WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


На правах рукописи

Солохин Сергей Александрович

УПРАВЛЕНИЕ РЕЖИМАМИ МОДУЛЯЦИИ ДОБРОТНОСТИ И СИНХРОНИЗАЦИИ МОД КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ НЕОДИМОВЫХ ЛАЗЕРОВ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЛАЗЕРНОГО АБЛИРОВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ

Специальность 01.04.21 – Лазерная физика А В Т О Р Е Ф Е Р А Т диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте общей физики им. А.М.Прохорова РАН и Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ковровская государственная технологическая академия им. В.А.Дегтярева» Научные руководители:

доктор физико-математических наук ГАРНОВ Сергей Владимирович Институт общей физики им. А.М.Прохорова РАН, заведующий отделом доктор технических наук, профессор ФЕДИН Александр Викторович Ковровская государственная технологическая академия им. В.А.Дегтярева, заведующий кафедрой

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук ЦВЕТКОВ Владимир Борисович Институт общей физики им. А.М.Прохорова РАН, заведующий лабораторией доктор физико-математических наук, профессор АРАКЕЛЯН Сергей Мартиросович Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых, заведующий кафедрой

Ведущая организация: Федеральное казенное предприятие «Государственный лазерный полигон «Радуга», г. Радужный

Защита состоится « 12 » ноября 2012 г. в « 15 » часов на заседании диссертационного совета Д.002.063.03 при Институте общей физики им. А.М. Прохорова РАН по адресу: 119991, ГСП-1, Москва, ул. Вавилова, д.38, корп.1, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института общей физики им. А.М.Прохорова РАН

Автореферат разослан « ___ » октября 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д.002.063.кандидат физико-математических наук /Т.Б. Воляк/

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ



Актуальность темы Стремительное развитие в последние десятилетия лазерной физики и современных лазерных технологий тесно связано с созданием мощных высокоэффективных лазерных систем. Впечатляющие успехи, достигнутые в этих областях, обусловлены развитием физики твердотельных лазеров. Появление новых лазерных материалов, использование узкополосных полупроводниковых систем накачки, совершенствование конструктивной элементной базы – все это позволяет сегодня создавать исключительно компактные системы с параметрами излучения, приближающимися к предельно возможным фундаментальным значениям.

Широкое распространение среди рабочих сред твердотельных лазеров получили неодимсодержащие активные кристаллы. Благодаря сравнительно низкой стоимости, отработанной технологии производства, а также хорошему сочетанию спектральнолюминесцентных характеристик и эксплуатационных показателей они занимают лидирующие позиции в общей доле твердотельных активных сред современных источников мощного когерентного излучения.

Уникальные характеристики излучения твердотельных лазеров обусловливают их многочисленные применения в самых различных областях, начиная с фундаментальной науки и заканчивая техническим приборостроением. Сегодня можно говорить о лазерном приборостроении и лазерных технологиях как о самостоятельных областях техники. Кроме того, глобальные тенденции к миниатюризации продукции дали развитие отдельному техническому направлению – лазерному микромашинингу.

Современные твердотельные лазеры и устройства на их основе широко применяются в оптоэлектронике, медицине, химии, биотехнологиях, экомониторинге и ряде других научно-технических отраслей. Впечатляющие успехи достигнуты и при их технологическом использовании. Исключительно высокая концентрация энергии при фокусировании пучков ультракоротких импульсов позволяет проводить обработку материалов с прецизионной точностью, обеспечивая рекордные значения технологических параметров.

Однако широкое разнообразие областей применения твердотельных лазеров, появление новых материалов и повышение технологических требований к их обработке требуют постоянного функционального совершенствования оптических квантовых генераторов. Важной перспективой современного развития твердотельных лазеров является реализация различных, в том числе, специфических режимов генерации (например, комбинированные режимы модуляции и одновременной синхронизации мод, автомодуляционный режим и др.). Весьма важным оказывается поиск методов и технических решений по управлению параметрами лазерной генерации, в том числе, с использованием новых лазерных материалов, обеспечивающих возможность пассивного управления процессами генерации.

