17.5. Технологические однолучевые одномодовые волноводные со2-лазеры со средней мощностью излучения до 1500 Вт

Для расширения технологических возможностей многоканальных волноводных лазеров, таких как резка и сварка материалов и других применений там, где требуется высокое качество изучения, были разработаны и реализованы конструкции излучателей, в которых излучение последовательно обходит все каналы при параллельном расположении разрядных трубок. По такой схеме возможно создание компактных и дешевых одномодовых лазеров. Первой моделью этого семейства является лазер ТЛ-500, имеющий блок генерации размерами 200x200x2000 мм и массу 40 кг [33]. Внешний вид лазера ТЛ-500 показан на рис. 17.11. Дальнейшая разработка принципа последовательного обхода параллельно расположенных излучателей позволила создать лазеры с одномодовым излучением со средней мощностью более 1 кВт.

Рис. 17.11. Внешний вид лазера ТЛ-500.

Развивая принципы однолучевой генерации, впервые реализованной на модели ТЛ-500, в ИПЛИТ РАН разработана серия однолучевых волноводных СО₂-лазеров со средней мощностью излучения 300 Вт (модель ТЛ-300), 1200 Вт (модель ТЛ-1200), 1500 Вт (модель ТЛ-1500) [34–35]. Схемы расположения разрядных трубок были приведены на рис. 17.4.

Все три модели многоканальных однолучевых лазеров выполнены по моноблочной схеме.

На рис. 17.12 представлена оптическая схема одного из излучателей. Излучение из параллельно расположенных трубок (от 9 до 27 шт.) с помощью уголковых отражателей последовательно обходит все трубки, тем самым формируя один длинный резонатор. Вывод излучения осуществляется через полупрозрачное плоское зеркало из ZnSe.

Одной из сложных проблем, возникающих при создании мощных индустриальных волноводных СО₂-лазеров, генерирующих однолучевое излучение, является обеспечение одномодовой генерации в условиях длинных (десятки метров) резонаторов, когда большое числа параллельно расположенных геометрически разрядных трубок с помощью поворотных зеркал имеют последовательную оптическую ось. При этом должен достигаться необходимый уровень термостабилизации элементов конструкции оптического резонатора, включая газоразрядные трубки.

Рис. 17.12. Оптическая схема излучателей многоканальных волноводных СО₂-лазеров диффузионного охлаждения: 1 – газоразрядные трубки; 2-3 – поворотные зеркала; 4 – заднее зеркало резонатора; 5 – выходное зеркало резонатора.

В результате проведения теоретических и экспериментальных работ (расчеты длинных волноводных резонаторов, состоящих из последовательного набора волноводов, расчеты оптимальной прозрачности резонатора, оптимизация параметров электрической накачки, состава газовой смеси, выбор материалов для конструкции излучателей и т.д.) были выработаны требования к материалу и геометрическим характеристикам газоразрядных трубок и их пространственному расположению внутри резонатора, а также требования к точности юстировки оптических элементов резонатора. Были найдены эффективные оптические схемы, обеспечивающие однолучевую генерацию большого числа параллельно расположенных газоразрядных трубок. Полученные технические решения позволяют минимизировать потери излучения на открытых участках резонатора и в то же время обеспечивают необходимую пространственную селекцию основной моды.

Для малых (до 400 Вт) средних мощностей излучения оказалось технически возможным реализовать воздушное охлаждение излучателя, что существенно повышает эксплуатационную привлекательность лазеров. Такая схема реализована в модели ТЛ-300, внешний вид которой показан на рис. 17.13 без защитного кожуха для лучшего понимания конструкции внутренних элементов лазера. На рис. 17.14 показан внешний вид лазера ТЛ-1200.

Рис. 17.13. Внешний вид лазера модели ТЛ-300 (без защитного кожуха).

Рис. 17.14. Внешний вид лазера модели ТЛ-1200.

Все лазеры этой серии отличаются малыми габаритами и низкими эксплутационными затратами, поскольку имеют достаточно высокий технический кпд (более 10%), малый расход рабочей смеси (1–2 н.л./мин).

Кроме того, за счет волноводного режима генерации легко осуществляется и поддерживается с высокой долговременной стабильностью одномодовый режим генерации (первая волноводная мода ЕН11 имеет распределение Бесселя первого порядка). Распределение излучения модели ТЛ-1200 представлено на рис. 17.15. Видно, что генерируется практически одна первая волноводная мода.

Рис. 17.15. Распределение плотности мощности излучения (модель ТЛ-1200). Расходимость по уровню мощности 0,86 = 1,57 мрад. Расходимость по уровню мощности 0,9 = 1,67 мрад. Р_макс.= 1380 Вт.

В табл. 17.2 приведены основные параметры рассматриваемых моделей волноводных СО₂-лазеров.

Таблица 17.2. Основные технические характеристики моделей серии ТЛ

Параметры	Модель
	ТЛ-300	ТЛ-1200	ТЛ-1500
Длина волны излучения, мкм	10,6	10,6	10,6
Средняя мощность, Вт	320	1200	1500
Импульсно-периодический режим, кГц	0,2–2,5	То же	То же
Стабильность мощности, %	<2	»	»
Апертура, мм	20 (с телескопом)	»	»
Расходимость излучения, мрад	0,8 (с телескопом)	»	»
Расход газовой смеси, н.л./ ч	0,5	1,5	1,7
Расход воды, м3/ч	Нет	0,7	0,9
Технический КПД, %	10	11	10
Габариты, м	0,6x0,6x1,5	0,6x1,2x2,2	0,7х1,2х2,4
Масса, кг	220	380	450
Преимущество: охлаждение	Воздушное	Жидкостное	Жидкостное

Благодаря высоким параметрам качества излучения и высоким эксплутационным характеристикам волноводные однолучевые СО₂-лазеры средней мощностью 300–1500 Вт нашли применение в технологии. Они эффективны в составе лазерных технологических комплексов прецизионной резки материалов (металлических – толщиной до 10 мм, неметаллических – толщиной до 40 мм), сварки; наплавки, а также для изготовления деталей из композитных и металлических порошковых и нанопорошковых материалов.