автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Создание современных промышленных лазеров и лазерных систем на парах меди для прецизионной микрообработки материалов

На правах рукописи

Лябин Николай Александрович

СОЗДАНИЕ

СОВРЕМЕННЫХ ПРОМЫШЛЕННЫХ ЛАЗЕРОВ И ЛАЗЕРНЫХ СИСТЕМ НА ПАРАХ МЕДИ ДЛЯ ПРЕЦИЗИОННОЙ МИКРООБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ

Специапьность:05.02.07-Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

- 6 НАР 2011

005545703

Москва, 2014

005545703

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии «Научно производственное предприятие «Исток»

Официальные оппоненты: ИСАЕВ Анатолий Александрович

доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Отделения оптики Федерального государственного бюджетного учреждения науки Физического института им. П.Н. Лебедева РАН

БУЖИНСКИЙ Олег Игоревич

доктор технических наук, начальник лаборатории Отделения физики Государственного научного центра Российской Федерации Троицкого института инновационных и термоядерных исследований

ВАСИЛЬЦОВ Виктор Владимирович

доктор технических наук, заведующий лабораторией Термических лазерных технологий Института проблем лазерных и информационных технологий РАН

Ведущая организация - Федеральное государственное бюджетное учреждение науки

Объединенный институт высоких температур РАН (ФГБУН ОИВТ РАН), г. Москва

Защита состоится «¿3» Оярг. на заседании диссертационного совете Д 212.141.06 при Московском государственном техническом университет им. Н.Э.Баумана по адресу: 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д.5.

Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью организации, проси высылать по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. Н.Э. Баумана. Телефон для справок: (499)267-09-63

Автореферат разослан « » 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

д.т.н., доцент В.П. Михайлов

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Развитие мирового рынка промышленных лазеров оказывает, что объём выпуска лазерных источников излучения для создания овременного технологического оборудования за последние годы непрерывно озрастает. Применение технологического оборудования чрезвычайно разнообразно: азмерная обработка, раскрой материалов, сварка, поверхностная обработка, егирование и наплавка, маркировка и гравировка. Особое место занимают лазерные ехнологии для прецизионной микрообработки, микросверления, микросварки и аркировки изделий электронной техники (ИЭТ). В качестве источников излучения для их целей могут эффективно использоваться и уже используются короткоимпульсные, ысокочастотные, с малой энергией в импульсе и малым коэффициентом отражения азеры видимого и ультрафиолетового спектра излучения: твердотельные, эксимерные и, частности, лазеры на парах меди (ЛПМ).

ЛПМ и создаваемые на его основе мощные лазерные системы на парах меди СГТМ) с длинами волн излучения X = 510,6 и 578,2 нм, по сравнению с другими азерами, остаются на сегодня самыми мощными с наносекундной длительностью мпульсными источниками когерентного излучения в видимой области спектра. Они бладают большим усилением активной среды - к = Ю'-Ю2 Дб/м и короткой лительностью импульсов — гимп. = 20-40 не, высокими частотой повторения импульсов ЛИ) -/= 5-30 кГц и съёмом мощности с одного активного элемента (АЭ) — Р = 1-100 50) Вт при КПД 0,5-2%, но относительно низкой энергией в импульсе - Ж = 0,10 мДж и дифракционным качеством пучка - в = (1-2)#дифР., При этих параметрах лотность пиковой мощности в пятне сфокусированного излучения (с/ = 5-20 мкм), даже ри относительно малых значениях средней мощности (Р„зл = 1-10 Вт), достигает очень ысоких значении - р = 109-1012 Вт/см2, достаточных для эффективной микрообработки еталлических материалов и большого круга диэлектриков и полупроводников для ИЭТ. недрение технологии прецизионной микрообработки излучением ЛПМ в производство ЭТ позволяет сократить цикл подготовки производства, на порядок и более увеличить роизводительность по сравнению с традиционными способами обработки, исключить еханическое давление инструмента и термическое воздействие, как при ектроискровой обработке, повысить качество и ресурс выпускаемой продукции.

Для реализации лазерной технологии по микрообработке и микросверлению атериалов и других современных технологий требуются ЛПМ и ЛСПМ с высокой адежностью, эффективностью, качеством и стабильностью параметров выходного злучения. Поэтому исследования, направленные на создание промышленных ЛПМ и СПМ с высоким качеством излучения и на их основе современного технологического борудования являются актуальными.

Целью данной диссертационной работы является создание современных ромышленных, с высокими эффективностью и качеством излучения, ЛПМ и ЛСПМ, аботающих в смеси паров меди, неона и водорода, с мощностью излучения 1-100 Вт; и а их основе современного технологического оборудования для прецизионной икрообработки материалов ИЭТ и других применений.

Для достижения поставленной цели необходимо было выполнить следующие адачи.

1. Провести обзор зарубежной и отечественной литературы о состоянии и азвитии ЛПМ, работающих в режиме генератора, и мощных ЛСПМ, работающих по ффективной схеме задающий генератор - усилитель мощности (ЗГ - УМ).

2. Сделать анализ конструкции, технологии тренировки и условий возбужден первого поколения промышленных отпаянных саморазогревных АЭ ЛПМ с рабоч температурой 1500-1600°С и причин их низкой надежности, КПД, мощности и качест излучения.

3. Провести экспериментальные исследования по определению путей повышен долговечности, КПД, мощности и стабильности параметров излучения отпаянн саморазогревных АЭ ЛПМ.

4. Разработать и исследовать новое поколение промышленных отпаянн саморазогревных АЭ ЛПМ «Кулон» малого (1-20 Вт) и «Кристалл» среднего (30-55 уровней мощности излучения с идентичной конструкцией и технологией.

5. Провести оптимизацию по КПД и мощности промышленных АЭ «Кулон» «Кристалл» ЛПМ от температуры разрядного канала, давления буферного газа неона водорода, частоты следования и характеристик импульсов тока накачки.

6. Разработать экспериментальные установки и методики измерений д исследований пространственных, временных и энергетических характеристик излучен ЛПМ и ЛСПМ.

7. Провести экспериментальные и теоретические исследования структур пространственных, временных и энергетических характеристик выходного излучен ЛПМ в режиме сверхсветимости и генератора с известными типами оптическ резонаторов.

8. Создать и исследовать новые оптические системы, обеспечивающ формирование в ЛПМ в режиме генератора однопучкового излучения с дифракционн расходимостью.

9. Провести исследования по повышению КПД, мощности и плотности мощное излучения в ЛСПМ, работающей по схеме ЗГ - пространственный филь коллиматор (ПФК) - УМ.

10. Разработать на базе нового поколения отпаянных АЭ «Кулон» и «Кристалл) новых оптических систем современные промышленные ЛПМ и ЛСПМ мощност излучения до 100 Вт с высокими надежностью, эффективностью и качеством излучени

11. Разработать на базе промышленных ЛПМ и ЛСПМ современн автоматизированные лазерные технологические установки (АЛТУ) для прецизионн микрообработки материалов ИЭТ, в частности, приборов СВЧ-техники и друг применений.

Методики исследований. Для экспериментальных исследований использова стандартные и специально разработанные электрические, оптико-физические, ма спектральные, химические и микрометрические методы, осуществляемые на созданн экспериментальных стендах с помощью стандартных приборов, устройств и элементов.

Основные эксперименты проводились с использованием собственно производства промышленных отпаянных саморазогревных АЭ ЛПМ с рабоч температурой 1500-1700 °С моделей ГЛ-204, ГЛ-206Д и ГЛ-206И с уровнем мощности 20 Вт (серия «Кулон») и моделей ГЛ-201, ГЛ-205А, ГЛ-205Б и ГЛ-205В мощностью 3 55 Вт (серия «Кристалл») и экспериментальных АЭ типа ГЛ-201 Д, ГЛ-201 Д «Кристалл ЬТ-75» и «Кристалл ЬТ-ЮО» мощностью 40-100 Вт, неустойчив резонаторов телескопического типа и с двумя выпуклыми зеркалами и одного выпукло зеркала. Разогрев и возбуждение АЭ осуществлялись от высоковольтных импульсн ИП с применением в модуляторе тиратронных, ламповых и транзисторн коммутаторов.

Экспериментальные исследования характеристик высоковольтных импульсов акачки АЭ: импульсов напряжения и тока разряда производились с помощью алиброванных делителя напряжения и трансформатора тока и осциллографов типа С1-5 и цифрового 008-8408, температуры разрядного канала - оптического пирометра Проминь», давления газов неона и водорода - манометра ЭКВМ-1У и ТЛ-образного алиброванного манометра, энергетических, пространственных и временных арактеристик выходного излучения - датчика мощности лазерного излучения ТИ-3 с одключенным к нему милливольтметром М136, фотоэлемента типа ФЭК-14К с аносекундным разрешением и осциллографа 008-8408, частотомера ЧЗ-Э4А, апоминающего осциллографа С7-8А, анализатора пучка излучения Веат 51аг-РХ, окусирующих зеркал и линз, поворотных зеркал, светоделительных пластин и слабителен мощности. Исследования изменения состава активного вещества меди в тпаянном АЭ после длительных испытаний проводились методом химического анализа с помощью масс спектрометров типа МС-7201М и МИ-1201. Анализ качества икрообработки материалов импульсным излучением проводился с помощью овременных микроскопов: измерительного УММ-200 и проекционного РУ-5100. еоретические исследования физических процессов формирования пространственно-ременной структуры импульсного излучения ЛПМ основывались на законах еометрической оптики.

Научная новизна работы заключается в следующих положениях:

1. Максимальные КПД, мощность и долговечность, стабильность мощности и табильность оси диаграммы направленности пучка излучения и устранение паразитной вязи с активной средой в промышленных отпаянных саморазогревных АЭ импульсного 1М обеспечиваются за счет:

- выполнения керамического разрядного канала с глухими пазами, в каждом из оторых устанавливается генератор паров меди в виде молибденовой подложки с тверстиями, смачиваемой активным веществом - расплавленной медью, и ерфорированными концевыми трубками;

- разработанной технологии восстановления чистоты поверхности генераторов аров меди в атмосфере водорода с неоном при 7^6= 1600 °С после полного безгаживания АЭ при Т= 1700 °С длительностью 30...60 ч;

- создания безнакального автотермоэмиссионного металлопористого вольфрам-ариевого (\V-Ba) катода кольцевой конструкции с кольцевой проточкой на внутренней оверхности;

- применения выходных просветленных окон с углом наклона к оптической оси АЭ, е превышающем значений

(2 -аЬ)

а = агс!г 4-

5 (2 а + Ь)

де а = £>к//к (Ок - диаметр и /к - длина разрядного канала), Ъ = ДДж (/0к - расстояние от орца разрядного канала до окна вдоль оптической оси.

2. В импульсном ЛПМ в режиме отдельного генератора при оптических режимах с дним выпуклым зеркалом, резонатором с двумя выпуклыми зеркалами и елескопическим резонатором, формируются пучки с дифракционной и близкой к ней асходимостью, когда в пятне сфокусированного излучения диаметром 5-20 мкм остигаются плотности пиковой мощности 109-1012 Вт/см2, достаточные для ффективной микрообработки металлических материалов.

3. В импульсном ЛПМ в режиме отдельного генератора формирован! однопучкового излучения с дифракционной расходимостью возможно только резонатором с двумя выпуклыми зеркалами при выполнении следующих условий:

^ВЫХ) > К-1(ТП),

где 1\ и 12 - расстояния от зеркал до разрядного канала, /к - длина разрядного канала, ти„ время существования инверсии населенностей, с - скорость света, ЯцГЛ) и /?2(вых> радиусы кривизны глухого и выходного зеркал резонатора.

4. Максимальные КПД, мощность излучения и плотность пиковой мощности (10 1014 Вт/см2) в лазерной системе на парах меди (ЛСПМ), работающей по схеме задающ генератор - пространственный фильтр-коллиматор - усилитель мощности (ЗГ - ПФ УМ), достигаются за счет:

- выделения из выходного излучения ЗГ дифракционной составляющей;

- пространственного согласования выделенного дифракционного пучка апертурой разрядного канала УМ;

- обеспечения уровня плотности мощности излучения на входе УМ не мен 0,2...0,3 Вт/см2;

- синхронизации (совмещения) во времени световых сигналов ЗГ и УМ точностью не хуже ±2 не;

- достижения стабильности положения оси диаграммы направленности пуч излучения Ав < 6?ДИфр/10.

5. Активная среда ЛПМ в отношении к собственному излучению имеет четы последовательно идущие друг за другом и повторяющиеся от импульса к импуль характерные временные зоны: слабого поглощения (т= 30...50 не), усилен (г = 20...40 не), полного поглощения (т> 1000 не) и максимальной прозрачное (г> 1000 не). Знание этих свойств активной среды позволило создать методы устройства оперативного управления мощностью излучения в современных ЛГ : ЛСПМ и на их базе в автоматизированных лазерных технологических установк (АЛТУ) «Каравелла» для прецизионной микрообработки материалов.

Новизна технических решений подтверждена 12 патентами РФ и 1 авторск свидетельством СССР.