Детальное развитие этих вопросов и последующий комплексный анализ полученных результатов позволит не только повысить технико-технологическую эффективность работы твердотельных лазеров, но и, в перспективе, способствовать лучшему пониманию физических процессов взаимодействия мощного когерентного излучения с веществом.

Таким образом, исследование и разработка высокоэффективных твердотельных неодимсодержащих лазеров, расширение их функциональных возможностей и методов управления их режимами генерации представляет актуальную современную задачу, имеющую важную научную и практическую значимость.

Целью диссертационной работы является совершенствование методов управления режимами модуляции добротности и синхронизации мод кристаллических неодимовых лазеров для повышения эффективности лазерного аблирования глубоких каналов в металлах, их сплавах и керамиках.

Для достижения поставленных целей в работе решались следующие задачи:

– разрабатывался метод адаптированного управления пассивной модуляцией добротности многопетлевого Nd:YAG-лазера с дифракционно связанным резонатором с помощью градиентно окрашенного кристалла LiF:F2–;

– для различных видов твердотельных лазеров исследовался режим генерации наносекундных цугов пикосекундных импульсов с использованием методов пассивной сихронизации мод с помощью полимерных пленок с одностенными углеродными нанотрубками и тонких пластин из арсенида галлия GaAs;

– разрабатывались методы управления параметрами генерации высокоэффективных твердотельных лазерных систем с использованием поперечной диодной системы накачки активной рабочей среды;

– исследовался комбинированный режим генерации Nd:YAG-лазера с поперечной диодной накачкой активной рабочей среды с одновременной активной модуляцией добротности и синхронизацией мод;

– проводились исследования практической эффективности способа лазерного аблирования глубоких каналов с помощью наносекундных цугов пикосекундных импульсов, следующих с высокой частотой в металлах, их сплавах и керамиках;

– проводились комплексные исследования по адаптированному динамическому регулированию процессов лазерного аблирования глубоких каналов в различных тугоплавких и сверхтвердых материалах.

Научная новизна исследований, выполненных в диссертационной работе, состоит в том, что в них впервые:

– предложен и реализован режим генерации комбинированных импульсов (наносекундных цугов пикосекундных импульсов) в лазерах на неодимовых кристаллах Nd:GdVO4, Nd:Y0,9Gd0,1VO4 и Nd:YAG с ламповой и диодной системой накачки активной среды с использованием пассивных пленочных затворов с одностенными углеродными нанотрубками (ОУН);

– предложен и реализован режим модуляции добротности дифракционно связанного резонатора Nd:YAG-лазера с динамически регулируемыми параметрами импульсно-периодической генерации с использованием пассивного лазерного затвора на кристалле LiF:F2– с градиентной окраской;

– разработан эффективный метод лазерного аблирования металлов, их сплавов и керамик комбинированными импульсами Nd:YAG лазера с одновременной модуляцией добротности и активной синхронизацией мод;

– установлены закономерности лазерного воздействия на металлы и сплавы (сталь 9ХС, алюминиевый сплав В95) и труднообрабатываемые керамики (SiC и Al2O3) при динамически управляемых параметрах пассивной модуляции добротности Nd:YAG-лазера, позволившие реализовать эффективный метод адаптированного лазерного аблирования каналов рекордного аспектного отношения и глубины.

