Лазер на парах меди с однопучковым излучением дифракционного качества и его возможности для микрообработки материалов изделий электронной техники

НАУЧНОЕ ИЗДАНИЕ МГТУ ИМ, Н. Э. БАУМАНА

НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Эл № ФС77 - 48211. ISSN 1994-0408

Лазер на парах меди с однопучковым излучением дифракционного качества и его возможности для микрообработки материалов изделий электронной техники # 08, август 2014

Б01: 10.7463/0814.0720903

Лябин Н. А.1а, Чурсин А. Д.1, Парамонов В. С.1, Клименко В. И.1, Пара1 11 7

монова Г. М. , Колоколов И. С. , Бетина Л. Л. , Григорьянц А. Г. , Ши7 &г

ганов И. Н. , Казарян М. А.

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт имени

П.Н.Лебедева РАН alyabin-npk3@mail. ш

Исследована структура, пространственные, временные и энергетические характеристики излучения импульсного лазера на парах меди (ЛПМ) с оптическими резонаторами, обладающими высокой пространственной селективностью: с неустойчивым резонатором (НР) с двумя выпуклыми зеркалами и телескопическим НР и определены условия формирования однопучкового излучения с дифракционной расходимостью и высокой стабильностью положения оси диаграммы направленности. В ЛПМ и лазерной системе на парах меди (ЛСПМ) с таким качеством излучения с применением промышленных отпаянных активных элементов (АЭ) серий «Кулон» мощностью излучения 10-20 Вт и «Кристалл» мощностью 30-50 Вт плотность пиковой мощности в сфокусированном пятне диаметром 10-20 мкм достигает значений 1011 -1012 Вт/см2, достаточной для эффективной микрообработки любых металлических материалов и большого круга полупроводников и диэлектриков толщиной до 1.. .2 мм. При этом обеспечивается на порядок и более высокая производительность по сравнению с традиционными способами обработки, малые шероховатость поверхности реза (< 1.2 мкм) и зона термического влияния (< 3.5 мкм), нет расслоения и микротрещин металла (молибдена, вольфрама). ЛПМ с телескопическим НР стал основой для создания современных промышленных автоматизированных лазерных технологических установок (АЛТУ) «Каравелла-2» и «Каравелла-2М» для изготовления прецизионных металлических деталей толщиной до 0,3 мм и неметаллических до 0,5 .0,7 мм, ЛПМ с НР с двумя выпуклыми зеркалами - промышленных АЛТУ «Кара-велла-1» и «Каравелла-1М» для изготовления металлических деталей толщиной до 1 мм и неметаллических до 1,5.1,8 мм для ИЭТ.

Введение

Объём выпуска лазерных источников излучения для создания и комплектования современного технологического оборудования непрерывно возрастает. Лазерное технологическое оборудование широко применяется для размерной обработки, раскроя материалов,

сварки, поверхностной обработки, легирования и наплавки, маркировки и гравировки. Особое место занимают лазерные технологии для прецизионной микрообработки, микросверления, микросварки, маркировки и гравировки с высоким разрешением изделий электронной техники (ИЭТ). В качестве источников излучения для этих целей могут эффективно использоваться и уже используются короткоимпульсные, высокочастотные, с малой энергией в импульсе и малым коэффициентом отражения от материала лазеры ближнего инфракрасного, видимого и ультрафиолетового спектра излучения: твердотельные лазеры на основе иттрий-алюминиевого граната с неодимом (Nd:YAG) с X = 1064 нм и дискового иттрий-алюминиевого граната с иттербием (Yb:YAG) с X = 1030 нм с вариантами удвоения частоты; газовые эксимерные и азотные и, в частности, лазеры на парах меди (ЛПМ). ЛПМ и создаваемые на его основе лазерные системы на парах меди (ЛСПМ) относятся к классу газовых лазеров на самоограниченных переходах атомов металлов и генерируют на переходах с резонансных (г) на метастабильные уровни По сравнению с другими лазерами, они остаются на сегодня самыми мощными импульсными источниками когерентного излучения в видимой области спектра (X = 510,6 и 578,2 нм). Кроме того они обладают большим усилением активной среды (к = 10-10 Дб/м) при короткой длительности импульсов (тимп. = 20-40 нс) и малой импульсной энергией (Ж = 0,1-10 мДж) при высоких частотах повторения импульсов (/ = 5-30 кГц) [1-10].

Применение импульсного ЛПМ в технологическом оборудовании для прецизионной микрообработки материалов ИЭТ и в других современных областях (разделение изотопов и получение особо чистых веществ для нужд ядерной энергетики, медицинские технологии, накачка перестраиваемых по длинам волн лазеров на красителях, спектральный анализ состава веществ, локация и навигация, нанотехнология и др.) требует не только точного знания пространственно-временных и энергетических характеристик излучения, но и возможности ЛПМ по формированию пучков излучения с высоким (необходимым) качеством и со стабильными параметрами.

Цель данной работы - создание и исследование импульсного ЛПМ с однопучковым (одномодовым) излучением с дифракционной расходимостью и высокой стабильностью положения оси диаграммы направленности, когда возможно фокусировка пучка излучения в пятно с четкими границами диаметром 5-20 мкм и плотностью пиковой мощности не менее

Ш9...1010 Вт/см2, достаточными для эффективной микрообработки металлических и неметаллических материалов ИЭТ. Поскольку обработка идет преимущественно в испарительном режиме с малого участка (5 -20 мкм), малых значениях импульсной энергии (0,1-1 мДж) и высоких частотах повторения импульсов (5-30 кГц), то достигается и высокое качество реза (минимальные зона термического воздействия (ЗТВ) и шероховатость) и высокая производительность.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

• проведен анализ особенностей формирования многопучковой структуры выходного излучения ЛПМ с наносекундной длительностью импульсов с известными типами оптических резонаторов;

• разработаны экспериментальные установки и методики для исследования характеристик и измерения параметров выходного излучения ЛПМ;

• проведены экспериментальные и теоретические исследования структуры, пространственных, временных и энергетических характеристик излучения ЛПМ с оптическими резонаторами, обладающими высокой пространственной селективностью: с неустойчивым резонатором (НР) с двумя выпуклыми зеркалами и телескопическим НР;

• определены условия формирования в ЛПМ с высокоселективными оптическими резонаторами однопучкового излучения с дифракционной расходимостью и высокой стабильностью положения оси диаграммы направленности;

• применены ЛПМ и ЛСПМ с однопучковым излучением дифракционного качества в составе технологического оборудования типа «Каравелла» для изготовления прецизионных деталей ИЭТ. При лазерной микрообработке достигается высокое качество реза: ЗТВ < 5.10 мкм, шероховатость < 1.3 мкм и на порядок повышается производительность по сравнению с известными традиционными способами обработки, включая и электроэрозионную обработку (ЭЭО).