Практическая значимость работы. Результаты работы были использованы п разработке, исследовании и производстве промышленных отпаянных саморазогревн АЭ на парах меди, оптических резонаторов и систем, коммерческих импульсных ЛПМ ЛСПМ, технологического и медицинского оборудования на их основе:

- АЭ на парах меди первого поколения моделей «Криостат-1» (ГЛ-202 - по Т «Кристалл-1» (ГЛ-201), «Квант» (УЛ-102) и «Кулон» (ГЛ-204);

- Двухканального излучателя «Карелия-1» (ИЛГИ-201) и на его основе ЛСП «Карелия»;

- Технологической установки «ЭМ-5029» на базе ЛСПМ «Карелия» для скоростно изготовления фотошаблонов;

- Экспериментальной технологической установки ЭЛТУ «Каравелла» на базе ЛС. «Карелия» для исследований по обработке материалов ИЭТ;

- Излучателя «Клен» (ИЛГИ-202) с АЭ ГЛ-201 и на его основе ЛПМ «Курс» (ЛГ 202) (пат. № 1813307);

- Медицинских установок первого поколения «Янтарь-2Ф» и «Янтарь-2 » на базе ПМ «Курс» для применения в ангиопластике, дерматологии и косметологии, ториноларингологии, гинекологии, проктологии, урологии;

- Нового поколения АЭ на парах меди малого уровня мощности (1-20 Вт) серии Кулон» - ГЛ-206А, ГЛ-206Б, ГЛ-206В, ГЛ- 206Г, ГЛ-206 Д и ГЛ-206И, на парах золота

,5-1,5 Вт) - ГЛ-206Е и ГЛ-206Ж (пат. № 20617, №2191452);

- Нового поколения АЭ на парах меди среднего уровня мощности (30-55 Вт) серии Кристалл» - ГЛ-205А, ГЛ-205Б и ГЛ-205В, на парах золота - ГЛ-205Г (пат. № 20617, а 2191452, № 30468, и № 35177);

- Экспериментальных АЭ на парах меди повышенного уровня мощности (500C Вт)- ГЛ-201Д, ГЛ-201Д32, «Кристалл LT-75» и «Кристалл LT-100»;

- Разных типов устойчивых и неустойчивых резонаторов и на их основе оптических истем для формирования качественных пучков излучения (A.c. № 1438549, ат. № 44004 № 1565320 и № 2432652);

- Коммерческих ЛПМ и ЛПЗ серии «Кулон» на основе нового поколения АЭ ГЛ-206 ООО «НПП «ВЭЛИТ», г. Истра МО (пат. № 2226022 и № 2251179);

- Мощных ЛСПМ типа ЗГ - УМ на основе нового поколения АЭ ГЛ-205А, ГЛ-205Б ГЛ-205В для разделения изотопов в РНЦ «Курчатовский институт» (Москва),

нституте физики полупроводников (г. Новосибирск), ООО «Медицинские ерилизационные системы» (г. Одинцово МО) (пат. № 2264011)

- Многофункциональных лазерных медицинских установок типа «Яхрома-Мед» и Кулон-Мед» для научной и практической медицины в области онкологии, лазерной изкоинтенсивной терапии и хирургии, дерматологии и косметологии в Физическом нституте им П.Н. Лебедева РАН (Москва) и ООО «НПП «ВЭЛИТ» (г. Истра МО);

- Автоматизированных лазерных технологических установках (АЛТУ) «Каравелла» и «Каравелла-1М» для прецизионной микрообработки материалов толщиной 0,05мм для ИЭТ, в частности, ЭВП СВЧ-техники и точного приборостроения ат. № 2264011);

- Автоматизированных лазерных технологических установках (АЛТУ) «Каравелла» и «Каравелла-2М» для прецизионной микрообработки материалов толщиной 0,02,3 мм для ИЭТ, в частности, ЭВП СВЧ-техники и точного приборостроения

ат. № 2251179).

Общий объем выпуска промышленных отпаянных АЭ импульсного ЛПМ серии Кулон» и «Кристалл» составил около 1200 шт., импульсных ЛПМ «Курс» и «Кулон» -0 шт., ЛСПМ «Карелия» — 15 шт., медицинской аппаратуры типа «Янтарь-2Ф», Яхрома-2» и «Яхрома-Мед» — более 100 шт., технологических установок «Каравелла» -шт.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы и отдельные ё положения доложены и обсуждены на всероссийских и международных научно-ехнических конференциях, семинарах и симпозиумах:

Семинарах и симпозиумах «Лазеры на парах металлов и их применение» .Ростов-на-Дону, 1991 г., 1993 г., 1996 г., 1998 г., 2000 г., 2002 г., 2004г., 2006г., 008 г., 2010 г.);

Международной конференции «Физпром-96» (г. Звенигород, 1996 г.);

2-7, 9, 10, 12, 14-ой Международных научных конференциях «Физико-химические роцессы при селекции атомов и молекул» (г. Звенигород, 1997-2002 гг., 2004 г., 2008 г., 010 г.);

• VTII, XII , XIV-XIX, XXII-ой Международных научно-технических конференци «Лазеры в науке, технике, медицине» (г. Пушкинские Горы-1997 г., Сочи - 2001 Адлер-2003-2008 гг., Геленджик-2011 г., Туапсе-2013 г.);

• III Международной конференции «Импульсные лазеры на переходах атомов молекул» (г. Томск, 1997 г.);

• Международной конференции «Комбинационное рассеяние - 70 л исследований» (Москва, 1998 г.);

• The International conference «Lasers'98» (Tucson, Arizona, 1998 г.), «Lasers'9 (Quebec, Canada, 1999 г.), «Lasers'2000» (Albuquerque, New Mexico, 2000 г.);

• Научно-техническом семинаре ЛАС «Лазерные технологии и технологическ оборудование» (Москва, 1999 г.);

• The International conference «Atomic and molecular pulsed lasers» (Tomsk, 1999

2003 г., 2010 г.);

• Международной конференции по люминесценции (Москва, 2001 г.);

• Международной конференции «Перспективные направления лазерной медицин (Москва, 1992 г.);

• Международной научно-практической конференции «Лазерная медицина» (Моек

2004 г.);

• VIII симпозиуме «Электротехника 2010» (Москва, 2005 г.); Technical Digest ICONO (Minsk, Belarus, 2007 г.);

• Международной научно-технической конференции «Инновационные технологии науке, технике и образовании» (г. Кемер, Турция, 2008 г., г. Таба, Египет, 2009 г.);

• Молодежной школе-конференции с международным участием «Лазеры и лазерн технологии» (г. Томск, 2010 г.);

• Международной оптической выставке «ОVC Ехро'2006» и «OVC Ехро'201 (г. Ухань, Китай, 2011 г.);

• Научно-технических конференциях и семинарах по «СВЧ-электронике» ФГ «НПП «Исток» (г. Фрязино, 2005-2013 гг.);

• Сессии-симпозиуме «Московский межотраслевой альянс главных сварщиков главных специалистов по резке и металлообработке» (Москва, 2013 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 130 научных работ, в том чис 1 монография, 27 статей в ведущих рецензируемых журналах по перечню ВАК РФ, статьи в журнале SPIE. Получено 12 патентов РФ и 1 авторское свидетельство СССР. Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, девяти глав, выводов и спис литературы. Общий объем — 551 страницы, включая 45 таблиц, 281 рисунок и спис литературы из 394 наименований, из них 130 работы автора.

Во введении дана характеристика импульсным ЛПМ и ЛСПМ и показана, метод сравнительного анализа с известными коммерческими газовыми и твердотельны лазерами, перспективность их использования для прецизионной микрообработ материалов ИЭТ и других применений. Раскрыта актуальность диссертационной работ сформулированы цели и задачи исследований, приведена научная и практическ значимость работы, представлены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен исторический обзор этапов исследования, развития создания промышленных ЛПМ и мощных ЛСПМ и разрабатываемых на их осно

современного технологического оборудования различного назначения и аппаратуры для трименения во многих областях науки, техники и медицины.

Анализ показал, что в настоящее время зарубежный приоритет по разработке коммерческих ЛПМ малого и среднего уровней мощности излучения (1-120 Вт), иредназначенных для широкого практического применения, принадлежит Oxford Lasers Англия), университету Маккуари (Австралия) и Pulse Light (Болгария), по мощным 1СПМ, предназначенных для разделения изотопов для нужд ядерной энергетики, -^1иверморской национальной лаборатории им. Лоуренса (США), в которой средняя ющность излучения доведена до 72 кВт и планируется увеличить до сотни киловатт. В "оссии приоритет по мощным ЛСПМ принадлежит РНЦ «Курчатовский институт» |Москва).

В России лидером по разработке и выпуску коммерческих АЭ импульсного ЛПМ шляется ФГУП «НПП «Исток» (г. Фрязино МО). Сегодня НПП «Исток» выпускает ¡[ромышленные отпаянные саморазогревные АЭ серии «Кулон» малого (1-20 Вт) и «Кристалл» среднего (30-100 Вт) уровней мощности излучения с высокими ффективностью и долговечностью, не имеющие отечественных и зарубежных аналогов. 1а основе отпаянных АЭ НПП «Исток» совместно с ООО «НПП «ВЭЛИТ» (г. Истра 40) и ЗАО «Чистые технологии» (г. Ижевск) разрабатывает ЛПМ и ЛСПМ, обладающие ¡ысокой надежностью и качеством излучения, для применения в современном технологическом оборудовании по производительной микрообработке материалов и фугих применений, в частности и медицинских.

Во второй главе рассмотрены результаты анализа конструкции, технологии (зготовления и тренировки, условий возбуждения активной среды (АС) первых фомышленных отпаянных саморазогревных АЭ импульсного ЛПМ типа «Криостат», 'Криоген», «Кристалл» и «Кулон» и причины их низкой долговечности и эффективности [i проведены исследования путей повышения КПД, мощности излучения и надежности |ТПМ. За основу конструкции как первых моделей, так и нового поколения тромышленных отпаянных АЭ ЛПМ серий «Кулон» и «Кристалл» с рабочей температурой разрядного канала 1500-1700 °С взята конструкция саморазогревного АЭ с нутривакуумным расположением теплоизолятора (Рис.1), предложенная сотрудниками Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (Москва) и ФГУП «НПП «Исток» г. Фрязино, МО).

_2 7_ ' í í 1 I ^ 5 6 Рис. 1. Конструкция саморазогревного АЭ: 1 -

разрядный канал; 2 - электродные узлы; 3 -рабочее вещество; 4 - вакуумноплотная оболочка; 5 - тугоплавкий порошковый теплоизолятор; 6 - выходные окна; 7 -соединительные узлы; 8 - штенгеля для напуска и откачки газов

В АЭ первого поколения были выявлены существенные как конструктивные, так и ехнологические недоработки, не соответствие ряда материалов по теплофизическим и кимическим свойствам требованиям на высокотемпературный АЭ, низкая эффективность зысоковольтных модуляторов ИП наносекундных импульсов накачки АС, являющихся причинами низких надежности, КПД, мощности, времени готовности, и качества излучения ЛПМ. Эти исследования явились основой для разработки в ЛПМ новых конструкторских, технологических и схемных электрических решений.

Исследования по повышению надежности, КПД, мощности, а также качества стабильности параметров излучения ЛПМ были проведены в основном с АЭ «Кристалл; промышленным ГЛ-201 (£>ка„=20мм, ¿кан= 930 мм) с уровнем мощности излучени 20...30 Вт и экспериментальными ГЛ-201Д (£>кан=20мм, Ькт= 1230 мм) мощность; 40...45 Вт и ГЛ-201Д32 (1)кан=32 мм, £кан = 1230 мм) мощностью 50...55 Вт, в которь были использованы новые научно-технические и технологические решения (Рис. 2).

Рис. 2. Конструкция экспериментальных АЭ «Кристалл»: 1 - секционированный керамически разрядный канал; 2 и 3 - генераторы и конденсоры паров меди; 4 и 5 - кольцевые безнакалъш| катод и молибденовый анод; 6 и 7 - волокнистый (ёв < 4 мкм) и порошковый из поль микросфер (ёМик=90...125мкм) теплоизоляторы; 8 - металлокерамическая вакуумноплотш оболочка; 9 - экран-ловушка; 10 - стеклянные концевые секции; 11 - выходные окна; 12, 13 плоско-сферический резонатор

Максимальная долговечность в исследуемых АЭ достигалась за счет герметизац^ секционированного разрядного канала (поз.1), высокого давления буферного газа нео и защиты от запыления экранами-ловушками (поз.9) выходных окон (поз.11), высок« качество выходного пучка излучения- за счет применения выходных окон (поз. 11 установленных под определенным углом к оптической оси, снижение потребляемс мощности - использования двухслойного теплоизолятора (поз.6, 7) из окиси алюминия кремния с низкой теплопроводностью (Я = 0,3 Вт/см"). Высокая стабильность параметре излучения была достигнута за счет создания безнакального металлопористого \У-В катода кольцевой конструкции с кольцевой проточкой, обеспечивающего устойчив локальное горение импульсно-дугового разряда в режиме автотермоэмиссии.

Накачка (разогрев и возбуждение) АЭ в экспериментах производилась импульсны тиратронным и ламповым ИП. По результатам исследований было установлено, чт самым надежным в эксплуатации и эффективной по условиям возбуждения АС являет-тиратронный ИП с исполнением высоковольтного модулятора по схеме емкостно^ удвоения напряжения с магнитными звеньями сжатия наносекундных импульсов тока, таким оптимизированным исполнением модулятора ИП, по сравнению с исполнением г. классической схеме, длительность формируемых импульсов тока накачки в А, укорачивается в 2 раза (с 250-300 не до 120-150 не), что приводит к увеличение мощности излучения примерно в 2 раза, КПД в 1,5 раза за счет повышения оптимальней концентрации паров меди в АС примерно в 2-2,5 раза (повышается рабочая температур разрядного канала), увеличивается в несколько раз срок службы тиратрона (до 2000 ч более) и коммутируемая мощность (до 5... 10 кВт) за счет снижения потерь мощности нем. ИП с такой схемой модулятора устойчиво работает в диапазоне ЧПИ 3-20 кГ: амплитудах импульсов напряжения 15-30 кВ и разрядного тока 0,2-1,0 кА длительностью переднего фронта 40-50 не при длительности по основанию 120-150 не.

Проведен комплекс экспериментальных исследований по повышению оптимизации КПД и мощности ЛПМ от потребляемой мощности (рабочей температуры

щвления буферного газа неона и водорода, частоты и характеристик импульсов накачки, римеры таких оптимизаций приведены на рис. 3-5.

Максимальные КПД и мощность излучения в ЛПМ, особенно при низких Цавлениях неона в АЭ - 40-100 мм рт. ст., достигаются с генераторами паров меди на ^олибденовой подложке после восстановления их водородом при рабочей температуре разрядного канала (Гкан~ 1600°С), проводимого после двухэтапного обезгаживания АЭ. 1ри давлениях буферного газа неона в АЭ в диапазоне 50-250 мм рт. ст. добавки юдорода с парциальным давлением до 6... 10 мм рт. ст. приводят к увеличению мощности излучения в 1,5 раза и более, при давлениях неона близких к атмосферному и Атмосферном водород заметного влияния на мощность излучения не оказывает.

Я„зл, Вт 35

25

15

КПД, % /"V

1.0 <-4 \

0,6 //?А

0,2 /из

0

2,5

3,5

¡800 1600 1400 1200

кВт

50 НС

ис. 3. Зависимости средней мощности излучения: суммарной (1), на зеленой (2) и желтой (3) линиях, температуры разрядного канала (4) и практического КПД (5) ЛПМ от потребляемой мощности от выпрямителя ИП с промышленным отпаянным АЭ ГЛ-201 с генераторами меди на молибденовой подложке. Высоковольтный модулятор ИП выполнен по схеме емкостного удвоения напряжения со звеном магнитного сжатия импульсов тока при ЧПИ 10 кГц. Осциллограммы импульсов напряжения (6), тока разряда (7) и излучения (8)

/->... Вт °С

55 />.„„р. 7

кВт /

50 \\5 Тойал , С .

