ВВЕДЕНИЕ * 7
ГЛАВА I. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРВОГО ПРОМЫШЛЕННОГО ОТПАЯННОГО САМОРАЗОГРЕВНОГО ЛАЗЕРНОГО АЭ НА ПАРАХ МЕДИ «КРИСТАЛЛ-1» (ГЛ-201) С МОЩНОСТЬЮ ИЗЛУЧЕНИЯ БОЛЕЕ 10 ВТ 15
1.1. Основа конструкции отпаянного саморазогревного АЭ * 15
• •
1.2. Конструкция, параметры и недостатки первого ЛПМ “Криостат-
1” с отпаянным саморазогревным АЭ ТЛГ-5 ” 17
1.3. Конструкция, параметры и недостатки отпаянного саморазогревного АЭ УЛ-101 22
1.4. Выбор направлений развития промышленных отпаянныхсаморазоревныхАЭ 23
1.5. Конструкция промышленного отпаянного саморазогревного АЭ «Кристалл-1» (ГЛ-201) 24
1.5.1. Основные конструкционные узлы АЭ ГЛ-201 26
1.5.2. Выбор материала и конструкции разрядного канала 26
1.5.3. Генераторы паров меди 31
1.5.3.1. Выбор материала подложки генератора 31
1.5.3.2. Выбор конструкции генератора 34
1.5.4. Конденсоры паров меди 38
1.5.5. Электродные узлы 40
1.5.6. Теплоизолятор 43
1.5.7. Вакуумная оболочка 47
1.5.8. Концевые секции 48
1.5.9. Технология тренировки АЭ 48
1.6. Основные параметры АЭ «Кристалл-1» (ГЛ-201) 49
1.6.1. Зависимость выходных параметров от условий возбуждения и
давления буферного газа 49
1.6.2. Долговечность АЭ 56
1.6.3. Сохраняемость АЭ 66
1.6.4. Конструкция АЭ «Кристалл-1» (ГЛ-201) — основа для создания нового поколения высокоэффективных и долговечных АЭ серии «Кристалл»
(ГЛ-205А,Б,В и Г) 67
Результаты и выводы 67
ГЛАВА 2. ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ НАКАЧКИ, ДАВЛЕНИЯ БУФЕРНОГО ГАЗА И КОНСТРУКЦИИ ГЕНЕРАТОРОВ ПАРОВ МЕДИ НА КПД
И МОЩНОСТЬ ИЗЛУЧЕНИЯ ЛПМ 72
2.1. Сравнительный анализ эффективности накачки высоковольтного импульсного модулятора с разными электрическими схемами исполнения 72
2.2. Исследование характеристик ЛПМ с танталовыми генераторами паров меди от условий накачки и давления буферного газа 81
2.3. Исследование характеристики ЛПМ со свободным расположением меди и с эльканатами состава W-Cu и Mo-Си в качестве генераторов паров меди с эффективной накачкой от давления буферного газа 88
2.4. Исследование характеристик ЛПМ с генераторами паров меди на молибденовой подложке от условий накачки и давления буферного газа... 93
2.4.1. Конструкция генератора меди, влияние водорода на эффективность его работы 93
2.4.2. Результаты исследований с прямой схемой накачки 94
2.4.3. Результаты исследований со схемой емкостного удвоения напряжения и звеном магнитного сжатия импульсов накачки 98
Результаты и выводы 105
ГЛАВА 3. СТРУКТУРА ВЫХОДНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ЛПМ И ЕГО ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ, ВРЕМЕННЫЕ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ 108
3.1. Особенности формирования излучения ЛПМ и цель исследований 108
3.2. Экспериментальные установки, методики и средства измерений 109
3.3. Структура и характеристики излучения ЛПМ в режиме сверхсветимости - без зеркал и с одним зеркалом 112
3.4. Структура и характеристики излучения ЛПМ с плоским и плоско-сферическим резонаторами 114
3.5. Структура и характеристики излучения ЛПМ с HP телескопического типа 119
3.5.1. Многопучковостъ структуры излучения, распределение интенсивности в ближней и дальней зонах. Динамика формирования пучков излучения 120
3.5.2. Зависимость пространственных, временных и энергетических характеристик от увеличения телескопического HP и условий возбуждения 126
