Глава 17. Многоканальные волноводныесо2-лазеры… стр. 27из27

Глава 17 Многоканальные волноводные со2-лазеры для технологии и медицины

В. В. Васильцов

Приведены результаты исследований и разработок мощных волноводных СО₂-лазеров с диффузионным охлаждением рабочей среды, возбуждаемой емкостным разрядом переменного тока звуковой частоты. Описывается типоряд многоканальных технологических лазеров (МТЛ) со средней мощностью излучения от 2 до 6 кВт, предназначенных для процессов модификации поверхности (закалка, легирование, наплавка и др.). Приводятся примеры внедрения этих технологий в различных областях машиностроения.

Реализованы методы синхронизации многолучевых промышленных СО₂-лазеров двумерными пространственными решетками с качеством излучения М²=1 при средней мощности генерации до 1 кВт.

Созданы однолучевые многоканальные лазеры серии ТЛ мощностью от 0,3 до 1,5 кВт с дифракционным качеством излучения, предназначенные для прецизионной резки материалов.

Мощные волноводные СО₂-лазеры применены при создании интеллектуальных медицинских систем серии «Перфокор» для выполнения операций по процедуре трансмиокардиальной лазерной реваскуляризации в кардиохирургии – нового метода лечения ишемической болезни сердца.

17.1. Введение

Диффузионными называются лазеры, в которых охлаждение активной среды и стабилизация электрического разряда осуществляется за счет диффузионных процессов. Выделяющееся в разряде тепло отводится к стенкам лазерной трубки посредством молекулярной диффузии, а контракции разряда препятствует амбиполярная диффузия зарядов [1].

Общие физические принципы работы волноводных лазеров были разработаны сравнительно давно.

К волноводным лазерам относятся газовые лазеры, например, СО₂, СО, эксимерные Xe и KrF, в которых распространение лазерного излучения через активную среду происходит в волноводе. Идея использования полых волноводов в газоразрядных лазерах впервые была высказана Маркатили и Шмельцером в 1964 г. [2] . Отличие волноводных газоразрядных лазеров от обычных газовых лазеров состоит в наличии полого, например, диэлектрического, волновода между зеркалами, который выполняет несколько функций. С одной стороны, его внутренняя поверхность ограничивает объем, заполненный активной средой, с другой стороны, он служит каналом, по которому распространяется лазерное излучение, является составной частью волноводного резонатора и определяет модовый состав излучения.

Для волноводных СО₂-лазеров легко реализуется основное их преимущество как технической системы – компактность конструктивного исполнения и снижения на этой основе массогабаритных показателей.

В СО₂-лазерах волновод представляет собой, как правило, газоразрядную трубку, имеющую длину значительно больше внутреннего диаметра, который, в свою очередь, может в сотни раз превышать длину волны излучения.

В газоразрядных лазерах с медленной прокачкой газа и охлаждением рабочей среды путем теплопроводности через ограничивающие разрядный объем стенки (так называемых лазерах с диффузионным охлаждением) величина мощности излучения, снимаемая с единицы длины активной среды, ограничивается теплопроводностью самой среды и для удобной и распространенной трубчатой геометрии составляет максимум 50–100 Вт/м, причем в широком диапазоне величин не зависит от диаметра трубки. Поэтому, например, для получения средней мощности излучения 1 кВт необходимо набрать общую длину разрядной области 20 м. Примером таких конструктивных решений могут служить лазеры «Кардамон» (Россия) [3] и «Arrоw» (Германия) [4]. Существенным недостатком таких лазеров с последовательным расположением разрядных трубок, даже со сверткой всей конструкции тем или иным способом, являются достаточно большие габариты установки (при мощности 1 кВт – длина 4–6 м.), а также технические трудности обеспечения стабильности оптического резонатора.

В 1972 г. была предложена схема параллельного расположения трубок малого диаметра внутри общего резонатора волноводного типа, образованного всего двумя плоскими зеркалами (патент Франции) [5]. Такое конструктивное решение позволило приступить к созданию многолучевых лазеров (МЛЛ) большой мощности [6].

Анализ возможностей МЛЛ показал, что при прочих достоинствах диффузионных лазеров они имеют ряд дополнительных преимуществ по сравнению с быстропроточными лазерами:

• высокую стабильность параметров излучения (мощность, расходимость, угловое положение оси диаграммы направленности);

• низкие весогабаритные характеристики и рекордное значение удельного энергосъёма с единицы конструктивного объема блока генерации (БГ);

• возможность создания практически любой конфигурации распределения плотности мощности излучения на поверхности обрабатываемого изделия.

К основным недостаткам МЛЛ следует отнести сравнительно большую апертуру выходного излучения при относительно высокой расходимости, которая определяется малым диаметром отдельной трубки излучателя, а не диаметром всей сборки, вследствие несинхронизированного режима работы отдельных трубок излучателя. Это может приводить к дополнительным трудностям при транспортировке излучения и невозможности его острой фокусировки. Однако, как показано ниже, сложности транспортировки широкоапертурного излучения могут быть преодолены применением компактизаторов излучения специальной конструкции. Получение же излучения с малой угловой расходимостью связано с необходимостью синхронизации отдельных излучателей МЛЛ, некоторые аспекты которой рассматриваются в п. 17.4 или использование однолучевой схемы излучения, подробно обсуждаемой в п. 17.5. Следует также отметить, что МЛЛ дают наиболее однородный профиль плотности излучения на обрабатываемом изделии, что ставит их вне конкуренции в процессах лазерной модификации поверхности (термообработка, наплавка, легирование и др.)

Многолучевая схема технологического лазера впервые реализована в 1978 г. [6], когда был создан первый образец лазера типа «Иглан» с возбуждением активной среды разрядом постоянного тока. В лазере «Иглан-3» мощностью 3 кВт [7] используется сборка из 37 стеклянных разрядных трубок наружным диаметром 12 мм при общей длине лазера 5 м и апертуре выходного пучка 94 мм. В дальнейшем работы в этом направлении успешно развивались. В 1985 г. был создан многолучевой технологический СО₂-лазер непрерывного действия с мощностью излучения 4 кВт [8], а в 1989 г. – с мощностью излучения 10 кВт [9].

В 1979 г. в ФИАЭ им. И.В.Курчатова предложен, а 1980 г. реализован [10] другой вариант МЛЛ, в котором для возбуждения активной среды использовался ёмкостной безэлектродный разряд переменного тока 10 кГц и создана лазерная установка со средней мощностью излучения 1–2 кВт [11]. Возбуждение электрического разряда осуществлялось от мотор-генератора. В дальнейшем в результате многолетних изучений физики разряда и характеристик активной среды был создан макет многоканального СО₂-лазера МКЛ-10 с мощностью излучения 10 кВт, возбуждаемый квазистационарным (=0,001–0,1 с) разрядом переменного тока частотой 10 кГц [12].

Эквивалентная электрическая схема емкостного разряда показана на рис. 17.1. [13]. Разряд, ток в котором возникает при подаче переменного напряжения на изолированные от газа проводящие электроды, принято называть безэлектродным емкостным разрядом.