5.4

45

х!

40

5.0

35 .№0

в ___ ---- '

30 4.6

320

25 ■—

4.2 /

20 / --- 280

[580

1500

1460

КПД, %

100

300

РИс. мм рт. ст.

Рис. 4. Зависимости средней мощности излучения ЛПМ: суммарной (1), на зеленой (2) и желтой (3) линиях, потребляемой мощности от выпрямителя ИП (4), температуры разрядного канала (5) и оболочки (6) АЭ от давления неона с экспериментальным отпаянным АЭ ГЛ-201Д32 при ЧПИ 10 кГц

И ЧПИ, кГц

Рис. 5. Зависимость средней мощности излучения (1) и практического КПД (2) ЛПМ с

экспериментальным отпаянным АЭ ГЛ-201Д32 от ЧПИ при давлении неона 100 мм рт. ст. и потребляемой мощности от выпрямителя ИП 5,5 кВт

При изменении давления неона в АЭ от 50 до 760 мм рт. ст. мощность излучеш; монотонно снижается. Например, с промышленным АЭ ГЛ-201 при ЧПИ 10 кГ суммарная средняя мощность излучения снижается с 34 Вт (при практическом КПД 1,0%), до 20 Вт (КПД ~ 0,67%), с экспериментальным АЭ ГЛ-201Д32 - с 55 Вт до 41 Е (КПД ~ 1,0 и 0,8%) (Рис.4). Снижение мощности обусловлено, в основном, падение! мощности на зеленой длине волны (Я = 510нм), т.к. с увеличением давлещ ухудшаются условия возбуждения.

Из полученных экспериментальных данных следует, что при оптимальнь) давлениях неона и водорода, ЧПИ и потребляемых мощностях КПД отпаяннь1 саморазогревных АЭ «Кристалл» составляет около 2% при рабочих давлениях неона 1,3% при атмосферном давлении.

Проведены исследования экспериментальных АЭ ГЛ-201Д32 с меньшей и большей на 30 см длиной разрядного канала (930 и 1530 мм), результаты которь; представлены в табл. 1.

Таблица

Потребляемая мощность, КПД и мощность излучения ЛПМ

Параметр Длина разрядного канала, мм

930 1230 1530

Мощность, потребляемая от выпрямителя ИП, кВт 4,7 5,5 6,2

Режим генератора

Средняя мощность излучения, Вт 41,5 55 67

Практический КПД, % 0,9 1,0 1,08

Режим усилителя мощности

Средняя мощность излучения, Вт 56 70 90

Практический КПД, % 1,2 1,27 1,45

КПД АЭ, % 2,3 2,6 3

Из данной таблицы 1 видно, что эффективность саморазогревных АЭ с больши объёмом АС, особенно в режиме УМ, может достигать высоких значений. При длиь канала 930 мм средняя мощность излучения и КПД АЭ составили соответственно 56 Вт 2,3%; при длине 1230 мм - 70 Вт и 2,6% и при длине 1530 мм - 90 и 3%.

В третьей главе представлены результаты разработки и исследований новог поколения высокоэффективных и долговечных промышленных отпаяннь саморазогревных АЭ импульсного ЛПМ, работающих в смеси паров меди, неона, I водорода, серий «Кулон» малого (1-20 Вт) и «Кристалл» среднего (30-55 Вт) уровн мощности (Рис. 6). Условные обозначения АЭ по ТУ: «Кулон» - ГЛ-206, «Кристалл» ГЛ-205.

Рис. 6. Внешний вид промышлемнь отпаянных саморазогревных А серий «Кулон» и «Кристалл импульсного ЛПМ: ГЛ-205 (55 Вт), ГЛ-205 Б (40 Вт), Ц

205 В (30 Вт), (сверху вниз); Г.

206 Д (10 Вт) ГЛ-206 И(15Вт ГЛ-206 Г(5 Вт) (снизу вверх левом ряду); ГЛ-206 В (3 Вт ГЛ-206 Б (1,5 Вт), ГЛ-206 (1 Вт) УЛ-102 (6 Вт) (сни: вверх в правом ряду)

Конструкция, технология изготовления и тренировки по обезгаживанию и очистке ¡азработанных отпаянных АЭ импульсного ЛПМ серий «Кулон» и «Кристалл» и его отдельных узлов идентичны. Конструкция промышленных АЭ представлена на рис. 7 и »тдельно разрядных каналов на рис. 8.

ис. 7. Конструкция промышленных отпаянных саморазогревных АЭ ЛПМ серии «Кулон» и «Кристалл»: 1 - секционированный разрядный канал с глухими пазами; 2 и 3 - керамические трубки и соединительные втулки разрядного канала; 4 -генераторы паров меди; 5 -приэлектродная щелевая трубка; 6 - воротник; 7 - держатель катода; 8 и 9 - кольцевые безнакальный \V-Ba катод и молибденовый анод; 10 - электродная чашка; 11 - алюмофосфатный цемент; 12 - высокотемпературный герметизирующий цемент; 13, 14, 15 - теплоизоляторы; 16-вакуумноплотная оболочка; 17, 18, 19 - металлические стаканы; 20 - концевые стеклянные секции; 21 - выходные окна под углом к оптической оси; 22 - экраны-ловушки; 23 - стеклянные штенгеля, 24 - высоковольтный контакт; 25 - петли контактная; 26 — термостойкий клей

Зис .8. Секционированный герметизированный керамический разрядный канал (а) АЭ «Кулон» (сверху) и «Кристалл» с электродами на концах (снизу) и безнакальный металлопористый термоэмиссионный \V-Ba кольцевой катод (1) с кольцевой проточкой на рабочей поверхности (б): новый (сверху) и отработавший около 2000 ч (снизу), 2 - молибденовый держатель катода

Применяемые в новых отпаянных саморазогревных АЭ ЛПМ серий «Кулон» «Кристалл» базовые материалы одинаковы. Новые АЭ отличаются от первь промышленных моделей меньшей потребляемой мощностью, высокими сроком служб КПД, мощностью, качеством, стабильностью и воспроизводимостью параметр излучения. Высокие КПД, мощность, долговечность, качество, стабильность мощности стабильность оси диаграммы направленности излучения в промышленных АЭ «Кулон» «Кристалл» достигнуты за счет реализации комплекса научно-технических технологических решений:

- выполнения керамического разрядного канала с глухими пазами, в каждом которых устанавливается генератор паров меди в виде молибденовой подложки отверстиями, смачиваемой активным веществом - расплавленной медью, перфорированными концевыми трубками;

- разработанной технологии восстановления чистоты поверхности генератор паров меди и электродных узлов в атмосфере водорода с неоном при Т[т5 = 1600°С пос полного обезгаживания АЭ при Т= 1700°С длительностью 30...60 ч (зависит от моде АЭ);

- создания безнакального автотермоэмиссионного металлопористого вольфра бариевого (ДУ-Ва) катода кольцевой конструкции с кольцевой проточкой на внутренн поверхности, обеспечивающего устойчивое локальное горение импульсного дугово разряда;

— трехкомпонентного высокотемпературного теплоизолятора с низк теплопроводностью (Я = 0,27-0,31 Вт/(м-К)) и малым удельным весом (р = 0,32-0,5 г/см на основе окислов А1203 и ВЮ2, размещенного в пространстве между разрядным канало с Граб 2 1600 °С, электродными узлами и внешней вакуумноплотной оболочкой с Гр г 300°С;

- применения выходных просветленных окон с углом наклона к оптической оси А не превышающем значений

(2-ой)

а = аШе -т,

5 (2а + Ь)

где а = ДДс (Д< - диаметр и /к - длина разрядного канала), Ь = Ок//ок {10К - расстояние торца разрядного канала до окна вдоль оптической оси. Последнее устраняет обратну паразитную связь с АС и не приводит к искажению структуры выходного излучения.

АЭ серии «Кулон» имеют относительно малые габариты - длина 0,33-0,9 электропотребление в пределах 0,65-2,1 кВт, металлостеклянное исполнен вакуумноплотной оболочки и эксплуатируются преимущественно в режиме воздушно охлаждения. Самые мощные из этой серии АЭ ГЛ-206Д и ГЛ-206И применяются технологических установках типа «Каравелла», предназначенных для микрообработ материалов ИЭТ. Поэтому для обеспечения стабильности положения оси пуч излучения, теплонагруженный АЭ устанавливается внутри водоохлаждаемо цилиндрического металлического теплосъемника, выполняющего одновременно функцию обратного токопровода. АЭ серии «Кристалл» имеют в несколько раз большу длину - 1,3-1,6 м, вес - 11-15 кг и потребляемую мощность - 3-5 кВт, что налагает на конструкцию, технологию изготовления и тренировки дополнительные жестк требования. В составе технологического оборудования АЭ «Кристалл» эксплуатируют также в цилиндрических водоохлаждаемых металлических теплосъемниках.

Основные параметры нового поколения промышленных отпаяннь саморазогревных АЭ серий «Кулон» и «Кристалл» представлены в табл. 2 и 3.

Таблица 2.

Основные параметры промышленных отпаянных АЭ ЛПМ серии «Кулон»

араметр

Модель

ГЛ-206А

ГЛ-206Б

ГЛ-206В

ГЛ-206Г

УЛ-102

ГЛ-206Д

ГЛ-206И

лина волны излучения, нм

510,6; 578,2

авление буферного газа Ne, мм рт. ст.

600

450

300

300

300

220

иаметр разрядного канала, мм

12

20

14

14

лина разрядного канала, мм

140

175

340

340

470

490

625

бъем активной среды, см

4,2

5,7

28

116

65

85

астота повторения импульсов (ЧПИ):

птимальная

абочий диапазон, кГц

15-18 8-25

15-18 8-25

14-17 8-17

14-17 8-17

10-12 8-14

4-17 8-17

14-17 8-17

редняя мощность излучения в режиме енератора (при оптимальной ЧПИ), Вт:

1,0-1,4

1,5-2,0

5-7

8-9

15-16

15

20-

оотношение мощностей излучения*)

3:2

3:2

3,5:2

3,5:2

5:3

3:2

3:2

Длительность импульсов излучения, не

10-15

10-15

17-20

17-20

20-25

17-20

17-20

асходимость излучения с плоским езонатором, мрад_

5,5

6,5

4,5

4,3

асходимость излучения с елескопическим неустойчивым езонатором, мрад_

0,1.. .0,2

ощность, потребляемая от ыпрямителя ИП, кВт_

0,65

0,75

1,15

1,2-1,5

1,7-2,1

1,5-1,

2,1

ремя готовности (при оптимальной отребляемой мощности), мин_

25

25

45

50

60

60

60

инимальная (гарантируемая) аработка, ч_

>1000

>1000

>1500

>1500

>1500

>1500

>1500

Таблица 3.

Основные параметры промышленных отпаянных АЭ ЛПМ серии «Кристалл»

Параметр Модель

ГЛ-205А ГЛ-205Б ГЛ-205В

лина волны излучения, нм 510,6; 578,2

авление буферного газа N6, мм рт. ст. 250 180 150

иаметр разрядного канала, мм 20 20 32

лина разрядного канала, мм 930 1230 1230

бъем активной среды, см1 250 350 900

Ш, кГц: оптимальная 10-12 10-12 10-12

рабочий диапазон 8-20 8-20 8-20

редняя мощность излучения (при оптимальной ЧПИ), Вт: >ежим генератора ежим усилителя 30-35 40-45 40-45 55-60 50-55 70-75

соотношение мощностей излучения*' 1:1 1:1 3:2

лительность импульсов излучения, не 25-30 25-30 30-35

асходимость излучения с плоским резонатором, мрад 4 3 5

асходимость излучения с телескопическим неустойчивым

езонатором, мрад 0,07-0,1

ощность, потребляемая от выпрямителя ИП, кВт 2,9-3,1 3,6-3,8 4,5-4,7

ремя готовности (при оптимальной потребляемой ощности), мин 60 60 80

инимальная (гарантируемая) наработка, ч >1500

)Ри2Л{к = 510,6 нм)/ Риш( А= 578,2 нм).

В основу оптимизации нового поколения промышленных отпаянных АЭ ЛПМ п достижению в них максимальных КПД и мощности излучения и долговечности взят: результаты уникальных экспериментальных исследований при разных температура' разрядного канала (Гка„= 1400-1700 С), давлениях неона (¿?Ne= 40-760 мм рт. ст.) водорода (рн2=1-10мм рт. ст.), ЧПИ (/"=3-20 кГц) и характеристик импульсов toe накачки, полученных в гл. 2.

Оптимизация параметров промышленных АЭ проводилась с использование; самого на сегодня надежного и эффективного тиратронного ИП, высоковольтные модулятор которого выполнен по схеме емкостного удвоения напряжения с магнитным звеньями сжатия наносекундных импульсов тока и анодным реактором. На рис. показаны примеры осциллограмм высокоэффективных импульсов накачки для А' «Кристалл».

а б

Рис. 9. Осциллограммы импульсов напряжения (1), тока разряда (2) и излучения (3) импульсного ЛПМ| АЭ «Кристалл»: ГЛ-205А (а) и ГЛ-205В (б) при ЧПИ 10,5 кГц

Срок службы промышленных АЭ серий «Кулон» и «Кристалл» ЛПМ благо да;: высокой надежности всех функциональных узлов и эффективной защите от запыленк выходных оптических окон, определяется лишь тремя факторами: массой запасеннс^ меди в генераторах паров меди, рабочей температурой разрядного канала и давление, буферного газа неона и составляет не менее 3000 ч (Рис. 10).

/*«.,. Вт

Рис. 10. Зависимости средней мощности излучения АЭ «Кулон» модели ГЛ-206Д (1, 2) с давление неона 300 мм рт. ст. и «Кристалл» ГЛ-205В с давлением 150 мм рт. ст. (3) от времен наработки: 1 - со стандартными генераторами паров меди, 2 и 3 — с увеличенным запасом мед в концевых генераторах

При увеличенной в АЭ в два раза массы активного вещества-меди в концевы' генераторах паров меди (кривая 2 и 3), мощность излучения ЛПМ за время срока служб! 14

снижается монотонно и значительно меньше. Потери мощности излучения от запыления ^ыходных окон за 3200 ч на ход кривых не оказывают заметного влияния, т. к. они доставляют около 3 % от общей мощности.

