕЕ Jcf Quan turn Elektronics QE 10, 1974, c.521.

каустику резонатора перекрывают, а затем раскрывают с нулевого значения площади 45 ее поперечного сечен /1я до максимального. при этом время раскрытия каустики выбирают не более времени релаксации возбужденной газовой смеси, а импульсную накачку газовой смеси осуществляют по

50

отношению к началу раскрытия каустики резонатора с задержкой, длительность которой выбирает не более времени полного раскрытия каустики.

Tj.

Р,к9т

P,