Способ регулирования параметров импульсов генерации газового лазера

Способ регулирования параметров импульсов генерации газового лазера

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

(ж 5U (щ (>)$ И союз советских

СОЦНАЛНСТИЧКСЕИХ РЕСБУБЛИК госщАРственнок пАтхнтнок

13домстВО сссР (ГоспАткнт сссР)

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕ

K АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 2701182/25 (22) 20.1278 (46) 15.1293 Вап йя 45-46 (72) Левин ГИ

{64) СЯОСОБ РОУЛИРОВАНИЯ ПАРАМЕ ГРОВ

ИМПУЛЬСОВ ГЕНЕРАЦИИ ГАЗОВОГО ЛАЗЕРА

Ф) 743526

Изобретение относится к квантовой электроника, в частности, к способам регулирования параметров импульсов, излучаемых электрораэрядным газовым лазером и может быть использовано в импульсных 5

ССг лазерах, применяемых для сварки, резки и термообработки, Возможность применения импульсных, в частйости ТсА СОг лазеров, для технологических целей (резки, сварки) зависит в первую очередь от реализации режима, при котором длительность импульса излучения достаточно велика и составляет деслтки мкс, а максимальная мощность незначительно превышает среднюю. 15

Известен способ регулирования длительности и мощности импульса излучения за счет смещения оси резонатора вниз по потоку газа относительно разрядной эоны.

При импульсном возбуждении длитель- 20 ность импульса излучения и его мощность будут зависеть от скорости потека газа, и, . следовательно, могут регулироваться п определенных пределах.

Недостатком этого способа является необходимость в весьма высокой скорости прокачки газа, которая для длительности импульса, например, 100 мкс, и ширине каустики однопроходного реэпнатора 50 мм составляет 500 м/с, что требует сложного и З0 энергоемкого оборудования для транспортировки газа и применения специальной геометрии газового контура;

Другим недостатком способа является. невозможность оперативного регулирова- 45 ния параметров излучения, особенно в сторону меньших значений длительности импульса.

Известен способ регулирования параметров импульсов генерации, излучаемых газовым лазером путем изменения соотношения компонентов рабочей газовой смеси, прокачиваемой со скоростью менее 100 м/cev, перпендикулярно к оси каустики резонатора и направлению импульсного раз- 45 ряда накачки.

При этом способе длительность импульсов излучения, его орму и максимальную мощность изменяют путам изменения соотCOz 50 ношения „,, a газовой смеси, содер< г+Мг

>кащей также гелий и водород.

Недо татком этого способа является нес1абильность оптических характеристик

СОг резонатора npl) малых значениях

<;,<г + Йz соответствующих большей длительнос-.и импульса, необходимой для те:<;:ологического режж а озботы лазера; эта нестабильность определяется, в частности большим уровнем непроизводительных потерь в резонаторе по отношению к полезным; необходимость в применении резонатором с предально высокой добротностью ввиду малого усиления среды при малых значениях

COz отношения г+ 4z

: невозможность оперативного регулирования параметров излучения; невысокое максимальное значение длительности импульса излучения при приемлемом значении oTHDIUBHMR

Саз и

Оз + Мг уменьшении анархии, т.е. узкии диапазон удлинения импульса.

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

Целью изобретения является устранение указанных недостатков, расширение технологических возможностей способа за счет расширения диапазона регулирования . параметров получаемого импульса и упрощения осуществления их регулирования, Поставленная цель достигаетсл тем, что в известном способе регулирования параметров импульсов генерации газового лазера, до начала импульса разряда накачки каустику резонатора перекрывают, а затем раскрывают с нулевого значения площади ее поперечного сечения до максимального, при этом время раскрытия каустики выбирают не более времени релаксации возбужденной газовой смеси, а импульсную накачку газовой смеси осуществляют по отношению к началу раскрытия каустики резонатора с задержкой, длительность которой выбирают не более времени полного раскрытия каустики.

Таксе решение позволяет расширить диапазон параметров излучения, в частности длительности импульса за счет посте пенного введения возбужденной газовой смеси в каустику резонатора, упростить регулирование параметров импульса, т,е. сделать его оперативнь:м за счет осуществлечия регулируемой задержки импульса возбуждения рабочей газовой смеси относительно начала раскрытия каустики резонатора, расши рить технологические возможности, т.к. увеличен диапазон изменяемых параметров, в частности, изменяя в пределах этого диапазона длительность импульса, можно осуществлять на одном и том

>ке оборудовании, с помощью оперативного регулирования сваоку. резку. терм. обработку.

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

На фиг,2 для одной иэ рабочих смесей газов показаны графики изменения энергии и длительности импульса излучения и зави- 10 симости от задержки импульса накачки по отношению к началу раскрытия каустики резонатора, где:

Š— энергия импульса, z> — время задержки, 15 ти — длительность импульса, излучаемого лазером, 0 — рабочий диапазон регулирования времени задержки.

Как видно иэ графика (фиг.2), длитель- 20 ность импульса и энергия излучения остаются постоянными и равными своим номинальным величинам, как при отсутствии затвора, так и когда импульс накачки задерживается более 100 мкс по отноше- 25 нию к началу раскрытия затвора, т.е. когда накачка происходит при полном раскрытии затвора. По мере уменьшения времени задержки. длительность импульса увеличивается, т.к. накачка происходит при частично 30 закрытой каустике, объем которой начинает излучать цо мере открывания затвора, До начала излучения возбужденный объем частично теряет GBQ)Q энергию в результате релаксации, что видно по характеру кривой E. 35

Наибольшее значение длительности импульса соответствует времени раскрытия каустики и равно примерно 100 мкс.