Основной причиной снижения мощности, как показал масс-спектральный анализ ^енераторов паров меди после длительных наработок АЭ, является образование в р асплавленной меди молибденовых структур (кластеров) с развитой поверхностью, Увеличивающих энтальпию (необходимую энергию) испарения меди из системы. В рпектре обнаружены также следы закиси меди Си20, с температурой заметного разложения начиная с 1800°С. В настоящее время в качестве материала подложки для Ьенераторов паров меди испытывается тугоплавкий рений (Гпл= 3190 °С) и его сплавы с Молибденом и вольфрамом, обладающие по сравнению с молибденом более благоприятным сочетанием физико-химических свойств по отношению к расплавленной 'леди и керамическому каналу из А1203. Эти материалы пластичные, жаропрочность их зыше, чем у молибдена и сохраняется до температуры 2000 °С.

Экспериментальные исследования показали, что в ЛПМ добавка в АЭ водорода с парциальным давлением до 10 мм рт. ст. в зависимости от ЧПИ, давления неона, диаметра разрядного канала и условий накачки (возбуждения) АС, приводит к ,/величению КПД и мощности излучения ЛПМ до 1,5 раза и выше. Напуск водорода в АЭ осуществляется после его полного обезгаживания длительностью 30...60 ч до температуры 1700 °С и восстановления в атмосфере водорода с неоном при рабочей гемпературе 1600 °С (Рис. 11).

а б

Рис. 11. Зависимость средней мощности излучения ЛПМ с АЭ «Кристалл» модели ГЛ-205Б от парциального давления водорода (в скобках процентное содержание) с тиратронным ИП при ' ЧПИ 10,5 кГц (а) и ламповым ИП при ЧПИ 14,7 кГц (б)

Добавление водорода к рабочей газовой смеси ЛПМ приводит и к возрастанию оптимальной ЧПИ с параллельным увеличением мощности и КПД (Рис. 12).

Рис. 12. Зависимость средней мощности излучения ЛПМ с АЭ «Кристалл» модели ГЛ-205Б с ламповым источником питания от ЧПИ без добавки (1) и с добавкой водорода при рНг= 2 мм рт. ст. (2)

При изменении давления буферного газа неона от 50 до 760 мм рт. ст. и ЧПИ 10 кГц средняя мощность излучения ЛПМ с АЭ «Кулон» модели ГЛ-206Д снижается с 15 до 10 Вт (на 33%), «Кристалл» моделей ГЛ-205А - с 34 до 21 Вт (на 38%), ГЛ-205Б - с

15

44 до 25 Вт (на 43%), ГЛ-205В - с 56 до 30 Вт (на 47%) (Рис. 13) и ГЛ-205Г - с 8,5 д 5,4 Вт на 36%) (Рис. 13). С увеличением диаметра и длины разрядного канала АЭ 1! соответственно, объема активной среды относительный спад мощности при увеличени давления неона становится резче. Давление неона в промышленных АЭ выбиралод путем компромиссного решения между долговечностью, мощностью и стабильность^ параметров излучения.

Установлено, что каждая модель АЭ имеет свой оптимальный рабочий диапазо частот, когда достигаются максимальные уровни мощности излучения и КПД (Рис. 13).

400 600

РМе. ММ рТ. СТ.

16 ЧПИ. кГц

Рис. 13. Зависимость мощности излучения ЛПМ с АЭ «Кристалл» ГЛ-205А (1), ГЛ-205Б (2) и ГЛ-2051 (3) от давления неона при ЧПИ 10 кГц (а) и ГЛ-205Б (1) и ГЛ-205В (2) от ЧПИ (б)

Созданы и исследованы самые мощные отечественные отпаянные саморазогревны АЭ импульсного ЛПМ - экспериментальные АЭ «Кристалл ЬТ-50Си-В», «Кристалл Ш 70Си» и «Кристалл ЬТ-ЮОСи», параметры которых приведены в таб.4.

Таблица

Таблица основных параметров мощных экспериментальных АЭ «Кристалл»

11араметр ЬТ-50Си-0 ЬТ-75Си 1ЛЧООО

Диаметр разрядного канала, мм 32 45 45

Длина разрядного канала, мм 1520 1230 1520

Объем активной среды, см 1200 1800 2200

Средняя мощность излучения в режиме генератора, Вт 60 74 90

Средняя мощность излучения в режиме УМ, Вт 80 97 117

Удельный съем мощности в УМ, Вт/см^ 0,067 0,054 0,053

Мощность, потребляемая от выпрямителя ИП, кВт 5,7 6,6 9,0

Практический КПД в режиме УМ, % 1,4 1,47 1,3

КПД АЭ в режиме УМ, % 2,7 3 2,6

Модели мощных АЭ «Кристалл»

Для мощного класса АЭ ЛПМ важными являются параметры в режиме УМ, которым относятся мощность излучения, удельный съем мощности, практический КПД КПД АЭ. Высокие значения мощности излучения (80-120 Вт), практического КПД (1, 1,5 %) и КПД АЭ (2,6-3%) свидетельствует об эффективном их использовании в мощны; ЛСПМ типа ЗГ - УМ, применяемых в уникальных технологических установках дл| селективного разделения изотопов. I

Для дополнительного анализа и оценки эффективности работы промышленны; саморазогревных АЭ ЛПМ на рис. 14, а и б представлены зависимости удельно: мощности излучения от диаметра разрядного канала и от концентрации паров меди пр оптимальных рабочих температурах. Температуры указаны непосредственно на криво;, на рис. 14, б. Тк = 1570°С - оптимальная рабочая температура АЭ «Кристалл» ГЛ-205В Д = 32 мм, Тк= 1630°С - «Кристалл» ГЛ-205Б с Д = 20 мм, Тк= 1650°С - АЭ «Кулон ГЛ-206Д с Д = 14 мм, ТК= 1670°С - «Кулон» ГЛ-206В с Ок= 12 мм и Тк= 1700°С -«Кулон» ГЛ-206А с Д,= 7 мм.

р„1 Кс Вт/си 0.1

РЛШ

0.3

0.1

0.2

0,1 -

О,] -

0.2 -0.1

ш

О 10 20 30 М а„ мм

О 2 6 8 ¡РмУ

а

б

"ис. 14. Зависимость удельной мощности излучения промышленных отпаянных саморазогревных АЭ ЛПМ от диаметра разрядного канала (а) и концентрации атомов меди в АС (о) при оптимальных рабочих температурах

С увеличением диаметра разрядного канала уменьшается вероятность столкновения атомов меди из объема АС со стенкой канала и снижается скорость их ьосстановления из состояния с метастабильным уровнем в основное. Этот процесс гоиводит к увеличению концентрации «метастабильных» атомов в АС и необходимости ■нижения оптимальной рабочей температуры канала (для ухода от «перегрева» АС), что. • свою очередь, приводит и к снижению удельной мощности излучения (Рис. 14, а). При ^том оказывается, что удельная мощность излучения (р) и концентрация паров меди (АО ■вязаны между собой практически прямой пропорциональной зависимостью (Рис. 14, б), эпределяемой выражением р = рц-Ш N0, где р0— удельная мощность при концентрации [тров N(1 Во сколько раз уменьшается концентрация паров меди, во столько же раз шеныпается съем мощности с единицы объема АС и наоборот.

Выше приведенный анализ экспериментальных исследований однозначно рвидетельствует о том , что для достижения высоких значений мощности излучения в 1ПМ с большими объемами АС необходима такая конструкция АЭ и такие условия его зозбуждения, которые обеспечивали бы оптимальную рабочую температуру разрядного канала на уровне 1700 °С без перегрева АС, т.е. которые создавали бы оптимальные /словия для инверсии населенностей в АС при концентрации паров меди пси~ 1016 см"3.

Разработанные нового поколения промышленные отпаянные саморазогревные АЭ рерии «Кулон» и «Кристалл» по эффективности, гарантированной наработке и условиям Эксплуатации по отношению к близким зарубежным аналогам более предпочтительны, ръем мощности излучения с единицы активной среды АЭ «Кулон» примерно в 2 раза зыше, АЭ «Кристалл» — в 4 раза, гарантированная наработка 3-4 раза больше, а этпаянное исполнение АЭ не требует дополнительных элементов жизнеобеспечения.

Четвертая глава посвящена экспериментальным и теоретическим исследованиям Структуры, пространственных, временных и энергетических характеристик излучения импульсного ЛПМ в режимах сверхсветимости с одним зеркалом, генератора с известными оптическими резонаторами и новыми созданными оптическими системами. Цля проведения исследований были разработаны экспериментальные установки и методики измерений (Рис. 15).

а б j

Рис. 15. Блок-схемы экспериментальной установки для исследованм временных, энергетических (а), пространственных (б) характеристик излучения импульсного ЛПМ: 1 - АЭ; 2 - импульснь} источник питания; 3 — «глухое» зеркало НР телескопического типа; 3' - выпуклое зеркало; 4 выходное зеркало НР; 5 - поворотные зеркала; б - фокусирующее зеркало (F= 7,5, 2,5 и 1,5 и 7 - диафрагма с диаметром отверстия 0,3-3,5 мм; 8 - светоделительная пластина; 9 вращающийся диск с диаметром отверстия 0,1-1 мм; 10 - фотоэлемент типа ФЭК-14К; 11 блок питания фотоэлемента; 12 - усилитель сигнала синхронизации; 13 - осциллограф (С 10А, С7-8А, С1-75); 14 - преобразователь мощности лазерного излучения ТИ-3; 15 милливольтметр (М-136 или М-95)

На основе большого объёма проведенных экспериментальных и теоретически исследований была раскрыта динамика формирования и структура выходного излученк импульсного ЛПМ и установлено:

- в режиме сверхсветимости с одним зеркалом выходное излучение имев двухпучковую структуру: пучок, сформированный суммарной геометрической апертуре разрядного канала АЭ из усиливающихся спонтанных затравок, и пучо1 сформированный зеркалом и выходной апертурой канала, причем второй пучок отстав от первого на время At0 = /о/с,-где /0 - расстояние от зеркала до разрядного канала, с

| скорость света;

— в режиме генератора с оптическим резонатором выходное излучение имее многопучковую структуру - два всегда присутствующих пучка сверхсветимости несколько пучков (обычно п = 3-5), сформированных непосредственно резонаторо1 количество которых ограничено временем существования инверсии населенностей в А (г =30...50 не), Первый резонаторный пучок отстает от второго пучка сверхсветимост на время (М) одного двойного прохода излучением длины резонатора (L), второй на д: двойных прохода и т. д., т. е. на At = (2L/c)-n, друг от друга - на время At = 2Ыс. Приче. все пучки частично перекрываются в пространстве и во времени, конкурируя межд! собой по мощности в процессе своего формирования; '

- каждый (отдельный) пучок выходного излучения обладает своим пространственными, временными и энергетическими характеристиками -расходимостью, длительностью импульсов, временем возникновения и исчезновени импульсов, средней и пиковой мощностью, энергией в импульсе, процентные содержанием мощности на зеленой (Л = 510,6 нм) и желтой (2 = 578,2 нм) линия^ стабильностью положения оси диаграммы направленности пучка и импульсной энергии;

— практическую ценность в ЛПМ имеют оптические режимы с одним выпукльк зеркалом и с неустойчивым телескопическим резонатором, т. к. в этих режима формируются пучки с дифракционной и близкой к ней расходимостью, т. е с высоко: пространственной когерентностью, когда в пятне сфокусированного излучени

диаметром 5-20 мкм достигаются плотности пиковой мощности 10 -10 ~ Вт/см", юстаточные для эффективной микрообработки металлических материалов.

В ЛПМ в режиме с одним выпуклым зеркалом, на основе законов геометрической зптики и учета предела дифракционной расходимости, была определена зависимость васходимости пучка излучения от радиуса кривизны зеркала (К), диаметра выходной щертуры АЭ (Вк) и расстояния от зеркала до выходной апертуры (/), которая выражается формулой

К ■ 2,44А

9 ~ 21 ■ (К + 0 + ~ДГ

1 при Я на два порядка меньших / становится близкой к дифракционной (9 = 2-3 6>диф). Эсновываясь на законы геометрической оптики была выведена формула для расчета расходимости ЛПМ и с телескопическим резонатором. Она имеет следующий вид

| £>„ 2,44Я

I в =---+ —-

(ML + ОМ""1 '

С возрастанием увеличения (М) резонатора и числа проходов (и) излучением в резонаторе расходимость уменьшается и при М= 200-300 становится дифракционной. | На ниже приведенных рисунках 16-19 показаны примеры экспериментальных исследований ЛПМ, поясняющие пучковую структуру излучения и его пространственно-зременные характеристики во взаимосвязи с энергетическими в режиме с одним еркалом и телескопическим резонатором.

ОЭ

2

, 3 к С?

о В\ * Д/2 —

к. 1 "ЁГ^

/ Ь

1

10 не

а бег

Рис. 16. Распределение интенсивности излучения ЛПМ в режиме с одним выпуклым зеркалом (а) в ближней (б) и дальней (в) зонах и осциллограммы импульсов излучения (г)

Рис. 17. Зависимость средней мощности излучения в качественном (1, 3) и фоновом (2, 4) пучках сверхсветимости ЛПМ от радиуса кривизны выпуклого зеркала с АЭ «Кристалл» ГЛ-201 (1,2) и ГЛ-201Д (3, 4) - а; расчетные (1, 4) и экспериментальные (2, 5) зависимости расходимости качественного пучка и плотности мощности в пятне сфокусированного излучения (3, 6) с АЭ ГЛ-201 (1-3) и ГЛ-201 Д (4-6) - б

Необходимо отметить, что телескопический резонатором при больших увеличениях (М=100-300), из-за малого диаметра рабочей поверхности выходного зеркала (0,2...0,07 мм), очень чувствителен к внешним механических воздействиям и

а 6

Рис. 19. Зависимость средней мощности излучения ЛПМ в режиме с телескопическим резонатором о' его увеличение М: 1- суммарный пучок; 2 - пучок сверхсветимости; 3 и 4 - резонаторны, пучки (а); зависимость расходимости пучков излучения от его увеличения М: кривые 1, 2 и соответствуют резонаторным пучкам 3, 4 и 5 (Рис. 17) и количеству двойных проходов (и излучением резонатора п = 1, 2 и 3 (б)

возникающим воздушно-тепловым потокам, вследствие чего возникают нестабильност положения оси диаграммы направленности дифракционного пучка, соизмеримые с ег расходимостью и импульсной энергии (до 15-20 %), снижающие качество обработк' материалов. С целью повышения стабильности параметров излучения, при создани прогрессивного технологического оборудования на базе ЛПМ с телескопически' резонатором для прецизионной микрообработки материалов, был введен ряд новы, технических решений по защите резонаторного поля, как от внешних вибраций, так и q внутренних тепловых потоков.