Одним из главных отличий импульсного ЛПМ от лазеров других типов является сочетание короткого времени существования инверсии населенностей (т = 20-40 нс), соизмеримое со временем пробега излучения в резонаторе (Ь = 0,5-2,0 м), с большим усилением активной среды (к = 10-10 Дб/м). Благодаря высоким усилениям ЛПМ может работать в режиме сверхсветимости: без зеркал или с одним зеркалом, но при этом излучение некогерентное. В режиме работы ЛПМ с оптическим резонатором за время существования инверсии населенностей (т) лазерное излучение успевает пройти в резонаторе лишь несколько раз (Ы = т /(¿/с), где Ь - длина резонатора, с - скорость света) и моды в обычном их понимании, образующиеся в результате сотни проходов, формироваться не успевают. С традиционными плоскопараллельным, плоскосферическим и другими резонаторами расходимость пучка излучения ЛПМ остается на два порядка больше дифракционного (минимального) предела и потому пучок невозможно сфокусировать в малое пятно с высокой ^ 9 2 „ и

плотностью пиковой мощности (> 10 Вт/см ), необходимой для эффективной микрообработки материалов.

Поэтому в данной работе применительно к импульсному ЛПМ проведены исследования структуры, пространственных, временных и энергетическими характеристик излучения с оптическими системами, обладающими высокой пространственной селективностью: НР с двумя выпуклыми зеркалами и телескопическими НР. Телескопический резонатор был впервые применен и исследован в ЛПМ в работах [11-15], в которых было показано, что при больших увеличениях резонатора (сотни крат) формируются пучки с дифракционной расходимостью. Но авторами этих работ не была раскрыта полностью динамика формирования и структура выходного пучка излучения, что оказалось самым важным для практических применений. Несколько позже, но уже другой известной группой исследователей и разработчиков [5, 16-20] было установлено, что выходное излучение ЛПМ телескопический НР имеет многопучковую структуру, каждый пучок в которой в процессе формирования приобретает свои пространственные, временные и энергетические характеристиками. При этом дифракционному пучку всегда предшествуют несколько

пучков с большей расходимостью, причём нестабильности оси диаграммы направленности дифракционного пучка соизмеримы с его расходимостью. В таком виде выходное излучение оказалось просто не пригодным для качественной микрообработки, что не позволяло использовать ЛПМ в технологическом оборудовании. Наша задача состояла в том, чтобы найти условия, при которых в ЛПМ с высокоселективными резонаторами возможно формирование однопучкового излучения дифракционного качества со стабильными параметрами, пригодного для качественной микрообработки материалов.

Экспериментальная установка для исследования характеристик выходного пучка излучения импульсного ЛПМ представлена на рис.1. Исследования ЛПМ проводились с оптическими системами, обладающими высокой пространственной селективностью: с НР с двумя выпуклыми зеркалами (З1-З2) и телескопическим НР (З&1-З&2). В качестве активных элементов (АЭ) в ЛПМ применялись самые «мощные» промышленные отпаянные АЭ из серии «Кулон»: модели ГЛ-206Д со средней мощностью излучения 15 Вт и ГЛ-206И мощностью 20 Вт [5].

Пунктирные линии определяют границы оптического стола ОС, на котором стоит экспериментальная установка

Рис.1.Экспериментальная установка для исследования характеристик выходного излучения импульсного ЛПМ с оптическими системами с высокой пространственной селективностью:

ОС - оптический сотовый стол типа 1НТ10-20-20 с пневмоизоляторами АР-500 и АР-1000, расположенными между столом и четырьмя опорами модели 1ТS065-12-06 (фирмы Standa); 1 - АЭ; 2 - разрядный канал АЭ; Зг- выпуклое зеркало; З1-З2 - НР с двумя выпуклыми зеркалами; З&1-З&2 -телескопический НР; 3 - плоские поворотные зеркала; D1 - диафрагма с отверстием ё = 0,1 мм; D2 - диафрагма пространственного фильтра-коллиматора (ПФК); 4 и 5 - входное и выходное вогнутые зеркала коллиматора ПФК с радиусом кривизны Я = 1,25 м; 6 - светоделительная пластина с коэффициентом отражения р = 4%; 7 - фокусирующее зеркало с радиусом кривизны Я = 15 м; 8 - нейтральный светофильтр; 9 - измеритель мощности излучения (милливольтметр М136 с преобразователем мощности лазерного излучения ТИ-3); 10 - осциллограф цифровой GDS-840S с фотоэлементом ФЭК-14К; 11 - анализатор пучка излучения BeamStar-FX, 12 -водоохлаждаемый теплосъемник; 13 - фторопластовые (герметизирующие) трубки.

На рис.2 представлен внешний вид промышленных отпаянных АЭ «Кулон» модели ГЛ-206Д (15 Вт) и ГЛ-206И (20Вт).

Рис.2. Внешний вид промышленных отпаянных АЭ «Кулон»

Накачка (разогрев и возбуждение) АЭ ЛПМ производилась высоковольтным импульсным ИП с тиратронным модулятором, выполненным по схеме емкостного удвоения напряжения с двумя звеньями магнитного сжатия наносекундных импульсов тока и анодным реактором (рис.3) [5, 21-22]. ИП с данной электрической схемой исполнения модулятора остается на сегодня для ЛПМ самым надежным и эффективным генератором накачки.

Рис.3 .Принципиальная электрическая схема высоковольтного импульсного модулятора ИП:

На рис.4 представлено схематическое изображение АЭ «Кулон» ГЛ-206Д и ГЛ-206И без зеркал. Показаны основные функциональные узлы, габаритные размеры АЭ и его разрядного канала, необходимые для анализа и расчета пространственно-временных характеристик излучения: 10 - расстояние от выходного окна (поз.7) до торца разрядного канала (поз.2); /0-расстояния от выходного окна (поз.7) до активной среды разрядного канал (поз.2); /к - длина разрядного канала (расстояние между электродами (поз.6)); /АС - длина

активной среды (расстояние между конденсорами паров меди (поз.4)). АВ - выходная апертура АЭ, равная внутреннему диаметру Бк разрядного канала, а1 -угол распространения пучка сверхсветимости, сформированного суммарной геометрической апертурой разрядного канала (Ок//к) из усиливающихся спонтанных затравок. В пределах этого угла сосредоточено примерно 95% энергии выходного излучения.

Рис.4. Схематическое изображение АЭ «Кулон» ЛПМ без зеркал:

Геометрические размеры АЭ моделей ГЛ-206Д и ГЛ-206И,необходимые для проведения расчетов расходимости излучения и временных параметров, приведены в табл.1.