3.5.3. Структура и характеристики излучения ЛПМ с телескопическим резонатором с отверстием в центре «глухого» зеркала 132
3.6. Структура и характеристики излучения ЛПМ с одним выпуклым зеркалом 133
3.6.1. Структура излучения. Распределение интенсивности в ближней и дальней зонах 134
3.6.2. Зависимость характеристик пучков излучения от радиуса кривизны выпуклого зеркала и условий возбуждения 136
Результаты и выводы 145
ГЛАВА 4. НОВОЕ ПОКОЛЕНИЕ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОТПАЯННЫХ САМОРАЗОГРЕВНЫХ АЭ НА ПАРАХ
МЕДИ «КРИСТАЛЛ» С МОЩНОСТЬЮ ИЗЛУЧЕНИЯ 30-55 ВТ 148
4.1. Параметры, габаритные и присоединительные размеры, масса, внешний вид, и конструктивные особенности отпаянных АЭ серии«Кристалл» и «Кулон» 148
4.2 Конструкция АЭ «Кристалл» 154
4.3. Влияние водорода на эффективность работы отпаянных АЭ серии «Кристалл» 159
4.4. Зависимость мощности излучения АЭ «Кристалл» от давления буферного газа и ЧПИ 164
4.5. КПД отпаянных АЭ «Кристалл» 166
4.6. Отпаянные АЭ на парах золота. 168
4.7. Сравнительный анализ эффективности отпаянных лазеров с зарубежными аналогами 169
4.8. Годовой выпуск отпаянных АЭ и основные области применения
Результаты и выводы 173
ГЛАВА 5. ЛПМ С ОТПАЯННЫМИ АЭ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В МЕДИЦИНСКИХ
И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ 177
5.1. Одноканальный ЛПМ «Курс» (ЛГИ-202) с мощностью излучения 20-
25 Вт 177
5.2. Двухканальный ЛПМ «Карелия» с мощностью излучения качественного пучка 20-40 Вт 182
5.3. Медицинские установки «Янтарь-2Ф» и «Яхрома-2» 188
5.3.1. Медицинская установка «Янтарь-2 Ф»
5.3.2. Медицинская установка «Яхрома-2» 194
5.4. Возможности излучения ЛПМ для прецизионной [микро]обработки и
j макет АЛТУ “Каравелла" 199
5.4.1. Возможности излучения ЛПМ для прецизионной [микро]обработки материалов 199
5.4.2. Исследования по прецизионной обработке на экспериментальном
образце ЛПМ «Карелия» 202
5.4.3 АЛТУ «Каравелла» 206
6
СТР.
5.4.3.1 Состав и основные параметры АЛТУ “Каравелла ” 206
5.4.3.2. Влияние пространственно-временной и энергетической структуры излучения на параметры прецизионной обработки 211
5.4.3.3. Основные результаты по прецизионной обработке материалов
на АЛТУ «Каравелла» 214
5.4.4. Основные направления и области технологического применения
ЛПМ. 218
Результаты и выводы 221
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 225
ЛИТЕРАТУРА 230
Лазер на парах меди (ЛПМ) с длинами волн излучения 510.6 и 578.2 нм относится к одному из наиболее привлекательных и развивающихся классов газовых лазеров - к лазерам на самоограниченных переходах атомов металлов (ЛПМет). Они работают в импульсном режиме и генерируют на переходах с резонансных на метастабильные уровни. Поэтому их называют еще r-m лазерами или лазерами с r-m переходами. С момента получения первой генерации в ЛПМет прошло уже 36 лет [1]. За это время усилиями целого ряда научных коллективов, прежде всего России (СССР) и США, были установлены основные физические принципы работы и принципы конструирования этих лазеров и основные области их применения. Результаты исследований по ЛПМет опубликованы более чем в 2000 работ и обобщены в [2-10]. В [8,9,10], изданных соответственно в 1996, 1998 и 1999г.г., дан всеобъемлющий материал по ЛПМет. Среди них ЛПМ является самым эффективным источником когерентного излучения. К ЛПМ, из-за широких возможностей применения его в науке, технике и медицине, поддерживается постоянный интерес.