10 не

Рис. 18. Распределение интенсивности выходного излучения ЛПМ в режиме с телескопически! резонатором в ближней и дальней зонах и осциллограммы импульсов излучения: 1,2- пучк| сверхсветимости, 3, 4, 5 - резонаторные пучки

0, мрад

Пятая глава посвящена экспериментальным и теоретическим исследованиям п формированию в ЛПМ в режиме генератора с неустойчивым резонатором с двум;

выпуклыми зеркалами однопучкового излучения с дифракционной расходимостью. В ЛПМ использовались промышленные отпаянные АЭ «Кулон» самых мощных моделей: ГЛ-206Д и ГЛ-206И.

Для качественного проведения исследований с данным типом резонатор была разработана уникальная экспериментальная установка и методика измерения расходимости пучка излучения (Рис. 20). В установке применен массивный оптический

Рис. 20. Оптическая схема экспериментальной установки для измерения характеристик излучения ЛПМ с НР с двумя выпуклыми зеркалами: ОС - оптический сотовый стол типа 1НТ10-20-20 с четырьмя опорами 1Т5065-12-06 и пневмоизоляторами АР-1000; 1 - АЭ; 2 - разрядный канал | АЭ; 3\ и Зг -глухое и выходное выпуклые зеркала резонатора; А и йг - диафрагмы с с1\ = 0,1 мм и ¿2= 0,15 мм, 3 - плоские поворотные зеркала; 4 и 5 - входное и выходное вогнутые зеркала коллиматора с радиусами кривизны Я = 1 м и 0,5 м; 6 - светоделительная пластина с коэффициентом отражения р = 4%; 7 — фокусирующее зеркало с радиксом кривизны Я = 15 м; 8 - нейтральный светофильтр; 9 - анализатор пучка излучения Веат 51аг-РХ. В б) выходное зеркало З2 выполнено в виде мениска (просветленного) с радиусом выпуклой рабочей поверхности й2=70мм и фокусным расстоянием У7 =930 мм; входное (4) и выходное (5) зеркала коллиматора имеют радиус кривизны Д = 1,25 м

конструкции, высокотемпературный теплонагруженный АЭ размещен в водоохлаждаемом теплосъемнике с термодатчиком обратной связи, пространство между зеркалами резонатора и теплосъемником загерметизировано и установлена ограничительная диафрагма перед глухим зеркалом. И очень существенно, что при этом практически исчезли нестабильности положения оси диаграммы направленности и импульсной энергии дифракционного пучка.

Выходное зеркало резонатора (б), изготовленное в виде выпукло-вогнутого мениска (положительной линзы) с отражающим лазерное излучение пятном размером 1...1,5 мм в центре его выпуклой поверхности (Рис.20, б), выполняет и функцию коллимирующего элемента. Фокус мениска совмещен с фокусом глухого выпуклого зеркала, что является условием преобразования сформированного НР расходящегося пучка излучения в цилиндрический пучок с минимальной расходимостью. На основе | законов геометрической оптики и с учетом дифракционной расходимости, для расчета [ расходимости цилиндрического пучка была выведена формула, которая имеет следующий вид

I е__Рк _| 2,44А

"4-(Л1+2/2+2/,)(Лг+2/32 )(/ + /,) + £>,

£>к - диаметр апертуры разрядного канала АЭ, У?, и Я2 - радиусы кривизны глухого и выходного зеркал резонатора, Ь - длина резонатора, I - расстояние от глухого зеркала до выходной апертуры разрядного канала, 1з2,/\,/г - расстояния от зеркал до изображений в них апертуры канала.

Исследования показали, что в ЛПМ с резонатором с двумя выпуклыми зеркалами формирование однопучкового излучения дифракционной расходимостью возможно при выполнении трех взаимосвязанных условий:

Д;Ггл)<//(10...30) = 1-5 см,

ых) > Ккгп), 1

где и 12 - расстояния от зеркал до разрядного канала, /к - длина разрядного канала, тинв — время существования инверсии населенностей, с - скорость света, ЯцГЛ) и ^?2(вых) — | радиусы кривизны глухого и выходного зеркал резонатора.

На рис.21 показан пример распределения интенсивности излучения ЛПМ в дальней зоне при выполнении в НР этих трех условий. Видно, что структура выходного

НопгогНа! Ьпе РгаНе

2и 0,571

СонеЫюп 0 915

1 1-

2с1-распределение

Зё-распределение

Х-Роя1Ы1тго)

Распределение интенсивности по горизонтали

Рис. 21. Распределение интенсивности излучения ЛПМ с НР с двумя выпуклыми зеркалами в плоскости фокусировки выходного пучка. Радиус глухого зеркала = 30 мм. Выходное зеркало —| положительный мениск с радиусом рабочей поверхности = 70 мм (/г= 0,93 м)

излучения однопучковая с высокой степенью корреляции с гауссовым пучком (0,915) и1 имеет дифракционную расходимость (0,1 мрад). Но из-за больших потерь в резонаторе мощность излучения имеет небольшие значения и составляет Ризл= 1-1,5 Вт (<10% от| суммарной мощности), что не эффективно для микрообработки материалов толщиной более 0,05-0,1 мм.

Самым весомым и перспективным применением неустойчивого резонатора с двумя выпуклыми зеркалами является использование его в ЗГ мощных ЛСПМ типа ЗГ - ПФК -| УМ. Выходная мощность дифракционного пучка в такой ЛСПМ с применением промышленных отпаянных АЭ в УМ может быть увеличена более чем на порядок: с АЭ серии «Кулон» моделей ГЛ206Д и ГЛ206И до 10-20 Вт, «Кристалл» моделей ГЛ-205А, ГЛ-205Б и ГЛ-205В - до 30-60 Вт.

Шестая глава посвящена экспериментальным и теоретическим исследованиям пространственных, временных и энергетических характеристик ЛСПМ, работающих по[ эффективной схеме ЗГ - ПФК - УМ, с целью достижения максимальных КПД, мощности! и плотности мощности излучения.

Экспериментальная установка для исследования характеристик ЛСПМ представлена на рис. 22. В ЛСПМ в качестве испытываемых АЭ применялись промышленные отпаянные АЭ как серии «Кулон», так и «Кристалл». В ЗГ использовались три оптических режима работы: с одним выпуклым зеркалом, с неустойчивыми телескопическим резонатором и с двумя выпуклыми зеркалами. Преимуществом исследуемой ЛСПМ является то, что между ЗГ и УМ установлен ПФК, который состоит из двух вогнутых зеркал (поз. 10) и селектирующей диафрагмы (поз. 10) 22

в его фокальной плоскости. Диаметр отверстия диафрагмы соизмерим с размером дифракционного пятна (0,1...0,2 мм), что позволяет выделить из выходного излучения ЗГ пучок с дифракционной расходимостью. При этом конструкция ЛСПМ обеспечивала стабильность оси диаграммы направленности пучка не хуже Ав < #дифр/10. Выделенный расходящийся пучок преобразуется выходным зеркалом ПФК в цилиндрический пучок диаметром, равным диаметру апертуры разрядного канала УМ, и направляется для усиления на вход в УМ, достигая по мощности своего максимального значения.

15 ^200300 Р,>.,/.<>". мВт/см-

Зависимость съёма мощности излучения

(1) в ЛСПМ с УМ с АЭ «Кристалл» (£>к=2 см) и его коэффициента усиления

(2) от входной плотности мощности

Рис. 22. Блок-схема экспериментальной ЛСПМ типа ЗГ - ПФК - УМ с применением промышленных отпаянных АЭ «Кулон» и «Кристалл»: 1 - АЭ ЗГ, 2 - АЭ УМ, 3 и 4 - глухое и выходное зеркала НР, 5 — высоковольтные выпрямители, 6 - высоковольтные модуляторы наносекундных импульсов накачки, 7 - генератор задающих импульсов, 8 - наносекундная линия задержки, 9 - зеркала ПФК, 10 и 12 - селектирующие диафрагмы, 11 - фокусирующее зеркало, 13 - милливольтметр с преобразователем мощности лазерного излучения ТИ-3, 14 -фотоэлемент ФЭК-14К, 15 - осциллограф С1-75 и 008-8405, 16 - стеклянная призма, 17 -светоделительная пластина, 18 - плоские поворотные зеркала

Основной характеристикой ЛСПМ, определяющей условия её работы, является зависимость выходных параметров излучения от временной расстройки импульсов излучения ЗГ относительно световых импульсов УМ. Как при опережении, так и при отставании импульсов ЗГ относительно сигналов УМ, мощность излучения ЛСПМ снижается, длительность импульсов укорачивается, расходимость в случае отсутствия диафрагмы (поз.10) в ПФК при отставании увеличивается, а при опережении стремится к дифракционному пределу. Без диафрагмы в ПФК и в режиме опережения мощность в дифракционном пучке достигает своего максимального значения, в режиме отставания достигает максимального значения мощность в фоновом пучке. Такое перераспределение мощности между пучками объясняется тем, что во входном сигнале ЗГ импульсы отдельных пучков перекрываются во времени лишь частично, что дает возможность вводить в зону эффективного усиления УМ ту или иную составляющую сигнала ЗГ и таким образом оптимизировать ЛСПМ. Введение диафрагмы (поз. 10) в фокальную плоскость ПФК приводит к подавлению мощности пучков с большей расходимостью, увеличению мощности в дифракционной составляющей и практического КПД ЛСПМ до максимального значения.

Для примера на рис. 23 показаны характеристики излучения ЛСПМ при работе ЗГ в однозеркальном режиме. Общее поведение характеристик излучения ЛСПМ с другими оптическими системами аналогично. Основным достоинством ЛСПМ с одним зеркалом является однопучковая структура выходного излучения и высокая стабильность

положения его оси диаграммы направленности, а расходимость лишь в 2-3 раза больше дифракционной. Как видно из кривой 3 (д), выходная мощность излучения очень чувствительна к временной расстройке. При расстройке на ±5 не мощность снижается более 15%. Поэтому для поддержания ЛСПМ в оптимальном режиме двухканальный ИП должен обеспечивать высокую степень синхронизации световых импульсов ЗГ и УМ.

10 не

4оЛ

20 \

-20

20 Д/, не

а б в г д

Рис. 23. Осциллограммы импульсов излучения на выходе ЗГ (а), ПФК (б) и УМ (в) и зависимости средней мощности излучения ЛСПМ в однозеркальном режиме работы ЗГ и с АЭ «Кристалл» ГЛ-201 (поз.1 и 2) без селектирующей диафрагмы в ПФК (г) и с применением диафрагмы и более мощного АЭ «Кристалл» ГЛ-201 Д в УМ (д) от временной расстройки импульса излучения ЗГ относительно импульса УМ

Использование в ЛСПМ удлиненного отпаянного АЭ «Кристалл» ГЛ-201 Д (новая модель ГЛ-205Б) в качестве УМ позволило увеличить мощность излучения до 60 Вт при практическом КПД 0,8% и КПД УМ 2,5 %. В ЛСПМ с маломощным АЭ «Кулон» ГЛ-2041 (2 Вт) в качестве ЗГ и двух АЭ «Кристалл» ГЛ-201Д (ГЛ-205Б) в качестве УМ| достигнута мощность излучения более 70 Вт с расходимостью 0,4 мрад, практический КПД= 0,93% и КПД УМ£ 2,1% при ЧПИ 12,5 кГц, двух экспериментальных АЭ| «Кристалл» ГЛ-201Д32 (ГЛ-205В) также в качестве УМ - соответственно 105 Вт с расходимостью 0,3 мрад, 0,87% и 2% при ЧПИ 10 кГц. В таких мощных ЛСПМ В| сфокусируемом пятне излучения достигаются весьма высокие пиковые плотности мощности (до 1012...1014 Вт/см2), что эффективно для производительной и качественной! обработки материалов толщиной 1-2 мм.

Существенно повысить мощность излучения ЛСПМ можно путем увеличения количества усилительных АЭ (УМ). Однако из-за потерь мощности излучения на выходных окнах АЭ, обусловленных френелевским отражением (4% от каждой грани1 окна) имеет место значительное снижение выходной мощности ЛСПМ. Такого рода| потери можно уменьшить за счет качественного двухстороннего просветления окон АЭ.

В результате расчетов установлено, что зависимость мощности излучения ЛСПМ (Рлспм), состоящей из одного ЗГ и и одинаковых УМ, от коэффициента пропускания! выходных окон (ток) имеет следующий вид:

Т (1-т2п)

р _ р т2л+1 , р '

'ЛСПМ — гЗГток т г УМ 1 _ 2

1 Т-ок

Поскольку ток<1, то при большом количестве усилительных АЭ (и—*») данное выражение стремится к величине

глспм

= р

УМ'

В случае, когда выходные окна АЭ не просветлены (ток = 0,92), предельная выходная мощность системы не превышает величины 6РУМ.

I

I

В результате анализа большого объема экспериментальных исследований Остановлено, что в импульсной ЛСПМ, работающей по схеме ЗГ-ПФК —УМ, I максимальные КПД, мощность, плотность мощности и стабильность параметров I излучения обеспечиваются за счет:

- выделения из многопучкового излучения ЗГ дифракционной составляющей;

- пространственного согласования выделенного дифракционного пучка с апертурой разрядного канала УМ;

-достижения стабильности положения оси диаграммы направленности пучка излучения Д6> < (9д„фР/10;

- синхронизации (совмещения) во времени световых сигналов ЗГ и УМ с точностью не хуже ±2 не;

- обеспечения уровня плотности мощности излучения дифракционного пучка на входе УМ не менее 0,2...0,3 Вт/см".

На рис. 24 отдельно представлена очень важная характеристика для ЛСПМ -¡экспериментальная зависимость мощности излучения от временной расстройки импульсов излучения ЗГ относительно импульсов УМ в пределах ± 1000 не.