Таблица 1. Основные геометрические размеры АЭ моделей ГЛ-206Д и ГЛ-206И

Модель АЭ Геометрические размеры, мм

ГЛ-206Д 770 515 440 692

ГЛ-206И 900 640 565 816

Глухое выпуклое зеркало З1 НР с двумя выпуклыми зеркалами(рис.1) установлено в зачерненную металлическую оправу с конической поверхностью. Выходное зеркало З2 этого резонатора представляет собой просветленную положительную линзу в виде выпукло-вогнутого мениска, на выпуклой поверхности которого нанесено зеркальное пятно диаметром 1.1,5 мм [23]. Фокус линзы зеркала З2 совмещен с фокусом глухого зеркала З1, так что расходящийся пучок НР преобразуется в параллельный (цилиндрический) с минимальной расходимостью и что удобно для практических применений. В первых экспериментах применялось выходное выпуклое зеркало диаметром 1,5 мм, приклеенное на плоскопараллельную просветленную стеклянную пластину (З&2).Угол между оптической осью этого зеркала и пластиной составлял 86°, что устраняло обратную «паразитную» связь от пластины с активной средой АЭ. В этом случае пучок из резонатора выходит расходящимся и для его коллимирования в параллельный пучок требовался дополнительный оптический элемент. В телескопическом НР фокус глухого вогнутого зеркала З&1 совмещен с фокусом выходного выпуклого зеркала З&2, что является основным условием для формирования непосредственно в резонаторе параллельного пучка с плоской волной.

В экспериментальной установке измерение средней мощности излучения производилось с помощью милливольтметра М136 с подключенным к нему преобразователем мощности лазерного излучения ТИ-3 (поз.9), регистрация импульсов излучения - осциллографом типа 0Б8-8408 с фотоэлементом ФЭК-14К (поз.10), исследование распределения интенсивности и измерение диаметра в фокальной плоскости (практически в перетяжке по уровню 1/е ) сфокусированного пучка излучения - анализатором пучка излучения Беаш81аг-БХ (поз.11). Так как считается, что распределение интенсивности в фокальной плоскости(перетяжке) соответствует распределению в дальней зоне (>Б /X, где Б - диаметр пучка, X - длина волны излучения), то для практического определения расходимости^) пучков излучения ЛПМ использовался самый простой метод - метод фокального пятна:

в = % (1)

где - диаметр сфокусированного пучка излучения в фокальной плоскости(в перетяжке), Б- фокусное расстояние фокусирующего оптического элемента. Во всех ниже рассматриваемых случаях расходимость излучения ЛПМ приводилась к диаметру апертуры разрядного канала АЭ (Бк=14 мм). Дифракционная расходимость ЛПМ с Вк=14 мм составляет 0,1 мрад (0дифр.=2,44 Шк).

Важным технологическим параметром при микрообработке импульсным лазерным излучением является плотность пиковой мощности, определяющей качество реза материала и производительность обработки. Плотность пиковой мощности определяется по формуле

р=тЬ (2)

где Ризл - средняя мощность излучения, /- частота повторения импульсов (ЧПИ), т - длительность импульсов излучения по полувысоте, г - радиус сфокусированного пятна излучения. В наших экспериментах рабочая ЧПИ ЛПМ составляла 14-15 кГц, длительность импульсов излучения (по полувысоте) т =10.13 нс.

Исследования ЛПМ в режиме с НР с двумя выпуклыми зеркалами проводились с целью получения однопучкового излучения с дифракционной расходимостью и высокой стабильностью положения оси диаграммы направленности и импульсной энергии. На рис.5 представлена его оптическая схема с указанием геометрических размеров, необходимых для проведения расчетов расходимости и временных параметров импульсов излучения.

Рис.5.Оптическая схема ЛПМ с АЭ «Кулон» в режиме с НР с двумя выпуклыми зеркалами:

■З^и З2 - глухое и выходное зеркала НР с радиусами кривизны Я1 и Я2; Б - диафрагма 0,1 мм; Ь - длина резонатора, 1АЭ - длина АЭ; 1к и Бк- длина и диаметр разрядного канала; 1АС - длина АС; 11 и 11- расстояние от зеркала З1 до АЭ и до АС; 12 и 12 - расстояние от зеркала З2 до АЭ и до АС; 13 - расстояние от зеркала З2 до выходной апертуры АВ разрядного канала; а1 - угол распространения некогерентного пучка сверхсветимости, сформированного суммарной геометрической апертурой разрядного канала; а2 - угол распространения резонаторного (качественного) пучка излучения; I и II - распределение интенсивности пучка сверхсветимости и резонаторного пучка излучения в ближней зоне; ОЭ -коллимирующий или

фокусирующий оптический элемент или система

НР с двумя выпуклыми зеркалами по сравнению с известным телескопическим НР [16-18] и режимом с одним выпуклым зеркалом [19-20] потенциально обладает максимальной пространственной селективностью и, соответственно, возможностью формирования однопучкового излучения с минимальной расходимостью уже за первый проход излучения в резонаторе.

Тщательный анализ ранее опубликованных работ по динамике формирования в импульсном ЛПМ с оптическими резонаторами многопучковой структуры выходного излучения [5, 11-15, 16-20] и проведенных нами исследований и расчетов с НР, позволили установить, что в НР с двумя выпуклыми зеркалами возможно формирование строго однопучкового излучения дифракционного качества (а2 = Ок /1) непосредственно на фоне некогерентного апертурного пучка сверхсветимости ), но при обязательном выполнении трех взаимосвязанных условий.

Это очень важное положение, т.к. оно позволяет начать процесс формирования резо-наторного пучка от выходного зеркала З2. И тогда формирование пучка в резонаторе идет в следующей последовательности: АС^-выходное зеркало З2^АС^глухое зеркало З^АС^-выход (со стороны З2). На начальной стадии часть излучения от апертурного пучка сверхсветимости с зеркалом З2 отражается обратно в АС разрядного

канала. Затем, усилившись в АС, успевает раньше выйти из ближнего к «глухому» зеркалу З1 конца АС, чем успеет дойти до АС отраженная зеркалом З1 часть излучения от того же апертурного пучка сверхсветимости. При этом отраженная от зеркала З1 часть излучения от пучка сверхсветимости с а1 = 2Бк//к не получит преимущественного усиления в АС и затухает. Т.е. практически создаются условия, препятствующие возникновению второго, «паразитного» для нашего случая, пучка с расходимостью близкой к дифракционной.

Для выполнения третьего условия необходимо было установить зависимость расходимости резонаторного пучка (в), формируемого в нем за первый двойной проход излучения, от параметров НР, геометрических размеров апертуры разрядного канала и АЭ. С этой целью необходимо было вывести формулу для расчета расходимости, провести расчеты и экспериментальные исследования при малых радиусах кривизны зеркал. Для этого, на основе законов геометрической оптики, была построена оптическая схема (рис. 6) для определения последовательного перемещения изображения апертуры АЭ в выпуклых зеркалах НР в принятом направлении формирования пучка излучения (см.первое условие) с

указанием геометрических размеров, необходимых для проведения расчетов. Для определения месторасположения изображения и его размеров использовались формулы для выпуклого сферического зеркала

— = (4)

- = Г~ (5)

п I у &

где /- расстояние от предмета до зеркала (на рис. 6 - 1З и /з ); /- расстояние от изображения предмета в зеркале до зеркала (на рис. 6 -/ и/2); И и Н - размер предмета и изображения предмета в зеркале (на рис.6 -АВ, АВ& и А\\В\\, А2В2). АВ=А}В = Бк- диаметр апертуры разрядного канала АЭ.