Практическая ценность работы:

– экспериментально получен закон адаптированной подстройки параметров генерации многопетлевого Nd:YAG-лазера с дифракционно связанным резонатором при управлении режимом модуляции добротности с помощью пассивного лазерного затвора на основе градиентно окрашенного кристалла LiF:F2–, позволивший провести лазерную абляцию в керамике Al2O3 каналов рекордного аспектного отношения (более 100) и глубины (до 27 мм);

– предложен и экспериментально реализован метод плазменной «расчистки» аблируемого канала, позволяющий проводить коррекцию геометрической формы глубоких каналов;

– в сравнении с режимом модулированной добротности продемонстрирована технологическая эффективность комбинированного режима генерации Nd:YAGлазера, обеспечивающего генерацию наносекундных цугов пикосекундных импульсов, позволяющих при воздействии на исследуемые материалы (сталь 9ХС, алюминиевый сплав В95, керамики SiC и Al2O3) в 1,3-2,5 раза увеличить глубину лазерного аблирования и в 1,3 раза снизить интенсивность излучения, требуемую для начала процесса разрушения мишени.

Защищаемые положения:

1. Режим динамического управления пассивной модуляцией добротности многопетлевого Nd:YAG-лазера с дифракционно связанным резонатором с помощью градиентно окрашенного кристалла LiF:F2– позволяет реализовать метод адаптированного лазерного аблирования и плазменной «расчистки» аблируемых каналов рекордного аспектного отношения и глубины.





2. Пассивные лазерные затворы на основе полимерных пленок с одностенными углеродными нанотрубками позволяют реализовать режим генерации наносекундных цугов пикосекундных импульсов в лазерах на неодимовых кристаллах Nd:GdVO4, Nd:Y0,9Gd0,1VO4 и Nd:YAG с ламповой и диодной системой накачки активной среды на длинах волн 1,06 и 1,34 мкм.

3. Способ лазерного аблирования материалов с помощью комбинированных импульсов (наносекундных цугов пикосекундных импульсов) позволяет увеличить глубину лазерного воздействия и снизить уровень интенсивности излучения, требуемой для начала процесса разрушения материала мишени.

4. Реализация режима одновременной активной модуляции добротности и синхронизации мод обеспечивает стабильную генерацию наносекундных цугов пикосекундных импульсов Nd:YAG-лазера с поперечной диодной накачкой активной среды.

Апробация работы Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях, симпозиумах и совещаниях с опубликованием в соответствующих тезисах и трудах: Международная конференция «International Conference on Lasers, Applications, and Technologies (LAT-2007)», Minsk, Belarus, 28 May-1 June 2007;

Международная конференция «Fundamentals of Laser Assisted Micro- and Nanotechnologies» (FLAMN-07) St. Peterburg, Russia, 25-28 June 2007;

Межрегиональная научная конференция «Фундаментальная наука – Центральной России», г. Тамбов, Россия, 17-19 октября 2007 г.; Вторая всероссийская школа для студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов по лазерной физике и лазерным технологиям, г. Саров, Россия, 22-25 апреля, 2008 г.; Международная конференция «Laser Optics 2008 (LO-08)», St. Peterburg, Russia, 23–28 June 2008;

Международная конференция «X Conference on Laser Optics», St. Peterburg, Russia, 26– 30 June 2008; Международная конференция «Advanced Laser Technologies (ALT2008)», Siofok, Hunhgury, 13-18 September 2008; Молодежная школа-семинар:

«Современные нанотехнологии и нанофотоника для науки и производства», г. Владимир, 2008 г.; Третья (22-25 сентября 2010 г.) и Четвертая (28 сентября – октября 2011 г.) Всероссийская конференция молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России», г. Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана; ежегодные научно-технические конференции ФГБОУ ВПО «Ковровская государственная технологическая академия им. В.А. Дегтярева»; семинары отдела колебаний Института общей физики им. А.М. Прохорова РАН.

Результаты работы отмечены наградами различного уровня: Почетная грамота победителя программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» («УМНИК»), 2007 г; Диплом победителя областного конкурса грантов молодых ученых на проведение научных исследований по приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники Владимирской области, Владимир, 2007 г.;

Медали и почетные грамоты Союза машиностроителей России за лучшие научные работы в 2010 г. и в 2011 г. по направлению «Машиностроительные технологии» на Третьей и Четвертой Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России», г. Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Публикации Основные результаты опубликованы в 18 печатных работах отечественных и зарубежных изданий, в том числе 5 в изданиях, рекомендованных ВАК.