/'.„. Вт

Рис. 24. Зависимость мощности излучения ЛСПМ с АЭ «Кулон» ГЛ-206Д от временной расстройки импульсов излучения ЗГ относительно импульсов УМ в пределах ± 1000 не, ЧПИ 13,6 кГц

Из этой зависимости следует, что АС импульсного ЛПМ в отношении к собственному излучению имеет четыре, последовательно идущие друг за другом и повторяющиеся от импульса к импульсу, характерные временные зоны: слабого поглощения длительностью 30-50 не (возникает на начальной стадии развития импульса тока накачки), усиления длительностью 20-40 не (возникает на крутом переднем фронте импульса тока), полного поглощения длительностью более 1000 не (возникает на срезе импульса тока) и зона максимальной прозрачности длительностью более 1000 не (перед новым импульсом тока).

Наличие таких зон в АС импульсного ЛПМ стало основой для разработки методов и электронных устройств оперативного управления мощностью в созданных промышленных ЛПМ и ЛСПМ и на их основе современных АЛТУ «Каравелла» для прецизионной микрообработки материалов.

В седьмой главе представлены результаты разработки и исследований серии современных промышленных ЛПМ, работающих в режиме отдельного генератора, и ЛСПМ, работающих по эффективной схеме ЗГ - ПФК - УМ. Они разработаны на основе нового поколения отпаянных АЭ серии «Кулон» малого (1-20 Вт) и «Кристалл» среднего

(30-50 Вт) уровней мощности (гл. 3), созданных высокоэффективных и надежных ИП, высоковольтные модуляторы которых выполнены по схеме ёмкостного удвоения напряжения с магнитными звеньями сжатия наносекундных импульсов тока накачки! (гл. 2) и новых оптических систем по формированию пучков излучения дифракционного, качества (гл. 4, 5, 6).

Большим достижением в этой области явилось создание совместно с ООО «НПП| «ВЭЛИТ» промышленных ЛПМ с высокоскоростным управлением мощностью| излучения по любому заранее заданному алгоритму, включая пакетную и моноимпульсную модуляцию, от внешнего ПК. Для этого были разработаны методика, генератор формирования дополнительного маломощного импульса тока накачки и устройство быстрого перемещения этого импульса относительно основного импульса тока возбуждения. При размещении маломощного импульса тока в зоне прозрачности! АС, т. е. перед основным импульсом тока (гл. 6), происходит заселение метастабильныя уровней атомов меди и устанавливается в ЛПМ режим гашения генерации. Есля дополнительный импульс размещен в зоне поглощения, т. е. за основным импульсом, тс возникает режим генерации (Рис. 25). К этим лазерам относятся ЛПМ «Кулон 05» мощностью излучения 13-15 Вт и «Кулон 06» мощностью 19-21 Вт с ЧПИ 12-15 кГц н базе отпаянных АЭ ГЛ-206Д и ГЛ-206И. ЛПМ «Кулон 05» выполнен конструктивно г одном модуле и имеет воздушное охлаждение (Рис. 26, а), исполнение «Кулон 06» двухмодульное: ИП с воздушным и излучатель с водяным охлаждением (б).

Режим гашения генерации Режим генерации

д

50 вс /

и„

-Ц.

__}

и*

Рис. 25. Осциллограммы основного (и0сн.) и дополнительного (идоп.) импульсов напряжения накачкт ЛПМ «Кулон 05» в режимах гашения (левая) и генерации (правая)

а б

Рис. 26. Промышленные ЛПМ «Кулон 05» (а) и «Кулон 06 (б) с модуляцией излучения

Разработана и исследована двухканальная ЛСПМ «Карелия» типа ЗГ - ПФК - У1У с синхронизацией каналов не хуже ±1 не на базе двух отпаянных АЭ «Кристалл» ГЛ 205А мощностью излучения 30-40 Вт при ЧПИ 9-12 кГц (Рис. 27).

С применением маломощного отпаянного АЭ «Кулон» ГЛ-204 (3 Вт) в ЗГ и двух мощных АЭ «Кристалл» ГЛ-205Б или ГЛ-205В в качестве УМ создана трехканальная ЛСПМ «Карелия-М» повышенной мощности (Рис. 28). С двумя АЭ ГЛ-205Б при ЧПИ 12,5 кГц мощность излучения ЛСПМ составила 70 Вт, КПД - 0,92 %, с двумя АЭ ГЛ-205В при ЧПИ 10 кГц - 105 Вт и 1 % соответственно. . -

Рис. 27. Двухканальная ЛСПМ «Карелия» Рис. 28. Трехканальная ЛСПМ «Карелия-М

Оперативное управление мощностью в ЛСПМ по заданному алгоритму производится за счет высокоскоростной рассинхронизации оптического сигнала ЗГ из зоны поглощения УМ в зону его усиления или прозрачности и наоборот (Рис. 29; гл. 6).

Режим максимально!

Режим свободного прохождения светового сигнала ЗГ через УМ (без усиления)

Импульс Импульс

излучени сверхсветимости

1 ЗГ /" \ т УМ

мощности излучен

ашщшшшшшшш/ашш ■■■■

Зона Зона Зона Зона

максимально слабого усиления максимального

й поглощения в УМ поглощения

прозрачности (20...30 не) (30...40 не) (> ] мке)

Режим полного поглощения

Г ПРТГ ШПГП ГИГНЯ 1Я п V IV!

Рис. 29. Способы оперативного управления мощностью излучения в ЛСПМ, работающей по эффективной схеме ЗГ - УМ

Основными перспективными областями применения мощных ЛСПМ являются технологические: производительная микрообработка толстых материалов (до 2 мм) и получение изотопов и чистых веществ для нужд ядерной энергетики и медицины.

В восьмой главе представлены результаты разработки и исследований промышленных АЛТУ типа «Каравелла», созданных на базе современных ЛПМ и ЛСПМ и прецизионных трехкоординатных столов XYZ с точностью позиционирования по осям ±2 мкм, и их практического использования для микрообработки металлических

материалов и большого круга полупроводников и диэлектриков ИЭТ. Созданы в

исследованы 4 модели промышленных АЛТУ: «Каравелла-1», «Каравелла-1М»1

«Каравелла-2» и «Каравелла-2М» с УпРаР-9ШйеК^0Т Ш01-2013 гг.). Структурная

. г Структурняя схема ал 1 у кнрэвблля л« «

схема АЛТУ представлена на рис. 30, оптическая схема - на рис. 31, внешнии вид - н:

рис. 32. 1

Рис. 30. Структурная схема прокцлщпенных АЛТУ «Каравелла».

кИП

Рис. 31. Оптическая схема промышленных АЛТУ «Каравелла-1» и «Каравелла-1М»: ЗГ и УМ -задающий генератор и усилитель мощности с отпаянным АЭ «Кулон» модели ГЛ-206Д I-ГЛ-206; 1 и 2 - телескопический резонатор с увеличением М= 200 с глухим вогнутым г; выходным выпуклым зеркалами; 11 и 2 - резонатор с двумя выпуклыми зеркалами; 3, 4, 8,9 и 17 - плоские поворотные зеркала; 5 и 6 - вогнутые сферические зеркала ПФК; 7 -| селектирующая диафрагма ПФК; 10 - электромеханический затвор с плоским зеркалоМ| 11 - датчик мощности; 12 - оптоэлектронный приемник; 13 - светоделительная пластина; Г - ослабитель интенсивности лазерного излучения; 15 - согласующий объектив; 16 -видеокамера; 18 - фокусирующий ахроматический объектив; 19 - обрабатываемый объект 20 - горизонтальный двухкоординатный стол ХУ; 21 - вертикальный стол 22 ослабитель мощности излучения; 23 - спектральный фильтр. Оптическая схема АЛТ «Каравелла-2» и «Каравелла-2М» идентична данной схеме и отличается отсутствием УМ.

На АЛТУ «Каравелла-1» изготавливаются прецизионные металлические детали толщиной 0,05-0,5 мм и неметаллические до 1 мм, на «Каравелла-1М» - толщиной 0,61 мм и до 2 мм соответственно. В АЛТУ применяются ЛСПМ типа ЗГ - ПФК - УМ г горизонтальные столы с рабочим полем 150*150 мм.

Третья АЛТУ «Каравелла-2» и четвертая «Каравелла-2М» созданы на базе одноканального ЛПМ «Кулон-15», работающего по схеме ЗГ-ПФК, мощностью 'излучения 5-7 Вт и ЧПИ 15 кГц и горизонтального стола ХУ с рабочим полем соответственно 100*100 мм и 200*200 мм для изготовления прецизионных металлических деталей ИЭТ толщиной до 0,2...0,3 мм и неметаллических до 0,5. ..0,7 мм.

а б в

Рис. 32. Промышленные АЛТУ «Каравелла-1» (а) и «Каравелла-Ш» (б) на базе двухканальных ЛСПМ «Кулон-10» и «Кулон-20, «Каравелла-2» и «Каравелла-2М» на базе одноканального ЛПМ «Кулон-15» (в)

При лазерной микрообработке металлических материалов в зоне реза образуются шлаки, в основном, из их окислов, на прилегающей боковой поверхности грат в виде сконденсировавшихся мелких металлических капелек. Так как обработка материалов идет преимущественно в испарительном режиме (р>109 Вт/см"), количество образовавшихся шлаков и грата незначительно. Для их удаления изготовленные детали подвергаются сначала ультразвуковой обработке, а затем химическим методам очистки с ультразвуковой обработкой (Рис. 33).

Лазерная обработка УЗ-обработка Химобработка

Фрагменты сферической сетки из молибдена толщиной 0,07 мм Лазерная обработка УЗ-обработка Химобработка

Фрагменты плоской диафрагмы из меди толщиной 0,3 мм Рис. 33. Этапы технологии изготовления прецизионных деталей при лазерной микрообработке

На рис. 34 представлены изображения фрагментов лазерного реза образцов из меди; марки МВ толщиной 0,1 мм в режиме работы на обеих длинах волн (510,6 и 578,2 нм) V. на одной желтой линии (578,2 нм); на рис. 35 - изображения микроотверстий на образца^ из нержавеющей стали толщиной 50 мкм; на рис. 36 - изображения микрошлифо» лазерного реза; на рис. 37 - фрагмент перемычки пластины из никеля; на рис. 38 4 фрагмент реза пластины из кремния; на рис. 39 - изображение фрагмента реза пластины из искусственного поликристаллического алмаза. Визуальный анализ микрошлифоз лазерного реза медных и молибденовых пластин толщиной от 0,05 до 0,5 мм прг, увеличении микроскопа 500 крат показал, что зона термического воздействия очень мал^ и фазовый состав и структура материалов в зоне, отстающей от границы реза более че^ 3...5 мкм, заметным изменениям не подвержены.

Я = 510,6 и 578,2 нм, Ризл = 5,4 Вт, и = 6, Х = 578,2 нм, Ризл= 1,6Вт,л = 12, У= 2 мм/с

У= 2 мм/с, Увеличение х500 Увеличение х500

Рис. 34. Изображения фрагментов лазерного реза образцов из меди толщиной 0,1 мм на обеих длина; волн и на одной желтой линии; V - скорость обработки, п - число проходов, Е= 100 мм 4 фокусное расстояние силового объектива

Увеличение хЗООО Увеличение х 1000 Увеличение х 1000

Рис. 35. Изображения микроотверстий в образцах из нержавеющей стали толщиной 50 мкм на просвет

Молибден толщиной 0,3 мм Медь толщиной 0,5 мм

Увеличение х 250 Увеличение х 250

Рис. 37. Изображение фрагмента

Рис. 38. Изображение фрагмента реза

Рис. 36. Изображения микрошлифов лазерного реза

Рис. 39. Изображение фрагмента реза

перемычки пластины из никеля пластины из кремния пластины из искусственного

толщиной 0,5мм толщиной 1 мм поликристаллического алмаза

Увеличение х150 Увеличение х150 толщиной 0,65 мм

Увеличение х!50

В настоящее время на АЛТУ «Каравелла» изготавливаются десятки и сотни типов ¡плоских и объемных прецизионных деталей простой и сложной конфигураций в (обеспечении НИОКР, единичного, мелкосерийного и серийного производства приборов 'СВЧ-техники в НПП «Исток». В сферу лазерной микрообработки вовлечены как 'тугоплавкие материалы (Мо, Та, Б1е), так и с высокой теплопроводностью (Си, А1, Ag, 'Аи) и их сплавы, другие металлы (N1, Т1, Ъх, Бе, РЬ, 7х), большой круг полупроводников и диэлектриков (81, ве, ваАв, А1203, 22ХС, сапфир, искусственные алмазы, стекло, кварц и т. д.), графит, композиционные материалы и керметы. Ниже приведены примеры прецизионных деталей для ИЭТ, изготовленных на АЛТУ (Рис. 40-47).

|Рис. 40.Сферическая управляющая сетка из молибдена толщиной 0,1 мм для СВЧ прибора типа клистрод

Рис. 41. Сетки из молибдена толщиной 0,3 и 0,6 мм для мощных многолучевых _клистронов_

Рис. 42. Цилиндрический

стакан из молибдена с толщиной стенки 0,3 мм с 360 пазами

«М1

Расширение зазора с 0.15 мм до 0.22 мм

Рис. 43. Меандр из искусственного поликристаллического алмаза толщиной 0,2 мм

Рис. 44. Катод из сплава \V-Re толщиной 30 и 50 мкм

Рис. 45. Корректировка топологии ППФ

Габариты:

122,5-0,05x98,1-

0,05

Отверстия: 0 0,5 - 3 шт. 0 2-3 шт. 0 2,1 — 8 шт. 0 2,8-18 шт. 0 4,0 - 7 шт. Щели:

2,0x11,2-4 шт.

Диск из молибдена Ф 0,6 мм 0 3 мм с перемычкой 0,6 мм

Отверстия в вольфраме^ 1,0мм 0 7 и 0 2,2 мм с перемычкой 0,3 мм

0 163,5 мм Отверстия: 0 1,51 - 17 шт. 0 5,5 - 8 шт. 0 2,0 - 4 шт. Щели:

4,3x0,7 - 34 шт. (8,58...9,16)х1 -88 шт.