Рис.6.Оптическая схема последовательного перемещения изображения апертуры АЭ в выпуклых зеркалах

АВ=А&В& - выходные апертуры разрядного канала АЭ; /к- длина разрядного канала АЭ; Ь - длина резонатора; 3! и З2 - глухое и выходное выпуклые зеркала резонатора с радиусом кривизны Я! и Я2; / - расстояние от

зеркала 3! до выходной апертуры А&В&; 132- расстояние от зеркала 32 до выходной апертуры АВ; А!В! -изображение в зеркале 32 выходной апертуры АВ; /2 - расстояние от зеркала 32 до изображения А!В!; 13 -расстояние от зеркала 3! до изображения А!В!; А2В2 - изображение изображения А!В! в зеркале 3ь/ -расстояние от зеркала 3! до изображения А2В2; А^В! - изображение выходной апертуры А&В& в изображении

Полученная формула для расчета расходимости пучка излучения (с учетом дифракционного предела) имеет вид

Вк ■ Я ■ Я 2,44Д

е_-к—1—2-+——, (6)

_ _ Я2 ■ 1.32 / _ /.АЭ + 1 + / г Я ■ 3 Я (Ь + /2)

где / 2 _-, &ч _--+ ч , / _-_-.

д Я + 21Ъ1 32 2 2, 7 1 Я+ 2/3 Я+ 2(Ь + /2)

В табл.2 и 3 представлены результаты расчета расходимости выходного пучка излучения по формуле (6) для ЛПМ с АЭ «Кулон» ГЛ-206Д при разных радиусах кривизны выходного зеркала 32 резонатора- ^2=15; 30; 50; 120 и 250 мм, радиусе кривизны глухого

зеркала З1 Я1 = 30мм и расстояний от глухого З1 и выходного З2 зеркал до АЭ соответственно /1 = 50 и 250 мм и /2 =100 мм (рис.5). Диаметр апертуры АЭ Бк=14 мм. При этих же радиусах зеркал и расстояний до АЭ проводились и экспериментальные исследования.

Таблица 2.Расходимость излучения для ЛПМ с АЭ «Кулон» ГЛ-206Д: /1 = 50мм, /2 =100 мм, /^=740мм,

/ = 692 мм, Ь =920мм

Я2, мм 15 30 50 120 250

Таблица 3. Расходимость излучения для ЛПМ с АЭ «Кулон» ГЛ-206Д: /1 = / = 892 мм, Ь = 1120мм 250мм, /2 = 100мм, = 740мм,

Я2, мм 15 30 50 120 250

В таблицах4 и 5 представлены результаты расчета расходимости ЛПМ с АЭ ГЛ-206И.

Таблица 4.Расходимость излучения для ЛПМ с АЭ «Кулон» ГЛ-206И: /1=50мм, /2=100мм, /3 = 830мм,

/ = 816 мм, Ь = 1050мм

Я2, мм 15 30 50 120 250

Таблица 5. Расходимость излучения для ЛПМ с АЭ «Кулон» ГЛ-206И: = / = 1016 мм, Ь = 1250мм 250мм, /2 = 100 мм, /3 = 830мм,

Я2, мм 15 30 50 120 250

Из анализа табл.2-5 следует, что в ЛПМ с НР с двумя выпуклыми зеркалами, когда радиус кривизны глухого^ (30мм) и выходного Я2 (15; 30 и 50мм) зеркал на 1.2 порядка меньше длины резонатора Ь (920, 1120, 1050 и 1250 мм) значение расходимости пучка, формируемого за первый двойной проход излучения в резонаторе, становится равным дифракционному пределу (вдифр = 0,1х10- рад). Таким образом, расчеты показывают, что применение в ЛПМ высокоселективного НРс двумя выпуклыми зеркалами, по сравнению с известными типами резонаторов, позволяет сформировать пучок дифракционного качества уже за первый двойной проход излучения в резонаторе и непосредственно от некогерентного апертурного пучка сверхсветимости.

В табл.6 и 7 представлены измеренные значения суммарной средней мощности излучения (Р) и мощности в дифракционном пучке (Рдифр) ЛПМ с АЭ «Кулон» ГЛ-206Д при разных значениях радиуса кривизны выходного зеркала З2: = 0; 30; 50 и 120 мм и постоянных радиусе кривизны глухого зеркала З1 R1=30 мм и расстоянии от выходного зеркала 32 до АЭ 12 = 100мм. При R2 = 0, когда режим однозеркальный т.е. отсутствует

выходное зеркало З2, качественный пучок не является строго дифракционным, т.к. его расходимость в 4.. .5 раз больше дифракционного предела.

Таблица 6. Суммарная средняя мощность излучения и мощность в дифракционном пучке ЛПМ с АЭ «Кулон» ГЛ-206Д: расстояние от глухого зеркала З] до АЭ /\\ = 50мм

Я2, мм 0 30 50 120

Р, Вт 2,6 1,4 2,3 1,8

Рдифр., Вт 0,72 0,6 1,0 0,93

Таблица 7. Суммарная средняя мощность излучения и мощность в дифракционном пучке ЛПМ с АЭ «Кулон» ГЛ-206Д: расстояние от глухого зеркала З1 до АЭ /\\ = 250мм

Я2, мм 0 30 50 120

Р, Вт 2,6 1,54 2,4 2,3

Рдифр., Вт 0,66 0,7 1,05 1,08

Как видно из табл.6 и 7, значение средней мощности излучения в дифракционном пучке находится в пределах Рдифр=0,6-1,1 Вт. Мощность при /1=250мм несколько выше, чем при /1 = 50 мм, т.к. условия для бесконкурентного формирования в резонаторе дифракционного пучка ближе к выполнению основного первого условия.

На рис.7 представлены примеры осциллограмм фонового некогерентного первого и дифракционного второго пучков излучения.

й2 = 0 :м ,5 н с

! / ! 2 \\ ч N

/ \\

К 2=3 :м

/ / \\ Ч ч 2

/ У 1 \\.Ч Ч^ч

/ / / /

/ / Г 1

/ 1 У / V. — Ч

*2 = 12 СМ

/ -V \\ / 2

! / / X _____ ____

Рис.7.Осциллограммы импульсов фонового (1) и дифракционного (2) пучков излучения ЛПМ с АЭ «Кулон»

ГЛ-206Д в режимеНР с двумя выпуклыми зеркалами.