На фиг.3 показаны осциллограммы импульсов излучения при максимальной эа- 40 держке (100 и более мкс), а на фиг.4 — при минимальной задержке запуска импульса накачки (около 10 мкс), На оси ординат— мощность излучения, на горизонтальной оси — длительность излучения, Как видно 45 постепенное извлечение световой энергии из возбужденного объема позволяет примерно на полтора порядка снизить мощность излучения и повЬ сить длительность импульса, 50

При промежуточных значениях задержки получают соответственно промежуточные значения импульсной мощности и длительности импульса, Спосoá осуществляется следующим об- 55 разом, До начала импульса нci!àчки каустику 5 резонатора, образов",íного зеркалами 1 и 2, полностью пере<рыпэ.от затвором 3. а затем открывают, разводя створки затвора 3 в стороны со скорсстью, при которой время полногб раскрытия каустики 5 меньше времени релаксации возбужденной газовой смеси, т.к. только в этом случае можно обеспечить извлечение энергии иэ наиболее удаленных от оси объемов каустики 5. Скорость раскрытия каустики 5 определяет также максимальную длительность импульса, которая будет равна времени раскрытия каустики 5.

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

Этот диапазон регулирования задержки обозначен О. на фиг.2 и является рабочим диапазоном, выход за пределы которого нецелесообразен. Так, если задержку сделать отрицательной, т.е. осуществить возбуждение смеси ранее начала раскрытия каустики

5, то это приведет к уменьшению энергии и максимальной длительности импульса, как это видно из фиг,2. Увеличение же задержки за пределы диапазона 0 не приведет ни к каким изменениям параметров импульса, твк как накачка будет происходить всегда при полностью раскрытой каустике 5.

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

С точки зрения технологического воздействия регулированием времени задержки тр можно изменять режим излучения 07

"мягкого", необходимого для выполнения таких операций, как термообработка поверхности металла и заглаживание поверхности ранее выполненных сварных швов, до наиболее "жесткого", исг;ользуемого для резки, перфорации отверстий и сварки с глубоким проплавлением.

Пример.

Способ был осуществлен на импульсном ТЕА С02 лазере, в резонатор ко-,срого. 4352 6 был поьяц;ен бысгродействующий затвор обе .-,е ивающ".й рл:крытие каустики шириной 40 мм за 110 мкс. В моноимпульсном режиме исследования производились при неподвижной газовой смеси, в импульсном 5 . режиме — при скорости потока 30 и/с. 3апуск генератора импульсов был синхронизирован с работой затвора, з задержка запуска относительно начала раскрытия затвора осуществлялась регулированием эа- 10 пускающего генератора.

Как видно из фиг,2, наибольшая длительность импульса, примерно, соответстоуег времени полного раскрытия каустики и составляет 100 мкс. Оптимальная (по дли- 15 тельности импульса) задержка составляет около 10 мкс, она соответствует ширине каустики, минимально необходимой по условиям возбуждения генерации, /

Форма излучаемого импульса при ми- 20 нимальной задержке близка к прямоугольной (фиг.4) с небольшим спадом вершины . импульса.

При минимальной задержке импульса возбуждения, равной 110 мкс длительность 25 импульса (фиг.3) соответствует свободному режиму излучения и равна = 5 мкс на полувысоте импульса.

Уменьшение энергии получаемого импульса за счет релаксации составляет при- 30 мерно 50% в данных условиях эксперимента при соотношении компонентов газовой смеси и максимальной длительности импульса

С02 35 — + .-г- - 0,16;

На фиг.3 и 4 видно. что с изменением задержки одновременно изменяются форма импульса и пиковая мощность.

40 каустлку резонатора перекрывают, а затем раскрывают с нулевого значения площади

45 ее поперечного сечения до максимального, при этом время раскрытия каустики выбирают не более времени релаксации возбужденной газовой смеси, а импульсную накачку газовой смеси осуществляют по

50 отношению к началу раскрытия каустики резонатора с задержкой, длительность которой выбирают не более времени полного раскрытия каустики. Формула изобретения

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

Г: о применим для лазеров, скорое . во. о потока которых менее скорости

yes,крытия каустики резонатора, т.к. в противном случае вся или значительная часть возбужденного газа выйдет из каустики до ее полного раскрытия. Предельной скоростью газового потока для лазера сварочного назначения с временем полного раскрытия каустики резонатора 100 мкс и ее,ширине 40

MM может считаться скорость 100 м/с, при которой потеря энергии составляет около

25%.

Использование предложенного способа регулирования параметров импульса, излучаемого газовым лазером, позволяет расширить диапазоны параметров излучения, в частности, расширить диапазон длительности импульса, как например, в рассмотренном случае до 100 мкс, упростить регулирование параметров импульса возбуждения газовой смеси эа счет регулирования задержки импульса возбуждения относительно начала раскрытия каустики резонатора, расширить технологические возможности лазера за счет увеличения диапазона изменяемых параметров, в частности, изменяя длительность импульса в пределах этого диапазона, можно осуществлять на одном и том же оборудовании и одной и той же газовой смеси с помощью оперативного регулирования сварку, резку, термообработку, (56) Патент Ф Р Г N. 2502140, кл, Н 01 $3/097. опубл, 1977.

Жирард А. и др. "TEA СОг — лазер с регулируемой длиной импульса излучения от 50 нс до 50 мкс, (EEE Jcf Quan turn

Elektrontcs QE 10, 1974, с.521.

74352б

Е,яж млс

Р, и8ж кс

Составитель Г.Левин

Редактор А.Колоскова Темред М.Моргентал

Корректор H. Король

/ °

Тираж Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

113035, Москва, Ж-35. Раушская наб., 4/5

Заказ 3348

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101