Личный вклад автора Представленные в диссертации результаты получены автором лично или с соавторами при его непосредственном участии.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа изложена на 117 страницах машинописного текста, содержит 31 рисунок, 2 таблицы и 1 приложение. Список литературы включает в себя 138 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи работы, ее научная новизна, практическая ценность и защищаемые положения.

В первой главе представлен литературный обзор по основным перспективным направлениям развития современных твердотельных лазеров. Отмечается, что на данном этапе основные тенденции развития лазерных систем обусловлены, во-первых, совершенствованием конструктивной элементной базы лазеров и схем их возбуждения, а, во-вторых, – расширением их функциональных возможностей.

Последнее тесно связано с разработкой и реализацией новых специфических режимов генерации, часто позволяющих достигнуть существенного увеличения функциональных показателей лазерной системы.

Во второй главе рассмотрены вопросы реализации адаптированной лазерной абляции материалов. Анализируется повышение функциональной эффективности лазерной абляции при управлении рабочими режимами генерации твердотельных лазеров.

В первом разделе главы изложен метод адаптированного управления параметрами многоимпульсного наносекундного лазерного излучения в процессе лазерного аблирования сверхглубокого канала. Его основная идея заключается в компенсации падения интенсивности фокусируемого излучения по мере его заглубления на величину z за счет изменения режима модуляции добротности лазера так, чтобы величина заглубления под действием каждого импульса сохраняла свое начальное (наибольшее) значение h0. В этом случае глубина лазерного воздействия должна расти быстрее по закону H = h0N, где N – число аблирующих лазерных импульсов, и сможет превысить предельную глубину абляции H > Hсr, определяемую свойствами данного материала и параметрами излучения лазера. Отмечается, что режим управляемой модуляции добротности должен позволить не только повысить эффективность процесса абляции материалов, но и увеличить глубину лазерного воздействия более Hсr, причем пределом на ее увеличение является не порог лазерной абляции материала, а порог приповерхностной плазменной экранировки для воздействующего излучения.

Приведена оптимальная диаграмма управления процессом лазерного аблирования материалов, согласно которой в процессе лазерного воздействия превышение интенсивности лазерного излучения над порогом абляции для излучения на входе в канал должно изменяться как:

h0 N in i0(z) = i0 ( )2, 1+ zR in где i0 – превышение интенсивности лазерного излучения над порогом абляции на in поверхности мишени в начальный момент времени; h0 = i0 a – заглубление in канала в начальный момент времени; а – температуропроводность материала; – in начальная длительность импульса; zR – релеевская длина сфокусированного лазерного пучка; N – номер лазерного импульса.

На рис. 1 представлены результаты компьютерного расчета роста глубокого канала Н в стали (а = 0,15 см2/с) в зависимости от числа лазерных импульсов при длительности импульсов = 70 нс, длине перетяжки лазерного пучка zR = 13 мм и превышении над порогом абляции i0 = 3,0.

Продемонстрировано, что при отсутствии управления режимом генерации лазера рост глубины лазерного воздействия (сплошная линия) останавливается на значении H = Hcr = zR i0 -1, что соответствует критическому числу лазерных импульсов Ncr Hcr / h = (zR / h0 ) i0 -1 arctan i0 -1, где h0 и h – начальная и усредненная величина заглубления под действием каждого импульса соответственно.

Показано, что оптимальное управление процессом лазерного аблирования до глубины канала H = Hcr требует меньшего числа лазерных импульсов N0 = Hcr / h0 < NCr (штриховая линия), т.к. каждый импульс удаляет материал на большую глубину h0 > h.