Радиус кривизны глухого зеркала Я1 = 30мм, выходного зеркала Я2 = 0; 30; 50 и 120мм, диаметр ограничивающей диафрагмы на глухом зеркале равен Б = 0,1 мм. Расстояние от глухого зеркала до АЭ

/1 = 250 мм

Длительность суммарного импульса излучения по основанию составляет г=25нс. Как видно из осциллограмм, начало импульса дифракционного пучка излучения 2 отстает от фонового пучка сверхсветимости 1 примерно на 4...6 нс, что практически соответствует одному двойному проходу излучения в резонаторе и логике процесса формирования дифракционного пучка в направлении АС^ З2^- АС^ З1 ^АС^ выход (условие 1).

Для расчета расходимости излучения ЛПМ по формуле (1) были проведены экспериментальные исследования по определению минимального диаметра пятна в перетяжке сфокусированного пучка излучения. При этом в лабораторных условиях наблюдались непрерывные хаотические колебания этого пятна излучения, обусловленные нестабильностью положения оси диаграммы направленности пучка, что не позволяло провести точные измерения диаметра пятна. К тому же с таким пятном излучения практически невозможно было производить высококачественную микрообработку материалов. Было установлено, что нестабильности пространственного положения оси диаграммы направленности дифракционного пучка излучения ЛПМ с НР обусловлены высокой чувствительностью элементов и поля резонатора к внешним воздействиям (механическим, тепловым и акустическим) из-за малого размерарабочего участка его выпуклых зеркал (около 100 мкм). Для устранения влияния механических вибраций пола и акустических колебаний на стабильность выходных параметров излучения все элементы оптической системы устанавливались на сотовом оптическом столе типа 1НТ10-20-20 фирмы 81аиёа (рис.1). Кроме того между столом и его четырьмя опорами 1ТБ065-12-06 были установлены пневмоизоляторы АР-1000, а между опорами и полом — резиновые изоляторы.

Для устранения влияния воздушно-тепловых потоков на параметры излучения поле резонатора с АЭ должно быть замкнутым. С этой целью теплонагруженный АЭ «Кулон» устанавливался в цилиндрический водоохлаждаемый теплосъемник, а пространство между зеркалами и теплосъемником герметизировалось изоляторными трубками с внутренним диаметром, большим диаметра пучка излучения. При этом температура водоохлаж-даемого теплосъемника, за счет обратной связи, поддерживалась равной температуре опо

тического стола при постоянной температуре окружающего воздуха (20.21 С).

Дополнительного для фиксации пространственного положения оси диаграммы направленности дифракционного пучка излучения непосредственно перед глухим зеркалом З1 резонатора устанавливалась ограничительная диафрагма (Б на рис.5). При этом размер отверстия диафрагмы соизмерим с дифракционным пятном на зеркале:

Б = 2 . Ш/Бк (7)

где / - расстояние от глухого зеркала З1 до выходной апертуры АЭ. Например, для АЭ «Кулон» ГЛ-206Д при /= 692 мм (табл.2) диаметр диафрагмы, ограничивающий дифракционное пятно на глухом зеркале З1, в соответствии с (7) составляет около 69 мкм, при / = 892 мм (табл.3) - 89 мкм, для АЭ ГЛ-206И при /= 816 мм (табл.4) и /= 1016 мм (табл.5) - соответственно 82 и 102 мкм.

Эти мероприятия привели практически к полному устранению нестабильностей положения оси диаграммы направленности выходного пучка излучения (более чем на два порядка, Д0<0дифр/100), а также импульсной энергии, т.е. были созданы необходимые условия для качественного проведения экспериментальных исследований.

На рис.8 представлен пример распределения интенсивности излучения ЛПМ в режиме с ИР с двумя выпуклыми зеркалами в перетяжке сфокусированного пучка.

горизонтали

Рис.8.Распределение интенсивности излученияЛПМ с АЭ «Кулон» ГЛ-206Д в режиме с НР с двумя выпуклыми зеркалами в перетяжкесфокусированного пучка.

R1 = 30 мм; в качестве выходного зеркала использован положительный мениск с радиусом кривизны выпуклой рабочей поверхности R2 = 70 мм (F = 0,93 м); l1 = 75 мм, l2 = 80 мм, L = 920 мм, диаметр диафрагмы резонатора D1= 0,1 мм; диаметр диафрагмы коллиматора D2 = 0,15 мм; Р.изл. =1,3 Вт

На поле распределения интенсивности в сечении пучка по горизонтали указаны следующие обозначения: W, 2W, FWHM, Correlation, PeakHeight. W - размер перетяжки, оп«-» 2 ределяемой как полуширина профиля по уровню 1/е от максимума интенсивности пучка.

- полная ширина профиля по половинному максимуму интенсивности пучка. Correlation наилучшее корреляционное соответствие между профилем пучка и идеальным гауссовым

пучком. PeakHeight - высота пика пучка Вт/см .

При этом распределение интенсивности излучения имеет очень высокую степень

корреляции с гауссовым пучком - 0,915. Диаметр перетяжки пучка излучения составляет

Средняя мощность излучения в дифракционном пучке была равной Рдифр. = 1,3 Вт. Нестабильности положения оси диаграммы направленности дифракционного пучка, а также импульсной энергии практически не наблюдались, о чем свидетельствовало устойчивое положение на экране сфокусированного пятна.

Из анализа рассмотренных выше экспериментальных и теоретических исследований следует следующий основной вывод. В импульсном ЛПМ в режиме с НР с двумя выпуклыми зеркалами формирование однопучкового излучения с дифракционной расходимо-стьюобеспечивается при обязательном выполнении трех взаимосвязанных условий и радиусах кривизны зеркал Я = 1-10 см. Применение оптического сотового стола с виброга-сящимиопорами,размещение теплонагруженного АЭ в охлаждаемый теплосъемник, герметизация поля НР и поддержание в конструкции экспериментальной установки постоянной температуры позволили избавитьсяотнестабильностейоси диаграммы направленности дифракционного пучка и импульсной энергии. Эти мероприятия существенно повысили качество микрообработки материалов.

В виду того, что в ЛПМ при работе в режиме с НР с двумя выпуклыми зеркалами мощность излучения в дифракционном пучке имеет небольшие значения - 1.1,5 Вт, что составляет примерно 10% от суммарной мощности излучения, то самым его перспективным применением является использование в качестве задающего генератора (ЗГ) в лазерной системе на парах меди (ЛСПМ), работающей по эффективной схеме задающий генератор — пространственный фильтр-коллиматор - усилитель мощности (ЗГ - ПФК - УМ). Конструктивно проще и удобно для пространственного согласования дифракционного пучка ЗГ с апертурой активной среды УМ использованиев НР в качестве выходного зеркала положительного выпукло-вогнутого мениска (рис.1) [23].Средняя мощность излучения и соответственно плотность пиковой мощности дифракционного пучка в ЛСПМ с

применением в качестве УМ промышленных отпаянных АЭ [5] может быть увеличена на

ЛСПМ типа ЗГ - ПФК - УМ с применением в ней в качестве ЗГ импульсного ЛПМ с АЭ «Кулон» ГЛ-206Д и НР с двумя выпуклыми зеркалами, в качестве УМ активного элемента ГЛ-206Д или ГЛ-206И явились основой для создания современных автоматизированных лазерных технологических установок (АЛТУ) типа «Каравелла-1» и «Каравелла-1М» для изготовления прецизионных деталей ИЭТ [5, 24-26].На АЛТУ «Каравелла-1 »мощностью излучения 10-15 Вт производительно обрабатываютсяметаллические материалы толщиной до 0,5 мм и неметаллическиедо 1.1,2 мм, на «Каравелла- 1М» - до 1 мм и до 1,5.1,8 мм соответственно.