Квадрат размером 4x4 мм на меди _Ф 1,0 мм_

Прошивка отверстий з 250 мкм на меди ф 1,0 мм

Рис. 47. Фрагменты плоских деталей толщино^ 0,6-1 мм, изготовленных на само! мощной АЛ ТУ «Каравелла-1М:

Лазерный способ микрообработки на промышленных АЛТУ «Каравелла»» имее' ряд существенных преимуществ перед известными традиционными методами, включая ^ ЭЭО: широкая номенклатура обрабатываемых материалов, уменьшение количеств' операций и переходов, экономия материала, на порядок и более высока; производительность и оперативность в обеспечение НИОКР, единичном, мелкосерийно^ и серийном производстве, обработка без механического давления, эффективна', обработка в атмосфере воздуха, точность изготовления деталей с допусками в предела; 4-10 мкм, малые шероховатость поверхности реза (< 1...2мкм) и зона термического влияния (<3...5мкм), отсутствие расслоения и микротрещин металла (молибденд вольфрама), высокий процент выхода годных деталей (до 100%), невысока.-, трудоемкость изготовления и универсальность технологической оснастки, наличи; компьютерной базы данных на режимы лазерной микрообработки материалов; управление технологическими процессами от ПК, существенное снижение влияни, человеческого фактора на воспроизводимости технологического процесса. I

В процессе многолетней работы на АЛТУ отчетливо наметились следующи; основные направления по применению наносекундного излучения ЛПМ в технологи^ лазерной обработки материалов ИЭТ: контурная прецизионная резка, сверлени микроотверстий методом прямой прошивки, скрайбирование, раскрой припоег1 обработка пленочных покрытий, поверхностная чистка деталей, фрезерование формирование изображений в объеме прозрачных сред, с высоким разрешение^ маркировка и глубокая гравировка.

В девятой главе представлены результаты разработки многофункциональны, лазерных медицинских установок нового поколения типа «Яхрома-Мед» и «Кулон-Мед;! и их применений в практической медицине. Медицинские установки «Яхрома-Мед» 1 «Кулон-Мед» разработаны на базе импульсных ЛПМ взамен устаревших моделей «Янтарь-2Ф» и «Яхрома-2». Медицинская установка «Яхрома-Мед» (Рис. 48) создан совместно со специалистами Физического института им. П.Н. Лебедева РАН на баз! серийного отпаянного АЭ ЛПМ «Кулон» ГЛ-206В с длинами волн Я = 510,6 нм (зеленая! и 2 = 578,2 нм (желтая), мощностью 3 Вт и эксплуатационным ресурсом более 2000 "-5 Установка «Яхрома-Мед» отечественных и зарубежных аналогов не имеет.

Рис. 48. Лазерная медицинская установка «Яхрома-Мед»

«Яхрома-Мед» представляет собой компактный и надежный аппарат с воздушны:^ охлаждением, в которой транспортировка излучения на биообъект производите световодным кабелем диаметром 400 или 600 мкм с лазерным пером на конце ! предназначена для лечения в дерматологии и косметологии. Зелёное излучение сильн]

поглощается меланином, желтое совпадает с пиком поглощения оксигемоглобина. ЛПМ р такими характеристиками может избирательно лечить сосудистые (578,2 нм) и ригментные (510,6 нм) дефекты кожи с минимальными повреждениями окружающей ткани (Рис.49). Такое воздействие называется селективной коагуляцией.

До

После

До

f 'ЧИР

После

'«Винное пятно» до и после трех сеансов лечения !_(578,2 нм)_

¡^1 _

Пигментная патология до и после одного сеанса ____лечения (510,6 нм)

Удаление папиллом периорбитальной области (578,2 нм)

Лечение угревой сыпи (акне). На желтой длине волны - 578,2 нм

Лечение ангиомы (578,2 нм)

Лечение ангиомы (578,2 нм)

Рис. 49. Примеры лечения сосудистых и пигментных дефектов кожи лица на медицинской установке |<Яхрома-Мед» с импульсным ЛПМ

Сегодня «Яхрома-Мед» является лидером неабляционных технологий и рптимальна для удаления сосудистых, пигментных и неокрашенных дефектов кожи, разглаживания морщин. Она применяется в более чем в 100 клиниках России и за рубежом. В каждой клинике пролечено сотни и тысячи пациентов.

Многофункциональная компактная и с воздушным охлаждением высокоинтенсивная медицинская установка «Кулон-Мед» (Рис. 50) создана на базе двух Импульсных лазеров: ЛПМ «Кулон-10» и перестраиваемого по длинам волн в диапазоне р20...750 нм лазера на растворах красителей для лечения онкологических и неонкологических заболеваний методом фотодинамической терапии, лазерной низкоинтенсивной терапии и хирургии, дерматологии и косметологии и др. «Кулон-Мед» создана совместно с ООО «НПП «ВЭЛИТ», ГНЦ «Курчатовский институт» и (МНИОИ им. П.А. Герцена. Транспортировка лазерного излучения производится по Четырем гибким световодным кабелям с диаметром 400 или 600 мкм, что позволяет ■производить лечебно-профилактическую процедуру одновременно в нескольких кабинетах.

Рис. 50. Многофункциональная лазерна| медицинская установка «Кулон Мед». 1 - импульсный ЛПК «Кулон-10», 2 - перестраиваемы.1 по длинам волн ЛРК, 3 ' управляющий ПК

В настоящее время медицинская установка «Кулон-Мед» успешно прошла первьг этап экспериментально-клинических испытаний в ФГУ МНИОИ им. П.А. Герцена.

Основные выводы и результаты

1. ЛПМ и создаваемые на его основе мощные ЛСПМ с длинами волн излучения X 510,6 и 578,2 нм, по сравнению с другими лазерами, остаются на сегодня самым! мощными с наносекундной длительностью импульсными источниками когерентног| излучения в видимой области спектра. Они обладают большим усилением активно: среды - к = 101-102Дб/м и короткой длительностью импульсов - гимп. = 20-40 на высокими частотой повторения импульсов (ЧПИ) -/ = 5-30 кГц и съёмом мощности одного АЭ - Р = 1-100 (750) Вт при КПД 0,5-3%, но относительно низкой энергией импульсе -1¥= 0,1-10 мДж и дифракционным качеством пучка - в= (1-2)вдифр. При эти| параметрах плотность пиковой мощности в пятне сфокусированного излучения (с? = 5 20 мкм), даже при малых значениях средней мощности (Ртл. = 1-10 Вт), достигает очен! высоких значений - р = 109-1012 Вт/см2, достаточных для эффективной микрообработк: металлических материалов и большого круга диэлектриков и полупроводников для ИЭТ

2. Для реализации лазерной технологии по микрообработке и микросверлени^ материалов и других современных технологий требуются ЛПМ и ЛСПМ с высоко надежностью, эффективностью, качеством и стабильностью параметров излучений Поэтому исследования, направленные на создание промышленных ЛПМ и ЛСПМ высоким качеством излучения и на их основе современного технологического оборудования являются актуальными.

3. Проведен анализ причин низких долговечности, эффективности и качеств излучения первого поколения промышленных отпаянных саморазогревных АЭ на пара' меди, современного состояния и развития импульсных ЛПМ. Исследованы и определен^ пути повышения их долговечности, КПД, мощности, качества и стабильност] параметров излучения. Достигнутые положительные результаты исследований явилис1 основой для создания нового поколения отпаянных АЭ.

4. Разработаны и исследованы высокоэффективные и долговечные промышленны} отпаянные саморазогревные АЭ импульсного ЛПМ нового поколения, работающие смеси паров меди, неона и водорода, серии «Кулон» малого (1-20 Вт): и «Кристалл: среднего (30-55 Вт) уровней мощности.

5. Высокие КПД, мощность, долговечность, качество и стабильность параметро выходного излучения в разработанных отпаянных АЭ достигнуты за счет реализаций комплекса научно-технических и технологических решений:

- выполнения секционированного керамического разрядного канала с глухим: пазами, в каждом из которых устанавливается генератор паров меди в вид молибденовой подложки с отверстиями, смачиваемой активным веществом | расплавленной медью, и перфорированными концевыми трубками;

- разработанной технологии восстановления чистоты поверхности генераторов паров меди и электродных узлов в атмосфере водорода с неоном при 6= 1600 °С после полного обезгаживания АЭ при Т= 1700°С длительностью 30...60 ч (зависит от модели АЭ);

- создания безнакального автотермоэмисионного металлопористого вольфрам-бариевого (W-Ba) катода кольцевой конструкции с кольцевой проточкой на внутренней поверхности, обеспечивающего устойчивое локальное горение импульсного дугового

азряда (состав активного вещества - ЗВаО- Ab03-0,5ca0-0,5si02);

— трехкомпонентного высокотемпературного теплоизолятора с низкой еплопроводностью (Я =0,27-0,31 Вт/(м-К)) и малым удельным весом (р = 0,32-0,5 г/см') а основе окислов АЬ03 и SiOi в виде полых микросфер (d = 20-100 мкм) и волокон (d< мкм), размещенного в пространстве между разрядным каналом с T^g s 1600 °С,

лектродными узлами и внешней вакуумноплотной оболочкой с 7ра6 s 300 °С;

- применения выходных просветленных окон с углом наклона к оптической оси АЭ, е превышающем значений

, (2 -ab)

а = arctg т-

(2а+é)

6. Для промышленных отпаянных АЭ серии «Кристалл» более важными являются араметры в режиме усилителя, так как их применение значительно эффективнее в ощных ЛСПМ типа ЗГ - УМ в качестве УМ. В ЛСПМ мощность излучения и рактический КПД ЛСПМ и КПД отдельного УМ с АЭ ГЛ-205А достигают значений оответственно 45 Вт, 1,5 % и 3,0 %, с ГЛ-205Б - 60 Вт, 1,7 % и 3,4 % и ГЛ-205В - 75 Вт,

1,6% и 3,3%, с экспериментальными АЭ «Кристалл ЬТ-50Си-Д» - 80 Вт, 1,4 % и 2,7 %, <Кристалл LT-75Cu» - 97 Вт, 1,5 % и 3,0 %, «Кристалл LT-100Cu» - 117 Вт, 1,3% и 2,6%, оторые в 1,3-1,5 раза больше по сравнению с режимом отдельного генератора.

7. Промышленные отпаянные саморазогревные АЭ серии «Кулон» и «Кристалл» о эффективности, гарантированной наработке и условиям эксплуатации по отношению

близким зарубежным аналогам более предпочтительны. Съем мощности излучения с диницы активной среды выше в 2-4 раза, минимальная наработка 3-4 раза больше, а тпаянное исполнение АЭ не требует дополнительных элементов жизнеобеспечения.

8. Раскрыта динамика формирования и структура импульсного излучения при аботе ЛПМ в режиме генератора и исследованы его пространственные, временные и нергетические характеристики и установлено:

-в режиме с одним зеркалом выходное излучение имеет двухпучковую структуру -ва пучка сверхсветимости, с оптическим резонатором имеет многопучковую структуру два всегда присутствующих пучка сверхсветимости и несколько пучков (обычно п = 3), сформированных непосредственно резонатором, количество которых ограничено ременем существования инверсии населенностей в АС (г = 20...40 не). Причем все учки частично перекрываются в пространстве и во времени, конкурируя между собой о мощности в процессе своего формирования;

— каждый (отдельный) пучок выходного излучения обладает своими ространственными, временными и энергетическими характеристиками -асходимостью, длительностью импульсов, временем возникновения и исчезновения

импульсов, средней и пиковой мощностью, энергией в импульсе, процентным одержанием мощности на зеленой (Я = 510,6 нм) и желтой (Я = 578,2 нм) линиях, абильностью положения оси диаграммы направленности пучка и импульсной энергии;

— зависимость расходимости пучков излучения от параметров резонатора и геометрических размеров апертуры разрядного канала АЭ для оптического режима с

одним зеркалом, с неустойчивыми телескопическим резонатором и резонатором с двум выпуклыми зеркалами;

- практическую ценность имеют следующие оптические режимы работы ЛПМ: одним выпуклым зеркалом, с неустойчивым резонатором с двумя выпуклыми зеркалам и телескопическим резонатором, т. к. в этих режимах формируются пучки дифракционной и близкой к ней расходимостью, когда плотность пиковой мощности пятне сфокусированного излучения достигает значений 109-1012 Вт/см2, достаточных дл эффективной микрообработки металлических и большого круга неметаллически материалов.

9. Исследованы структура, пространственные, временные и энергетически характеристики излучения ЛПМ в режиме генератора с НР с двумя выпуклым зеркалами и установлено, что с данным типом НР возможно формировани однопучкового излучения с дифракционной расходимостью при выполнении тре взаимосвязанных условий:

1-^+12<к< - (¡к + г2),

вых)> К1(тп).

С этим НР мощность излучения в дифракционном пучке, из-за больших потерь резонаторе, имеет небольшие значения, что не эффективно для производительно микрообработки материалов толщиной более 0,05...0,1 мм. Поэтому его «золотое применение - в качестве резонатора в ЗГ мощных ЛСПМ, в которых мощност дифракционного пучка может увеличиваться на один-два порядка (до 20-100 Вт).

10. Исследованы пространственные, временные и энергетические характеристик излучения ЛСПМ, работающей по схеме ЗГ - ПФК - УМ с промышленным отпаянными АЭ серии «Кулон» и «Кристалл» при работе ЗГ с НР и одним выпуклы зеркалом и установлено, что максимальные КПД, мощность, плотность мощности стабильность параметров выходного пучка излучения обеспечиваются за счет:

- выделения из многопучкового излучения ЗГ дифракционной составляющей;

- пространственного согласования выделенного дифракционного пучка апертурой разрядного канала УМ;

- синхронизации (совмещения) во времени световых сигналов ЗГ и УМ точностью не хуже ±2 не;

- обеспечения уровня плотности мощности излучения на входе УМ не мене 0,2...0,3 Вт/см2

- достижения стабильности положения оси диаграммы направленности пучк излучения Ав < ^дифр/10;

11. Активная среда (АС) ЛПМ в отношении к собственному излучению имее четыре, последовательно идущие друг за другом и повторяющиеся от импульса импульсу, характерные временные зоны: слабого поглощения (г =30...50 не), усилени (г = 20...40 не), полного поглощения (г> 1000 не) и максимальной прозрачност (т> 1000 не).

Эти свойства АС стали основой для разработки методов и электронных устройст оперативного управления мощностью излучения по заданному алгоритму в современны ЛПМ и ЛСПМ.

12. Разработаны и исследованы промышленные отпаянные ЛПМ нового поколени моделей «Кулон 05» мощностью 13...15 Вт и «Кулон 06» с мощностью 19...21 Вт высокоскоростным управлением мощностью излучения (за счет свойств АС) п

аданному алгоритму, включая пакетную и моноимпульсную модуляцию, с ЧПИ 125 кГц на базе серийных отпаянных АЭ моделей ГЛ-206Д и ГЛ-206И для применения в овременном технологическом и медицинском оборудованиях.

