Способ регулирования параметров импульсов генерации газового лазера

РЕТ ПИСАН К АВТОРСКОМУ ИДЕП"ЛЬСЧ сони советоихСОЦИАЛНСТИЧКСЗИХ РЕСБУБЛИКгосудАРственнок пАтентнок13 домстВО сссР (ГоспАткнт ссщ(64) СООСОБ РОУЛИРОВАНИЯ ПАРАМЕПфОВИМПУЛЬСОВ ГЕНЕРАЦИИ ГАЗОВОГО ЛАЗЕРИзобретение относится к квантовойэлектроника, в частности, к способам регулирования параметров импульсов, излучаемых электрораэрядным газовым лазером иможет быть использовано в импульсных 5СОг лазерах, применяемых для сварки, резки и термообработки,Возможность применения импульсных,в частйости ТсА С 02 лазеров, для технологических целей резки, сварки) зависит в 10первую очередь от реализации режима, прикотором длительность импульса излучениядостаточно велика и составляет десяткимкс, а максимальная мощность незначительно превышает среднюю. 15Известен способ регулирования длитз льности и мощности импульса излученияза счет смещения оси резонатора вниз попотоку газа относительно разрядной эоны.При импульсном возбуждении длительность импульса излучения и его мощностьбудут зависеть от скорости потека газа, и,следовательно, могут регулироваться в определенных пределах.Недостатком этого способа являетсянеобходимость в весьма высокой скоростипрокачки газа, которая для длительностиимпульса, например, 100 мкс, и ширине каустики однопроходного резонатора 50 ммсоставляет 500 м/с, что требует сложного и З 0энергоемкого оборудования для транспортировки газа и применения специальной геометрии газового контура;Другим недостатком способа являетсяневозможность оперативного регулирования параметров излучения, особенно в сторону меньших значений длительностиимпульса.Известен способ регулирования параметров импульсов генерации, излучаемых 40газовым лазером путем изменения соотношения компонентов рабочей газовой смеси,прокачиваемой со скоростью менее 100м/сек перпендикулярно к оси каустики резонатора и направлению импульсного разряда накачки.При этом способе длительность импульсов излучения, его орму и максимальнуюмощность изменяют путам изменения соотСОг 50ношенияв газовой смеси, содер 1.2+ Мгкащей также гелий и водород,Недо татком этого способа являетсянес 1 абильность оптических характеристикСОг 55резонатора при малых значениях722 + Йгюсоотвеьтствующих большей длительностиимпульса, необходимой для те, аологического режжа аэботы лазера; эта незстабильность 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 значенияхСОготношенияг+ Лг; невозможность оперативного регулирования параметров излучения; невысокое максимальное значение длительности импульса излучения при приемяемем значении ОтношенияСазиз 2 ч езз уменьшении анарим, 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. Такое 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 же оборудовании, с помощьо оперативного регулирования сваоку, резку. терм. Обработку, 743526На фиг,1 показанасхема реализацииспособа, где обозначены зеркала резонатора 1,2, затвор 3, часть каустики 4 резонатора, в которой существует световое поле приданном раскрытии затвора 3, каустика (контур) 5 резонатора, возбужденный объем 6газовой смеси.На фиг,2 для одной иэ рабочих смесейгазов показаны графики изменения энергиии длительности импульса излучения и зависимости от задержки импульса накачки поотношению к началу раскрытия каустики резонатора, где:Е - энергия импульса,т, - время задержки, 15ги - длительность импульса, излучаемого лазером,О - рабочий диапазон регулированиявремени задержки.Как видно иэ графика (фиг.2), длительность импульса и энергия излучения остаются постоянными и равными своимноминальным величинам, как при отсутствии затвора, так и когда импульс накачкизадерживается более 100 мкс по отношению к началу раскрытия затвора, т.е. когданакачка происходит при полном раскрытиизатвора. Па мере уменьшения времени задержки. длительность импульса увеличивается, т,к, накачка происходит при частично 30закрытой каустике, объем которой начинаетизлучать цо мере открывания затвора, Доначала излучения возбужденный объем частично теряет сваю энергию в результате релаксацил, что видно по характеру кривой Е. 35Наибольшее значение длительности импульса соответствует времени раскрытиякаустики и равно примерно 100 мкс.