Исследования по повышению качества выходного излучения ЛПМ в режиме с телескопическим НР (З&1-З&г) проводились на экспериментальной установке, представленной на рис.1. В качестве АЭ в экспериментах использовался промышленный отпаянный АЭ «Кулон» ГЛ-206И, описанный в разделе 2. Телескопический НР применялся с увеличением М=220. Глухое вогнутое сферическое зеркало З1 имело радиус кривизны поверхности Я1= 2200 мм, выходное выпуклое сферическое зеркало - Я2 = 10 мм, так что длина резонатора (Ь) составляла практически 1000 мм. Динамика формирования и структура выходного излучения ЛПМ сданным НР была раскрыта и подробно исследована в работах [5, 1718] и было установлено, что при увеличениях сотни крат (М=100-300) формируются пучки с дифракционной и близкой к ней расходимостью. При М=100-300 структура выходного излучения четырехпучковая (рис.9) - два пучка сверхсветимости: пучок 1, сформированный суммарной геометрической апертурой разрядного канала АЭ, и пучок 2, сформированный глухим зеркалом З1 и выходной апертурой разрядного АЭ, и два резонаторных пучка 3 и 4.

а б в

Рис.9. Структура, распределение интенсивности в ближней (а) и дальней (б) зонах и осциллограммы импульсов (в) выходного излучения ЛПМ в режиме с телескопическимНР при увеличении М > 100:

Резонаторный пучок 3 формируется за первый двойной проход излучения в резонаторе (2Ь/с=7 нс), пучок 4 - за второй двойной проход и имеет дифракционную расходимость. Так как общая длительность импульсов лазерного излучения составляет ~ 25 нс, то излучение в резонаторе успевает сделать и третий двойной проход. Пучок сформированный за третий проход также дифракционный и усиливает мощность пучка 4. Первый ре-зонаторный пучок 3 отстает от пучка сверхсветимости 2 на время 2Ь/с, на это же время отстают друг от друга и резонаторные пучки.

Расходимость резонаторных пучков с телескопическим НР рассчитывается по формуле

в = -^-+2, 44- , (8)

мпь о & у &

хорошо согласующейся с экспериментальными данными [5]. Она выведена на основе законов геометрической оптики, с учетом дифракционного предела расходимости. Расчетное значение расходимости для первого резонаторного пучка (п= 1) равно 0 = 0,16 мрад, что 1,6 раза больше дифракционного предела - 0дифр. = 0,1 мрад. Для второго и третьего пучков (п = 2 и 3) значение расходимости дифракционное. Поэтому при высокой стабильности положения осей диаграммы направленности этих пучков отделить их друг от друга невозможно ни пространственно, ни во времени и как бы формируется единый дифракционный пучок (пучок 4 на рис.9).

Как видно из рис.9, распределение интенсивности вдальней зоне (б) с НР имеет ступенчатый характер, обусловленный наличием пучка 3 с расходимостью большей дифракционного предела. Излучение с таким распределением для качественной микрообработки материалов непригодно.

а (02= 0,25 мм)

б (Р2= 0,06 мм)

Рис.10. Распределение интенсивности излучения ЛПМ с АЭ «Кулон» ГЛ-206И в режиме с телескопическим НР с увеличением М = 220 (Ш = 2200 мм, R2 = 10 мм) в перетяжке сфокусированного пучка

В наших экспериментах для повышения качества выходного излучения был применен пространственный фильтр-коллиматор (ПФК). Применение ПФК стало возможным благодаря достигнутой в установке высокой стабильности положения оси диаграммы направленности пучка с дифракционной расходимостью. ПФК состоит из двух вогнутых зеркал (4 и 5 на рис.1) с радиусом кривизны Я=1,25 м и диафрагмы D2, расположенной в фокальной плоскости этих зеркал. Для исследования в дальней зоне распределения интенсивности пучка излучения, выделяемого диафрагмой D2, пучок фокусировался зеркалом 7 с радиусом кривизны Я=15 м.

Исследования проводились при разных диаметрах диафрагмы ПФК: D2 = 1, 0,25, 0,1 и 0,06 мм. На рис.10представлены распределения интенсивности для диафрагм с D2=0,25

и 0,06 мм. При D2=0,25 мм (рис.10,а) в основании распределения интенсивности имеются крылья, соответствующиепо размаху расходимости первого резонаторного пучка (пучок 3 с 0 = 0,16 мрад), при D2 = 0,06 мм (рис.10,б) крылья исчезают и данному распределению соответствует излучение с однопучковой структурой.

Расходимость однопучкового излучения (в) рассчитывалась по методу фокального пятна, т.е. по формуле (1). При этом диаметр сечения пучка (ё0) в перетяжке в нашем случае определяли как среднеарифметическое значение двух размеров: размера перетяжки из распределения интенсивности по горизонтали - 2wx и размера по вертикали - 2wy. ( 0 = ( 2 и/х + 2 иу) / 2 ё. То, что ё0 несколько разный по горизонтали и по вертикали обусловлено смещением под небольшим углом оптических осей зеркал коллиматора (4 и 5) и фокусирующего зеркала (7) относительно падающего на них исследуемого пучка излучения. На рис. 10,б размер по горизонтали 2wx = 0,593 мм, по вертикали 2wy = 0,538 мм, тогда ё0 = (0,593 мм+0,538 мм)/2 = 0,556 мм, что соответствует расходимости пучка в = 0,556 мм/7500 мм = 0,074 мрад, т.е. дифракционному пределу (вдифр = 0,1 мрад).

При уменьшении диаметра диафрагмы П2 в ПФК с 1 до 0,06 мм средняя мощность пучка излучения, выделяемого диафрагмой, снизилась с 9,3 до 4,7 Вт (рис.11).

Ризп, Вт 10 О 0,25 0,5 0,75 1 Б , мм

Рис.11.Зависимость средней мощности излучения (Ризл) ЛПМ с АЭ «Кулон» ГЛ-206И в режиме с телескопическим НР с увеличением М = 220 от диаметра диафрагмы (Б2) ПФК

При диаметрах диафрагмы ПФК Б2 = 1,0 и 0,25 мм резонаторные пучки 3 и 4 через эти отверстия проходят полностью и имеют суммарную среднюю мощность излучения 910 Вт. При П2 = 0,06мм выделяется строго дифракционная составляющая, так как этому диаметру соответствует минимальный размер перетяжки дифракционного пучка, сфокусированного входным зеркалом (поз.4) ПФК

. При этом, как видно из распределения интенсивности на рис.10б, корреляция с гауссовым пучком высокая (0,93), что практически свидетельствует о совпадении угловой и энергетической расходимостей.