Установлена оптимальная диаграмма управления параметрами лазерной генерации в режиме пассивной модуляции добротности с импульсно-периодической накачкой в зависимости от времени обработки:

in in i0(t) = i0 [1+ a (i0 nFt zR )2], in где n – усредненное число лазерных импульсов в цуге; F – частота повторения цугов импульсов лазерного излучения, равная частоте повторения импульсов накачки.

Рис. 1. Результат расчета роста глубины Н отверстия в стали при = 70 нс, zR = 13 мм и i0 = 3.0 (сплошная линия), а также линейная аппроксимация роста глубины отверстия до НCr (штрихпунктирная линия) по закону H h N при отсутствии управления обработкой и линейный рост глубины отверстия H = h0 N (пунктирная линия) в режиме оптимального управления параметрами лазерного излучения Показано, что проведенный в работе численный расчет роста глубины лазерного воздействия от времени аблирования материала при i0 = 1,5; 2; 3 и 4 для F = 30 Гц согласуется с полученными ранее экспериментальными зависимостями при обработке стали Р18 Nd:YAG-лазером с F = 30 Гц и фокусировкой излучения объективом с f = 10 см, что соответствует использованному в расчетах значению zR = 13 мм.

Во втором разделе главы представлены результаты по повышению эффективности лазерного аблирования материалов в режиме одновременной модуляции добротности лазера и синхронизации его продольных мод.

На рис. 2 показан комбинированный лазерный импульс (наносекундный цуг пикосекундных импульсов), получаемый в режиме одновременной модуляции добротности и синхронизации продольных мод твердотельного лазера. Интенсивность пикосекундных импульсов в таком режиме генерации значительно превышает интенсивность наносекундных импульсов в отсутствие синхронизации мод, что обеспечивает повышение эффективности лазерной абляции.

Отмечено, что комбинированный режим работы лазера позволяет объединить достоинства двух генерационных режимов – модуляции добротности и синхронизации продольных мод, что обеспечивает временное перераспределение суммарной энергии наносекундного цуга с уменьшением длительности его отдельных пичков и позволяет увеличить пиковую мощность последних без относительного изменения средней энергии цуга в целом.

профиль гигантского пикосекундные моноимпульса пички Рис. 2. Комбинированный лазерный импульс (наносекундный цуг пикосекундных импульсов) В разделе представлен сравнительный анализ по лазерному аблированию материалов в режиме моноимпульсного воздействия – условно «длинным» 1 и «коротким» 2 импульсами, и в режиме многоимпульсной лазерной обработки – наносекундным и комбинированным (наносекундным цугом пикосекундных импульсов) импульсами с одинаковой длительностью огибающих. Показано, что при одинаковой плотности энергии U, обработка более «короткими» лазерными моноимпульсами позволяет увеличить предельную глубину лазерного воздействия в i1 K -1 i1 -1 раз, где К = 1/2; i1 – превышение интенсивности лазерного импульса над порогом абляции под действием условно «длинного» импульса.

Режим многоимпульсного аблирования материалов рассмотрен для двух основных случаев: проявление или отсутствие эффекта взаимного влияния импульсов.

В первом случае, благодаря малому (наносекундному) периоду повторения импульсов, зона лазерного воздействия остается в нагретом состоянии до прихода следующего пикосекундного импульса. При этом сам процесс лазерного воздействия становится подобным случаю облучения материала эквивалентными лазерными импульсами с длительностью 2 Npp (Np – число пикосекундных импульсов в цуге; p – длительность пикосекундного импульса). В этих условиях наносекундный импульс оказывается более длительным, чем эквивалентный, и задача по сравнению многоимпульсной абляции принимает решение аналогичное процессу моноимпульсного лазерного воздействия на материал условно «длинным» и «коротким» импульсами с конечным увеличением предельной глубины аблирования в i1 K -1 i1 -1 раз.