На фиг,3 показаны осциллограммы импульсов излучения при максимальной эадержке (100 и более мкс), а на фиг.4 - примлнимальной задержке запуска импульсанакачки (акало 10 мкс), На оси ардинат -мощность излучения, на горизонтальнойаси - длительность излучения, Как видно 45постепенное извлечение световой энергиииз возбужденного объема позволяет примерно на полтора порядка снизить мощность излучения и повЬсить длительностьимпульса, 50При промежуточных значениях задержкл получают соответственна промежуточные значения импульсной мощности идлительности импульса,Способ осуществляется следуащим образом,Да начала лмпульса акдчки каустику 5резонатора, обрадованного зеркалами 1 и 2,полностью перекряпэ.ат затворам 3. д 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.е. с 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 зд пределы которого нецелесообразен. Так, если задержку сделать отрицательной, т.е. осуществить возбуждение смеси ранее начала раскрытия каустики 5, то это прлведет к уменьшению энергии и максимальной длительности импульса, как это видно из фиг,2. Увеличение же задержки за пределы диапазона О не приведет ни к каким измевениям параметров импульса, так 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 величины, определяемой временем релаксации газовой смеси и скоростью раскрытия каустикл резонатора, до млнимальной, 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 Т можно изменять режим излучения от "мягкого", необходимого для выполнения таких операций, как термообрабатка поверхности металла и заглаживание поверхности ранее выполненных сварных швов, до наиболее "жесткого", исг;ользуемага для резки, перфорации отверстий и сварки с глубоким поаплавлением.Пример.Способ был осуществлен на импульсном ТЕА С 02 лдзере, в резонатор ка-,араго,43526 был помец;ен быстродействую:ий ээтзоробе,пе ивэющ"й рэскрьтие кэустики шириной 40 мм за 110 мкс, В моноимпульсномрежиме исследования производились принеподвижной газовой смеси, в импульсном 5. режиме - при скорости потока 30 и/с. Запуск генератора импульсов был синхронизирован с работой затвора, э задержказапуска относительно начала раскрытия затвора осуществлялась регулированием эапускающего генератора.Как видно из фиг,2, наибольшая длительность импульса, примерно, соответствует времени полного раскрытия каустики исоставляет 100 мкс. Оптимальная (по длительности импульса) задержка составляетоколо 10 мкс, она соответствует ширине каустики, минимально необходимой по условиям возбуждения генерации,ГфФорма излучаемого импульса при минимальной задержке близка к прямоугольной (фиг,4) с небольшим спадом вершиныимпульса,При минимальной задержке импульсавозбуждения, равной 110 мкс длительность 25импульса (фиг.3) соответствует свободномурежиму излучения и равна = 5 мкс на полувысоте импульса.Уменьшение энергии получаемого импульса за счет релаксации составляет примерно 50 О в данных условияхэксперимента при соотношении компонентов газовой смеси и максимальной длительности импульсаСО 2 35- +- -0,16;На фиг.З и 4 видно, что с изменениемзадержки одновременно изменяются форма импульса и пиковая мощность. 40 каустику 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 каустикирезонатора с задержкой, длительность которой выбирают не более времени полного раскрытия каустики. Формула изобретения СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ИМПУЛЬСОВ ГЕНЕРАЦИИ ГАЗОВОГО ЛАЗЕРА. включающий прокачку потока рабочей газовой смеси перпендикулярно оси каустики резонатора и направлению импульсного разряда накачки, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона регулирования параметров импульсов генерации и упрощения способа. до начала импульса разряда накачки Г: с применим для лазеров, скорое.свого потока которых менесскорости ,.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 лээера сварочного назначения с временем полного раскрытия каустики резонатора 100 мкс и ее,ширине 40 мм может считаться скорость 100 м/с, при которой потеря энергии составляет около 25;ь,Использование предложенного способа регулирования параметров импульса, излучаемого газовым лазером, позволяет расширить диапазоны параметров излучения, в частности, оасширить 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 ФРГ М 2502140, кл, Н 01 33/097. опубл, 1977.Жирард А. и др, "ТЕА С 02 - лазер с регулируемой длиной импульса излучения от 50 нс до 50 мкс, ЕЕЕ Лс 1 Ооап сигп Е 1 ектгоп 1 сэ ОЕ 10, 1974, с,521,