Средняя мощность излучения дифракционного пучка составляла 5-6 Вт, что достаточно для производительной и качественной микрообработки металлических материалов

толщиной до 0,3 мм и неметаллических до 0,5-0,7 мм. Эта оптическая система внедрена в разработанные АЛТУ «Каравелла-2» и «Каравелла-2М» на базе импульсного ЛПМ с отпаянным АЭ ГЛ-206И для изготовления прецизионных деталей приборов СВЧ-техники и других ИЭТ [5, 24-26].

Промышленные АЛТУ «Каравелла» созданы на базе импульсных ЛСПМ (см. раздел 3), работающей по эффективной схеме ЗГ- ПФК - УМ, и ЛПМ (см. раздел 4), работающего по схеме ЗГ - ПФК, с однопучковым излучением дифракционного качества, современных прецизионных координатных столов ХУ и Ъ с точностью позиционирования по осям ±2 мкм и сотовых оптических столов с пневмоизоляторами. Разработаны четыре модели АЛТУ «Каравелла»: «Каравелла-1» и «Каравелла- 1М» (рис.12) на базе ЛСПМ мощностью 10-15 Вт и 20-25 Вт и горизонтального стола ХУ с рабочим полем 150*150 мм, Каравелла-2» и «Каравелла-2М» (рис.13) на базе ЛПМ мощностью 5-8 Вт и горизонтального стола ХУ с рабочим полем 100*100 и 200*200 мм.

Рис.12. АЛТУ «Каравелла-1» и «Каравелла- 1М»

Рис.13. АЛТУ «Каравелла-2» и «Каравелла-2М»

В настоящее время на АЛТУ «Каравелла», в обеспечении НИОКР, единичных, мелкосерийных и серийных поставок приборов СВЧ-техники и других ИЭТ, во ФГУП «НПП «Исток» изготавливаются десятки и сотни типов плоских и объемных прецизионных металлических деталей простой и сложной конфигураций со скоростью обработки 0,55 мм/с: диафрагмы, сетки, диски, чашки, аноды, электроды, планки, экраны, контакты, лепестки, измерительные зонды и т. д. толщиной 0,1-1 мм, а также производится раскрой различных припоев толщиной 20-50 мкм со скоростью до 15 мм/сек. С максимальной производительностью (5-15 мм/с) вырезаются диски, окна и ЧИПы из искусственного поликристаллического алмаза, сапфира и кремния толщиной до 1,5.1,8 мм и осуществляется формирование объемных изображений в прозрачных средах типа стекло и кварц [24 -26]. По сравнению с традиционными способами обработки, включая и электроэрозионную обработку (ЭЭО), изготовление прецизионных деталей на АЛТУ «Каравелла» сокращается на порядок и более. При этом точность изготовления деталей находится в пределах допусков 4-10 мкм. Следует подчеркнуть, что качество лазерноймикрообработки по сравнению с ЭЭО значительно выше - меньше шероховатость и зона термического воздействия и не происходит расслоения материала. Это обусловлено более высокой «чувствительностью» ЭЭО к неоднородностям и дефектам материала. Оптимальные параметры обработки и время изготовления прецизионных деталей определяются требованиями рабочего чертежа.

На рис.14 представлены изображения фрагментов лазерного реза образцов из меди марки МВ толщиной 0,1 мм в режиме работы на обеих длинах волн излучения - 510,6 и 578,2 нм и на одной желтой линии - 578,2 нм (Яобъек= 100 мм); на рис.15 - изображения отверстий, изготовленных методом прямой прошивки на образцах из нержавеющей стали толщиной 50 мкм. Анализ лазерного реза медных и молибденовых пластин толщиной от 0,05 до 0,5 мм при увеличении микроскопа 500.1000 крат показал, что ЗТВ незначительна и структура материала в зоне отстающей от границы реза более чем 3.5 мкм, заметным изменениям не подвержена [27]. Шероховатость поверхности реза - < 1.2 мкм, микроотверстий - < 1 мкм.

А = 510,6 и,578,2 нм, Ризл = 5,4 Вт, А = 578,2 нм, Ризл = 1,6 Вт,

V = 2 мм/с, п = 6 V = 2 мм/с, п = 12

Рис.14. Изображения фрагментов лазерного реза образцов из меди на обеих длинах волн(слева) и на одной желтой линии (справа); толщина t = 0,1 мм, Е = 100 мм, увеличение х500

¿/отв= 3,18 МКМ ¿/отв = 15,5 МКМ й&отв = 19 мкм

Увеличение х3000 Увеличение х1000 Увеличение х1000

Рис.15.Изображения отверстий в образцах из нержавеющей стали толщиной 50 мкм (на просвет) На рис.16 представлены примеры прецизионных деталей для приборов СВЧ-техники, изготовленных на промышленных АЛТУ «Каравелла-2» и «Каравелла-2М». В этих технологических установках с использованием объективов с ^объек= 100 и 150 мм диаметр сфокусированного дифракционного пучка излучения составляет 12.14 и 17.20 мкм, плотность пиковой мощности р = (0,5-3)*10 Вт/см при средней мощности излучения 2-6 Вт. При этом эффективно обрабатываются металлические материалы толщиной до 0,3 мм.

Рациональный раскрой припоя марок ПСр72В, ПСрМИн63, ПСрМПд65, ПСрМПд68, ПЗлМ35В, МВ На эскизе раскрой 5-ти типов припоев размером от 20х23 до 1,3х3 мм

Режим обработки: РИзл= 2,2-2,5 Вт

^объектива = 100 мм

Кб>= 4,0 мм/с п = 1

Контактные площадки для приемо-передающих модулей АФАР. Чистка поверхности керамики 22ХС размером 15,1*30,8 мм

Режим обработки:

Ризл= 2,5 Вт

^объектива = 200 мм

Кобр= 6 мм/с п = 1

Резка сапфировой подложки толщиной 0,3 мм на ЧИПы.

Режим обработки:

Ризл= 2,5 Вт

^объектива = 70 мм

Кобр= 5,0 мм/с

Размер ЧИПа: 5х1,47 мм.