13. Созданы двухканальная ЛСПМ «Карелия» и трехканальная ЛСПМ «Карелия» повышенной мощности, работающие по эффективной схеме ЗГ - ПФК - УМ. ощность излучения ЛСПМ «Карелия» с промышленными АЭ «Кристалл» ГЛ-205А

оставляет 30-40 Вт, практический КПД - 0,4% при ЧПИ 9-12 кГц, «Карелия-М» с двумя Э ГЛ-205Б в качестве УМ - 70 Вт, КПД - 0,92% при ЧПИ 12,5 кГц, с двумя АЭ ГЛ-05Б в качестве УМ - 105 Вт, КПД - 1% при ЧПИ 10 кГц.

14. Разработаны и исследованы 4 модели современных промышленных втоматизированных лазерных технологических установок (АЛТУ): «Каравелла-1», <Каравелла-1М», «Каравелла-2» и «Каравелла-2М» на базе импульсных ЛПМ и ЛСПМ и современных прецизионных трехкоординатных столов XYZ с управлением от ПК для

роизводительной и качественной микрообработки как тугоплавких (Mo, W, Та, Re), так с высокой теплопроводностью (Си, AI, Ag, Au) металлов и их сплавов, других металлов Ti, Ti, Zr, Fe, Pb, Zr) толщиной 0,02-1мм, полупроводников и диэлектриков (Si, Ge, aAs, A1203, 22XC, сапфир, искусственные алмазы, стекло, кварц и т. д.), графит, омпозиционные материалы и керметы толщиной до 1,5...2 мм ИЭТ.

15. Лазерный способ микрообработки импульсным высокочастотным излучением ПМ с наносекундной длительностью имеет ряд существенных преимуществ перед

гзвестными традиционными методами, включая и ЭЭО: широкая номенклатура брабатываемых материалов, уменьшение количества операций и переходов, экономия атериалов, на порядок и более высокая производительность, высокая оперативность в беспечение НИОКР, единичном, мелкосерийном и серийном производстве, ффективная обработка в атмосфере воздуха, точность изготовления деталей с опусками в пределах 4-10 мкм, малые шероховатость поверхности реза (< 1...2 мкм) и она термического влияния (<3...5 мкм), отсутствие расслоения и микротрещин металла молибдена, вольфрама), высокий процент выхода годных деталей (до 100%),невысокая рудоемкость изготовления и универсальность технологической оснастки, наличие омпьютерной базы данных на режимы лазерной микрообработки, управление ехнологическими процессами от ПК, существенное снижение влияния человеческого актора на воспроизводимость технологического процесса.

16. Отчетливо наметились следующие основные направления по применению мпульсного излучения ЛПМ в технологии лазерной обработки материалов ИЭТ: онтурная прецизионная резка, сверление микроотверстий методом прямой прошивки, крайбирование, раскрой припоев, обработка пленочных покрытий, поверхностная истка деталей, фрезерование, формирование изображений в объеме прозрачных сред, с ысоким разрешением маркировка и глубокая гравировка.

17. Созданы многофункциональные компактные медицинские установки нового околения «Яхрома-Мед» и «Кулон-Мед» с воздушным охлаждением на базе мпульсного ЛПМ для применения в дерматологии, онкологии, лазерной изкоинтенсивной терапии и хирургии и других областях научной и практической едицины.

Список опубликованных работ по теме диссертации Монографии

1. Григорьянц А.Г., Казарян М.А., Лябин H.A. Лазеры на парах меди:

конструкция, характеристики и применения. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. 312 с.

Патенты

1. A.c. 1438549 СССР, МШ^Н 01 S 3/10. Импульсный безрезонаторный лазер Лябин H.A. - № 4211869/ 24-25; заявл. 19.03.1987.

2. Пат. 1565320 Российская Федерация. МКИ5 Н 01 S 3/08. Импульсный лазе С.А. Плешанов, A.B. Армичев, А.Д. Чурсин, H.A. Лябин; заявитель и патентообладате ФГУП «НПП «Исток». - №4423717/24-25; заявл. 13.05.1988.

3. Пат. 1813307A3 СССР, МКИ5 Н 01 S 3/041. Лазер на парах металлов H.A. Лябин, В.В. Зубов, С.А Угольников; заявитель и патентообладатель ФГУП «НП «Исток». - № 4861801/25; заявл. 24.08.1990.

4. Пат. на полезную модель 20617 Российская Федерация, МКИ7Н 01 S 3/0 В23К26/00. Импульсный лазер на парах металлов / H.A. Лябин, А.Д. Чурси М.Е Королева; заявитель и патентообладатель ФГУП «НПП «Исток». № 2001111795/20; заявл. 03.05.2001; опубл. 10.11.2001, Бюл.№ 31.

5. Пат. 2191452 Российская Федерация, МКИ7 Н 01 S 3/03, 3/227. Разряди трубка лазера на парах металлов / H.A. Лябин, А.Д. Чурсин; заявитель патентообладатель ФГУП «НПП «Исток». - № 2000112859/28; заявл. 23.05.2000; опуб 20.10.2002, Бюл. № 29.

6. Пат. на полезную модель 30468 Российская Федерация, МКИ7 Н 01 S 3/0 Активный элемент лазера на парах металлов / H.A. Лябин, B.C. Парамоно И.С. Колоколов, А.Д. Чурсин; заявитель и патентообладатель ФГУП «НПП «Исток». №2002116609/20; заявл. 24.06.2002; опубл. 27.06.2003; Бюл.№ 18.

7. Пат. 35177 Российская Федерация. МКИ7 Н 01 S 3/03. Разрядная труб лазера на парах металлов/ H.A. Лябин, М.Е. Королева, З.К. Ипполитова; заявитель патентообладатель ФГУП «НПП «Исток». - № 2003119771/20; заявл. 01.07.2003; опуб 27.12.2003; Бюл. №36.

8. Пат. 2226022 Российская Федерация. МПК7 Н 01 S 3/0975. Генерат наносекундных импульсов для возбуждения лазеров на самоограниченных переход атомов металлов / Н.М. Лепехин, Ю.С. Присеко, В.Г. Филиппов, H.A. Ляби А.Д. Чурсин, И.С. Колоколов; заявители и патентообладатели авторы. - № 200211825 заявл. 10.07.2002; опубл. 20.03.2004, Бюл.№8.

9. Пат. 2251179 Российская Федерация. МПК7 Н 01 S 3/097.Спосс возбуждения импульсных лазеров на самоограниченных переходах атомов металло работающих в режиме саморазогрева, и устройство для его осуществления Н.М. Лепехин, Ю.С. Присеко, В. Г. Филиппов, H.A. Лябин, А.Д. Чурсин; заявители патентообладатели авторы. -№2003120867/28 заявл. 11.07.2003; опубл. 27.04.2005, Бю № 12.

10. Пат. 2264011 Российская Федерация. МПК7 Н 01 S 3/02, 3/09. Спосо возбуждения импульсов излучения лазерных систем на самоорганических переход (варианты). / H.A. Лябин, А.Д. Чурсин, З.К. Ипполитова; заявитель и патентообладате ФГУП «НПП «Исток». - №2004108765/28; заявл. 24.03.2004.; опубл. 10.11.2005, Бю №31.

11. Пат. 44004 Российская Федерация МКИ7 Н 01 S 3/097.Импульсный лазер H.A. Лябин, З.К. Иполлитова, С.А Угольников; заявитель и патентообладатель ФГУ «НПП «Исток». -№ 2004130171/22.; заявл. 18.10.2004; опубл. 10.02.2005, Бюл. №4.

12. Пат. 2288845 Российская Федерация МПК В44С 5/08 (2006.01), СОЗС 23/0 (2006.01). Устройство формирования изображений с высоким разрешением внутр

розрачного или малопрозрачного твердого материала. / А.Г Григорьянц, И.А. Иванов, .К. Ипполитова, H.A. Лябин, И.Н. Шиганов.; заявители и патентообладатели авторы. -9 2005111797/12; заявл. 21.04.2005; опубл. 10.12.2006, Бюл. №34.

13. Пат. 2432652 Российская Федерация, МПК Н 01 S 3/03, /05. Импульсный азер / H.A. Лябин, З.К. Иполлитова, А.Д. Чурсин, И.С. Колоколов; заявитель и атентообладатель ФГУП «НПП «Исток». - №2010133034; заявл. 05.08.2010; публ.27.10.2011, Бюл. №30.

Статьи в периодических журналах перечня ВАК РФ

1. Газовая тепловая линза в лазере на прах меди / H.A. Лябин [и др.] // Квантовая лектроника. 1984. Т. 11, № 5. С. 918-923.

2. Исследование лазера на парах меди с большим ресурсом и улучшенными араметрами импульса возбуждения / H.A. Лябин [и др.] // Квантовая электроника. 1983. . 10, №9. С. 1908-1910.

3. Пространственные, временные и энергетические характеристики излучения лазера а парах меди / H.A. Лябин [и др.] // Квантовая электроника. 1985. Т. 12, № 1. С. 74-79.

4. Лябин H.A., Зубов В.В., Чурсин А.Д. Эффективная система генератор-усилитель на снове лазерных активных элементов на парах меди // Квантовая электроника. 1986. Т. 3, № 12. С. 2431-2436.

5. Применение излучения лазера на парах меди для испарения атеросклеротических оражений магистральных артерий in vitro / H.A. Лябин [и др.] // Хирургия. 1986. № 4. .116-121.

6. Лябин H.A., Зубов В.В., Чурсин А.Д. Лазер на парах меди с высокостабильным днопучковым излучением и управляемой расходимостью // Квантовая электроника. 988. Т. 15, № 10. С. 1947-1954.

7. Лябин H.A. Безрезонаторный лазер на парах меди с высоким качеством излучения / Квантовая электроника. 1989. Т. 16, № 4. С. 652-657.

8. Лябин H.A., Зубов В.В., Чурсин А.Д. Активный элемент на парах меди для ощных лазерных систем типа генератор-усилитель // Квантовая электроника. 1990. Т. 7, № 1.С. 28-31.

9. Перестраиваемый импульсно-периодический конвертор в синей области спектра с акачкой лазером на парах меди. / H.A. Лябин [и др.] // Квантовая электроника. 1998. .25, № 9. С.773-774.

10. Лябин H.A., Чурсин А.Д., Доманов М.С. Отпаянные промышленные активные лементы лазеров на парах металлов мощностью от 1 до 50 Вт // Известия вузов, Физика. 999. Т. 42, №8. С. 67-73.

11. Получение цветного телевизионного изображения на большом экране с спользованием импульсных лазеров на парах металлов / H.A. Лябин [и др.] // Известия АН, серия физическая. 1999. Т.63, № 6. С.1190-1191.

12. Лазерные терапевтические установки ГНПП «Исток» / H.A. Лябин [и др.] // иомедицинская электроника. 2000. № 11. С. 24-28.

13. Лябин H.A. Промышленные отпаянные лазеры на парах меди типа «Кристалл» с овышенными КПД и мощностью излучения // Оптика атмосферы и океана. 2000. Т. 13, 2 3. С. 258-264.

14. Разработка, производство и применение отпаянных лазеров на парах меди и золота H.A. Лябин [и др.] // Квантовая электроника. 2001. Т.31, № 3. С.191-202.

15. Промышленный лазер на базе отпаянных активных элементов серии KULON на

парах меди (LT-10Cu), золота (LT-1,5Au), смеси паров золота и меди / H.A. Лябин [и др // Прикладная физика. 2003. № 3. С. 84-89.

16. Лазеры на парах меди и их применение в технологии прецизионной обработки H.A. Лябин [и др.] // Электронная техника. Сер. СВЧ-техника. 2003. Вып. 2(482). С. 1 35.

17. Источник УФ излучения на базе лазера на парах меди с акустооптически управлением спектральными и временными характеристиками / H.A. Лябин [и др.] Квантовая электроника. 2004. Т.34, № 12. С.1133-1137.

18. Промышленные лазеры на парах металлов для научной медицины и практическо здравоохранения / H.A. Лябин [и др.] //Лазерная медицина. 2004. Том 8. Вып.З. С.186.

19. Промышленные лазеры на парах металлов серии KULON / H.A. Лябин [и др.] Прикладная Физика. 2005. №1. С. 110-115

20. Лазерная микрообработка в самосопряженной схеме проекционного микроскопа H.A. Лябин [и др.] // Краткие сообщения по физике. 2006. № 10. С.42-46.

21. Энергетические характеристики излучения саморазогревного промышленно лазера KULON-IO Cu-М / H.A. Лябин [и др.] // Квантовая электроника. 2007. Т.37, № С.765-769.

22. Состояние и перспективы развития автоматизированных лазернь технологических установок типа «Каравелла» для прецизионной микрообработ материалов изделий СВЧ-техники на ФГУП «НПП «Исток» / H.A. Лябин [и др.] Электронная техника. Сер. 1 СВЧ-техника. 2009. Вып. 2 (501). С. 45-52.

23. Промышленный лазер на парах меди с генерацией вторых гармоник и суммарн частоты KULON-10Cu-UV / H.A. Лябин [и др.] / Прикладная Физика. 2009. №4. С.12 132.

24. Энергетические характеристики излучения лазера KULON-lOCu-UV / H.A. Ляб [и др.] // Квантовая электроника. 2009. Т.39, №5. С.405-409.

25. Лазеры на парах меди для прецизионной обработки изделий электронной техники H.A. Лябин [и др.] // Альтернативная энергетика и экология. 2013. Т. 129, № 7. С. 31-43.

26. Импульсные лазеры на парах меди, технологическое и медицинское оборудован на их основе / H.A. Лябин [и др.] // Электронная техника. Сер. 1 СВЧ-техника. 2013. Вы 3(518). С. 211-220.

27. Получение цветного кино-, телевизионного 3D изображения на большом экране использованием импульсных лазеров на парах металлов / H.A. Лябин [и др.] Альтернативная энергетика и экология. 2013. № 5-2. С. 87-89.

Подписано в печать: 10.01.2014 Обьём: 1п. л. Тираж: 100 экз. Заказ № 236 Отпечатано в типографии «Реглет» 119526, г. Москва, ул. Бауманская, д.ЗЗ стр. 1 +7(495)979-98-99, www.reglet.ru