ЛТУ на основе газовых лазеров с конвективным охлаждением

(быстропроточные лазеры- БПЛ).

Применение конвективного охлаждения рабочей газовой смеси газоразрядных лазеров позволило почти 3 порядка повысить удельный объемный энергосъем [в Вт/ ]. Численные значения этого параметра рассматривались в первой части курса.

В настоящее время промышленность выпускает БПЛ двух разновидностей : лазеры непрерывного излучения с накачкой посредством самостоятельного электрического (тлеющего) разряда и лазеры непрерывно-импульсно периодического излучения, в которых для накачки используются несамостоятельный или наличии внешнего ионизатора (электрический пучок) или при воздействии коротких импульсов высокого напряжения. Лазеры последней разновидности иначе называют еще электроионизационным. Основные технические характеристики БПЛ обеих разновидностей приведены в табл.2.4. и табл.2.5. эти лазеры позволяют выполнять практически все лазерные технологические операции и могут применяться в различных отраслях промышленности. Из числа существующих моделей, только одна модель ИЛГИ имеет специализированное применение. Этот лазер предназначен для электронной промышленности и используются для изготовления компонентов радиоэлектроники. БПЛ непрерывного излучения: ЛАТУС, ЛОК-2, ЛТ-5, «Спектра – физикс», «Хебр». Электоионизационные БПЛ: ИЛГИ, ЛАНТАН, УЛ-2, ДД-300. Это лазеры кроме ЛАНТАН наряду с импульсно-периодическим режимом работы имеет режим непрерывного излучения.

Излучатели.

В БПЛ, которые имеют накачку с помощью самостоятельного разряда, применяют две конструкции газоразрядной камеры. Первая – ТРК с поперечным (по отношению к направлению излучения и газового потока) разрядом и с секционированием электродов. Последовательно с каждой секцией включается индивидуальные балластные резисторы. Вторая – ГРК с продольным разрядом как с секционированием, так и без секционирования электродов. Первая конструкция ГРК применена в лазерах типа ТЛ-5, ЛОК-2, «Спектра-физикс», «Хебр». Вторая конструкция в лазере типа ЛАТУС. В лазерах с поперечным разрядом применяется различная степень секционирования электродов. При частом секционировании можно повысить однородность разряда, увеличить давление рабочей газовой смеси (например, до 30 мм. рт. ст. – ТЛ-5). Это позволяет увеличить удельный объемный энергосъем и мощность лазера. При малой степени секционирования необходимо снижать давление рабочей газовой смеси до 10-15 мм. рт. ст. и применять газовые смеси с высоким содержанием He для обеспечения однородности разряда и накачки. Это делается в лазерах ЛОК-5, «Хебр», «Спектра-физикс». Высокая концентрация He позволяет снизить необходимую для охлаждения скорость движения газовой смеси, т. к. не имеет высокую теплоемкость и теплопроводность.

В электроионизационных лазерах применяют в настоящее время ГРК двух типов: ГРК со сплошными электродами и с предионизацией ультрафиолетовым излучением от вспомогательных импульсных разрядов. (ИЛГИ, УЛ-2, ДД); ГРК - с продольным (по отношению к газовому потоку) разрядом и с предионизацией поперечным и импульсным разрядом.(ЛАНТАН).

получить излучение с λ=10.6 мкм. В лазерах с накачкой самостоятельным разрядом давление смеси не превышает 30 мм рт ст. В злектроионизационных лазерах за счет применения незавершенного или несамостоятельного разряда, давление может быть существенно повышено и достигает 760 мм рт ст. (начиная с 80 мм рт ст). Это позволяет повысить удельные энергетические характеристики ГРК(БПЛ). Газовая смесь при работе лазера с большой скоростью (до 120 м/с) по замкнутому контуру. Он включает в себя ГКР, компрессоры для прокачки газовой смеси, теплообменник , средства для вакуумирования полости контура и систему обеспечения и поддержания состава газовой смеси. Конткр должен иметь высокое качество вакуумных уплотнений, а для изготовления его элементов должны выделятся газы при пониженных давлениях и в вакууме.

Система для газообмена обеспечивает откачку полости газовоздушного контура, напуск свежей рабочей смеси, поддержания ее состава, давления и влажности. Как правило, все это выполняется автоматически.

Система охлаждения – является составной частью газовоздушного контура. Она обеспечивает охлаждение и термостабилизацию зеркал оптического резонатора, а также охлаждение теплообменника, электродов ГРК, балластных резисторов. Охлаждение – водяное.

Оптический резонатор . Площадь поперечного сечения ГРК БПЛ, как правило, значительно превышает поперечное сечение пучка. Поэтому для максимального использования объема ГРК при получении лазерного излучения оптические резонаторы выполняются многопроходными, путем применения поворотных зеркал – отражателей. В БПЛ применяются как устойчивые , так и неустойчивые резонаторы. Первые применяются в установках ЛАТУС, «Спектра-Физикс», «Хебр», ИЛГИ, ЛАНТАН, УЛ-2 и и содержит одно вогнутое зеркало полного отражения и одно полупрозрачное зеркало. Между ними установлены зеркала-отражатели. В БПЛ моделей ЛОК-2, ТЛ-5 применены неустойчивые резонаторы, составленные из двух зеркал полного отражения: одного выгнутого и одного выпуклого. Между ними располагаются зеркала – отражатели.

Источники питания : В качестве источников питания лазеров непрерывного излучения используются источники высокого постоянного напряжения. Они содержат регулятор напряжения (обычно трансформаторный) повышающий в/в трехфазный трансформатор ; на вход которого подается регулируемое напряжение (от регулятора). На выходе в/в трансформатора включен 3-х фазный полупроводниковый выпрямитель. С выхода выпрямителя напряжение через балластные резисторы прикладывается к электродам ГРК. Перспективное направление – применение тиристорных преобразователей частоты в сочетании с блоком в/в трансформаторов повышенной частоты. Это позволяет уменьшить размеры ИП, отказаться от балластных резисторов и повысить КПД.

В качестве источников питания электроионизационных лазеров используются импульсные источники высокого напряжения на базе емкостных накопителей энергии, либо импульсные источники совместно с источниками постоянного напряжения(ЛАНТАН)

Источники питания снабжаются системой формирования вспомогательного импульса напряжения для зажигания заряда.

Технологический пост

Применяются в основном 3 схемы технологического поста:

1. Подвижная оптика (зеркала) луч и неподвижное объекта обработки на столе спутнике.

2. Подвижная оптика вдоль одной координаты и подвижный координатный стол вдоль другой координаты.

3. Неподвижная оптика (луч) и подвижный координатный стол. В конструкции технологического поста применяется высокочастотный эл. привод с ЧПУ, а также робототехника.

Система автоматического управления

Микропроцессорной системой управления снабжаются лазерные установки типа «Спектра-физикс», ТЛ-5, УЛ-2. Эта система контролирует и поддерживает на заданном уровне параметры установки, а также управляет работой ЛТУ.

КПД излучателя газовых лазеров может быть выражен такой же формулой, как и в случае твердотельных лазеров

(2.31)

Однако следует принять

- эффективность передачи,

- изл. эффективности,

- эффективность поглощения (части энергии в а.е. , которая переводит в возбужденное состояние ~90% - несамостоятельных разрядов. 40-70% самостоятельных)

=i_св . выход накачки – (не все возбужденные молекулы оказываются на метастабильном уровне) ~40-70%

- коэффициент использования о.е.

С учетом приведенного выше , реальное значение для СО₂ лазеров.

=0.1-0.3