В работах [8-10] основная доля материала посвящена "чистому” ЛПМ и его разновидностям: лазерам на галогенидах меди (CuCl, CuBr и Cul), "гибридным" (с прокачкой смеси НВг, НС1, Вгг или СЬ и Ne) и кинетически "усиленным" (с добавкой Н2 и его соединений). ЛПМ обладает уникальным сочетанием выходных параметров. Уникальность ЛПМ состоит в сочетании высокой частоты повторения импульсов излучения (ЧПИ) (5-30 кГц) с широким диапазоном средней мощности (1-750Вт) при КПД 0.5-2% на относительно коротких волнах (510.6 и 578.2 нм). Его отличает короткая длительность импульсов излучения (10- 50 не) и большие усиления активной среды (десятки и сотни Дб/м), относительно низкая импульсная энергия (0.1-100 мДж) и, наоборот, высокая пиковая мощность (10-1000 кВт). При расходимости пучка излучения близкой к дифракционному пределу и дифракционной, в пятне фокусировки достигаются предельно высокие плотности пиковой мощности - до 109 - 1014 Вт/см2. Использование ЛПМ для накачки нелинейных кристаллов с коэффициентом преобразования 10- 25%, кристаллов сапфира титана и лазера на растворах органических красителей (ЛРК) с КПД 20-30% позволяет полностью перекрыть диапазон длин волн от ближней УФ до ближней ИК-области спектра и, соответственно, расширить функциональные возможности ЛПМ. Таким сочетанием параметров, как у ЛПМ, сегодня не обладает ни один коммерческий лазер [8-10]. ЛПМ широко применяются для накачки перестраиваемых по длинам волн ЛРК в мощных системах по разделению изотопов (AVLIS технология) и получения особо чистых веществ, в спектроскопии, для прецизионной обработки как металлических, так и неметаллических тонколистовых материалов, с удваивающими частоту нелинейными кристаллами для микрообработки материалов УФ-излучением и УФ- фотолитографии, для отжига имплантированных полупроводниковых структур, осаждения и травления пленок, для подводной обработки материалов и высокоскоростной фотографии, в голографии и криминалистике, в активных системах для усиления яркости изображения, в лидарных установках для зондирования атмосферы и морских глубин, в навигационных системах для проводки морских и посадки воздушных судов в условиях ограниченной видимости, для создания цветной телевизионной проекционной системы на больших экранах, для анализа состава воды, создания искусственных опорных звезд, в шоу-индустрии и т.д. [8-26] и медицине - в дерматологии и косметологии, онкологии, в ангиопластике для разрушения атеросклеротических поражений магистральных артерий и т.д. [27-34].
КПД промышленных ЛПМ обычно составляет 0.5-1%, что на порядок больше известного в видимой области спектра непрерывного аргонового лазера (Аг+) с близкой по уровню мощностью. ЛПМ на этот же порядок уступает по КПД мощным инфракрасным СОг-лазерам (А- = 10600 нм), но из-за более коротких длин волн его энергия может быть сфокусирована на площади два порядка меньшей. Поэтому для ряда применений, например, прецизионной обработки материалов, плотности мощности достигаются при относительно небольших по сравнению с СОг-лазерами средних мощностях. Такие металлы как Си, At, Аи, Ag обрабатывать излучением CCh-лазера практически невозможно (коэффициент отражения > 95%).
Расходимость близкого по спектру, мощности и КПД распространенного твердотельного лазера (ТТЛ) на основе иттрий-алюминиевого граната с неодимом (Nd: ИАГ) и удвоением частоты (А, = 1060нм:2=530нм) из-за тепловых искажений в несколько раз больше дифракционного предела. И часто, для достижения эффекта прецизионной обработки,излучение Nd: ИАГ модулируется до частоты повторения импульсов ЛПМ. Эксимерные лазеры имеют более короткие длины волн излучения (X =193; 248; 308; 351 нм).
Лазер на парах меди (ЛПМ) с длинами волн излучения 510.6 и 578.2 нм относится к одному из наиболее привлекательных и развивающихся классов газовых лазеров - к лазерам на самоограниченных переходах атомов металлов (ЛПМет). Они работают в импульсном режиме и генерируют на переходах с резонансных на метастабильные уровни. Поэтому их называют еще r-m лазерами или лазерами с r-m переходами. С момента получения первой генерации в ЛПМет прошло уже 36 лет [1]. За это время усилиями целого ряда научных коллективов, прежде всего России (СССР) и США, были установлены основные физические принципы работы и принципы конструирования этих лазеров и основные области их применения. Результаты исследований по ЛПМет опубликованы более чем в 2000 работ и обобщены в [2-10]. В [8,9,10], изданных соответственно в 1996, 1998 и 1999г.г., дан всеобъемлющий материал по ЛПМет. Среди них ЛПМ является самым эффективным источником когерентного излучения. К ЛПМ, из-за широких возможностей применения его в науке, технике и медицине, поддерживается постоянный интерес.