-нар _ 3,5_ °,( D = 0 4+

-^отв

Ф 0°,°2

Сетка из молибдена МЧ толщиной 0,16 мм

Режим обработки:

РИзл= 2,5 Вт

^объектива =100 мм

Кобр= 3 мм/с п= 16

Пластины из керамики 22ХС толщиной 0,9 мм

Режим обработки:

Ризл= 5-5,5 Вт ^объектива =150 мм Кобр= 2,0 мм/с

п= 135-150

CONTRACT Ji P/73S402122820 CONSIGNEE: Hinigfir^ tf Овймае ашй Arcrad Forces O^fori of iiw lolnb Republic ivf Ire. Iran. Tshran SHIPPER: Federal Sîate Unitary ЕиУафсее „ROSOBORONEXPORT

Aifpsrt of tteetinstian: Tetart

Case №>.: /10

Gran/Net weight; 4.6/2.M kg

Disnenaiona/Volurmt: 42 rmi 25 era 15 am/D.OIB emlb na

Трафарет для маркировки упаковок. Медь МВ толщиной 0,2 мм

Режим обработки: Ризл= 4,5-5 Вт

^объектива =150 мм

Кобр= 3 мм/с п= 8

Marking:

обработки материала, п - число проходов

В табл.8 представлены параметры для плоской диафрагмы с 12 отверстиями и трех объёмных деталей: прямоугольной конфигурации с осевой щелью, сферической сетки с кольцевыми пазами, цилиндрического стакана с 600 пазами. Плоская диафрагма толщиной 0,45 мм изготовлена на АЛТУ «Каравелла-1».

Таблица 8. Режимы обработки и время изготовления прецизионной деталей из молибдена

Параметры обработки

Толщина, мм

Средняя мощность излучения, Вт

Фокусное расстояние объектива, мм 150 150 100 100

Скорость обработки, мм/с 3,5 1,5 1,3 5,0

Число проходов 22 11 7 8

Время изготовления, мин 45 7,5 25 150

На АЛТУ «Каравелла-1» производительно обрабатываются металлические материалы толщиной до 0,5 мм. На АЛТУ «Каравелла- 1М», являющейся на сегодня самой мощной (20-25 Вт) из всех технологических установок, с высокой эффективностью и качеством обрабатываются более толстые материалы: металлические (как тугоплавкие, так и теплопроводные) толщиной 0,6-1 мм, диэлектрики и полупроводники, как например, кремний и искусственный поликристаллический алмаз толщиной до 1,5.1,8 мм. На рис. 17 показаны увеличенные фрагменты плоских деталей из молибдена, вольфрама и меди практически с идеальными цилиндрическими стенками, достигаемыми за счет применения в АЛТУ «Каравелла- 1М» более длиннофокусных объективов (Р = 200 и 250 мм) и высокой стабильности положения оси диаграммы направленности дифракционного пучка излучения.

Рис.17. Примеры изображений фрагментов плоских деталей толщиной 0,6-1 мм, изготовленных на самой

мощной АЛТУ «Каравелла- 1М» (Ризл. = 20-25 Вт)

Заключение

В заключении приводим основные выводы по результатам проведенных в рамках данной работы экспериментальных и теоретических исследованийимпульсного ЛПМ.

Условия для данных исследований достигнуты за счет применения в установке комплекса конструкторско-технических решений: использования в качестве несущей всех элементов и узлов массивного сотового оптического стола с пневмоизоляторами, размещения теплонагруженного АЭ ЛПМ в водоохлаждаемомтеплосъемнике с термодатчиком обратной связи, герметизации пространства между зеркалами НР и установления ограничительной диафрагмы перед глухим зеркалом НР. Эти мероприятия обеспечили высокую стабильность положения оси диаграммы направленности излучения и импульсной энергии.

Основные выводы, сделанные в настоящей работе по результатам исследований ЛПМ, справедливы и для других импульсных лазеров, обладающих короткой длительностью существования инверсии населенностей.

Список литературы

l. Лазеры на самоограниченных переходах атомов металлов - 2. В 2 т. T.1 / ВМ. Батенин, A.M. Бойченко, В.В. Бучанов [и др.]; Под ред. ВМ. Батенина. M.: ФИЗMATЛИT, 2009. 544 с.

S. Лазеры на самоограниченных переходах атомов металлов - 2. В 2 т. T. 2 / ВМ. Батенин, ПА. Бохан, A.M. Бойченко [и др.]; Под ред. ВМ. Батенина. M.: ФИЗMATЛИT, 2009. б1б с.

SCIENTIFIC PERIODICAL OF THE BAUMAN MSTU

SCIENCE and EDUCATION

EL № FS77 - 48211. ISSN 1994-0408

Copper Vapor Laser with One-Beam Radiation of Diffraction Quality and Its Capabilities for Microprocessing of Materials for Electronic Engineering Products # 08, August 2014

DOI: 10.7463/0814.0720903

N.A. Lyabin1, A.D. Chursin1, V.S. Paramonov1, V.I. Klimenko1, G.M.1

Paramonova , I.S. Kolokolov , L.L. Betina , A.G. Grigor&yanc , I.N. Shiganov , M.A. Kazaryan

Bauman Moscow State Technical University, Moscow, 105005, Russia P.N. Lebedev Physical Institute of the Russian Academy of Sciences, 119991, Moscow,

alyabin-npk3@mail. ru

The structure, spatial, time and energy characteristics of copper vapor laser radiation (CVL) with optical resonators possessing high spatial selectivity have been investigated: with an unstable resonator (UR) with two convex mirrors and telescopic UR, and the conditions to form one-beam radiation with diffraction divergence and high stability of directivity pattern axis have been defined.

The most weighty and prospective application of CVL with UR with two convex mirrors is to use it as a driving oscillator (DO) in a copper vapor laser system (CVLS) of the type: driving oscillator - power amplifier (DO - PA) when diffraction beam radiating power and power density in a focused spot of 10-20 |im in diameter increases by 1-2 orders. Using industrial sealed-off

active elements (AE) of "Kulon" series with an average radiation power of 15-25 W as PAs the

peak power density increases up to 1011 W/cm2 while an application of AE "Crystal" with 3012 2

CVL with a telescopic UR with an average power of 5-6 W diffraction radiation beam has become the basis for creating industrial ALTI "Karavella-2" and "Karavella-2M" to manufacture

precision parts of electronic engineering products (EEP) of metal up to 0.3 mm thick and of non-metal up to 0.5 - 0.7 mm thick.

Practical work on all types of ALTI "Karavella" has shown a set of significant advantages of a laser way of pulsed microprocessing over the traditional ones, including electro-erosion machining: a wide range of structural metal and non-metal materials to be processed; the decrease of a number of operations and transitions by several times; the material saving when manufacturing and cutting the work piece from a sheet; high productivity of manufacturing parts of both simple and complicated configuration (by one order and higher); effective processing in air atmosphere (without blowing up technological gas); high precision of manufacturing parts with tolerances within 4-10 |im; small roughness of the cut surface (< 1.2 |im); small area of thermal influence (< 3.5 |im); the lack of lamination and metal micro-cracks (molybdenum, tungsten); high yield ratio (up to 100%); low labour-intensity of manufacturing and versatility of production tools.

The main conclusions drawn in the given paper regarding the results of CVL investigations are also true for other pulsed lasers having a short period of population inversion existence.

References

Elektronnaia tekhnika. Ser. 1. SVCh-tekhnika = Electronic engineering. Ser. 1. Microwave engineering, 2003, iss. 2 (482), pp. 17-35. (in Russian).