В работах [8-10] основная доля материала посвящена "чистому” ЛПМ и его разновидностям: лазерам на галогенидах меди (CuCl, CuBr и Cul), "гибридным" (с прокачкой смеси НВг, НС1, Вгг или СЬ и Ne) и кинетически "усиленным" (с добавкой Н2 и его соединений). ЛПМ обладает уникальным сочетанием выходных параметров. Уникальность ЛПМ состоит в сочетании высокой частоты повторения импульсов излучения (ЧПИ) (5-30 кГц) с широким диапазоном средней мощности (1-750Вт) при КПД 0.5-2% на относительно коротких волнах (510.6 и 578.2 нм). Его отличает короткая длительность импульсов излучения (10- 50 не) и большие усиления активной среды (десятки и сотни Дб/м), относительно низкая импульсная энергия (0.1-100 мДж) и, наоборот, высокая пиковая мощность (10-1000 кВт). При расходимости пучка излучения близкой к дифракционному пределу и дифракционной, в пятне фокусировки достигаются предельно высокие плотности пиковой мощности - до 109 - 1014 Вт/см2. Использование ЛПМ для
8
накачки нелинейных кристаллов с коэффициентом преобразования 10- 25%, кристаллов сапфира титана и лазера на растворах органических красителей (ЛРК) с КПД 20-30% позволяет полностью перекрыть диапазон длин волн от ближней УФ до ближней ИК-области спектра и, соответственно, расширить функциональные возможности ЛПМ. Таким сочетанием параметров, как у ЛПМ, сегодня не обладает ни один коммерческий лазер [8-10].
ЛПМ широко применяются для накачки перестраиваемых по длинам волн ЛРК в мощных системах по разделению изотопов (AVLIS технология) и получения особо чистых веществ, в спектроскопии, для прецизионной обработки как металлических, так и неметаллических тонколистовых материалов, с удваивающими частоту нелинейными кристаллами для микрообработки материалов УФ-излучением и УФ- фотолитографии, для отжига имплантированных полупроводниковых структур, осаждения и травления пленок, для подводной обработки материалов и высокоскоростной фотографии, в голографии и криминалистике, в активных системах для усиления яркости изображения, в лидарных установках для зондирования атмосферы и морских глубин, в навигационных системах для проводки морских и посадки воздушных судов в условиях ограниченной видимости, для создания цветной телевизионной проекционной системы на больших экранах, для анализа состава воды, создания искусственных опорных звезд, в шоу-индустрии и т.д. [8-26] и медицине - в дерматологии и косметологии, онкологии, в ангиопластике для разрушения атеросклеротических поражений магистральных артерий и т.д. [27-34].
КПД промышленных ЛПМ обычно составляет 0.5-1%, что на порядок больше известного в видимой области спектра непрерывного аргонового лазера (Аг+) с близкой по уровню мощностью. ЛПМ на этот же порядок уступает по КПД мощным инфракрасным СОг-лазерам (А- = 10600 нм), но из-за более коротких длин волн его энергия может быть сфокусирована на площади два порядка меньшей. Поэтому для ряда применений, например, прецизионной обработки материалов, плотности мощности достигаются при относительно небольших по сравнению с СОг-лазерами средних мощностях. Такие металлы как Си, At, Аи, Ag
9
обрабатывать излучением CCh-лазера практически невозможно (коэффициент отражения > 95%).
Расходимость близкого по спектру, мощности и КПД распространенного твердотельного лазера (ТТЛ) на основе иттрий-алюминиевого граната с неодимом (Nd: ИАГ) и удвоением частоты (А, = 1060нм:2=530нм) из-за тепловых искажений в несколько раз больше дифракционного предела. И часто, для достижения эффекта прецизионной обработки,излучение Nd: ИАГ модулируется до частоты повторения импульсов ЛПМ. Эксимерные лазеры имеют более короткие длины волн излучения (X =193; 248; 308; 351 нм). Это есть их преимущество для применения в микролитографии, обработки полупроводников, офтальмалогии и т.д. Но ЧПИ обычно не более 0.5 кГц, что снижает производительность технологического процесса. Диодные (полупроводниковые) лазеры имеют небольшие размеры и могут выпускаться большими партиями при относительно низких затратах. Большинство диодных лазеров генерирует в ближней ИК- области. Они надежны и долговечны, но выходная мощность излучения ограничена предельными возможностями по теплоотводу. Излучение имеет большую ширину линии. Диодные лазеры бурно развиваются и находят применение практически во всех сферах человеческой деятельности (львиная доля в секторе телекоммуникаций). В 1999 году общемировой объем доходов от продаж всех типов лазеров составил 4.9 млрд.долл., из них на диодные лазеры пришлось 64%, на недиодные - 36% [35]. В 2000 году уже - 8.8 млрд.долл. и соответственно 75% и 25% [36]. Рекламируемые отечественные диодные лазеры, например, типа "Кристалл" имеют мощность 0.01-25 Вт в диапазоне длин волн 632-1 ОбОнм.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