Во втором случае – отсутствии взаимного влияния пикосекундных импульсов – система успевает возвратиться в свое исходное состояние к приходу последующих лазерных импульсов. При этом происходит увеличение предельной глубины лазерного воздействия в i1 K / NP -1 i1 -1 раз (при выполнении условия: K NP >1). Это реализуется при K > Np или = NP < TP, где Tp – период повторения пикосекундных 2 P импульсов, т.е. пикосекундные импульсы должны быть достаточно короткими и/или их период повторения достаточно большим.

Таким образом, отмечено, что лазерное аблирование материалов наносекундными цугами пикосекундных импульсов, получаемыми, в режиме одновременной модуляции добротности лазера и синхронизации его продольных мод, оказывается более эффективным, чем воздействие отдельных наносекундных моноимпульсов, генерируемых в режиме модуляции добротности.

В третьей главе диссертации представлено исследование режимов генерации, оптических схем и физических принципов работы, используемых в работе нано- и пикосекундных твердотельных лазеров.

В первом разделе главы описывается наносекундный многопетлевой Nd:YAGлазер с самообращением волнового фронта (само-ОВФ) на решетках усиления в активной среде, пассивной модуляцией добротности и специально оптимизированными для его технологического применения параметрами генерации.

Оптическая схема само-ОВФ-лазера представлена на рис. 3.

Nd:YAG Nd:YAG LiF:F2- Рис. 3. Оптическая схема многопетлевого Nd:YAG-лазера с само-ОВФ на решетках усиления в активной среде Излучатель лазера состоит из двух квантронов К-301В с эллиптическими зеркальными отражателями, активными элементами размером 6,3х100 мм и криптоновыми лампами накачки КДНП-6/90. Блок питания 13 ГДН позволяет изменять частоту повторения импульсов накачки от 1 до 30 Гц. Длительность импульсов накачки – 200 мкс.

Пассивная модуляция добротности Nd:YAG-лазера осуществляется кристаллом LiF:F2– с переменным начальным пропусканием (от 36 % до 70 %). Управление его величиной происходит при линейном сканировании кристалла перпендикулярно оптической оси резонатора лазера, что позволяет плавно и в широких пределах управлять энергетическими и временными параметрами излучения (энергией импульсов, их длительностью и числом импульсов в цуге). Самокомпенсация внутрирезонаторных искажений волнового фронта при само-ОВФ обеспечивает генерацию мощного импульсно-периодического излучения высокого оптического качества.

Во втором разделе главы описываются схемы пикосекундных неодимовых твердотельных лазеров с ламповой и диодной накачкой. Рассматриваются способы практической реализации режима генерации комбинированных импульсов (наносекундных цугов пикосекундных импульсов) с использованием новых перспективных наноматериалов.

Так, в работе впервые продемонстрирована возможность использования пленочных композитных материалов, содержащих одностенные углеродные нанотрубки (ОУН) в качестве пассивных быстронасыщающихся затворов твердотельных лазеров ближнего ИК диапазона, для генерации наносекундных цугов пикосекундных импульсов.

Приведены результаты экспериментов, полученные с использованием кристаллов ванадатов гадолиния Nd:Y0,9Gd0,1VO4 и Nd:GdVO4 (450,5 мм и 550,5 мм) с 0,5%-ной концентрацией ионов Nd3+. Показано, что вносимая внутрь резонатора лазера пленка с ОУН обеспечивает эффективный режим пассивной синхронизации продольных мод с генерацией коротких пикосекундных импульсов длительностью ~30 пс для обоих активных кристаллов Nd:Y0,9Gd0,1VO4 и Nd:GdVO4 на длине волны =1,34 мкм.

Описана разработанная V-образная оптическая схема резонатора Nd:YAGлазера с боковой диодной накачкой активного элемента, реализованная на базе блока Northrop Grumman RD40-1C2, позволившая устранить проблемы нестабильной генерации схем с ламповой накачкой активной среды и получить режим пассивной синхронизации мод с генерацией пикосекундных импульсов (~50 пс) в диапазоне частот накачки от 2 Гц до 1 кГц на длине волны =1,06 мкм, при уровне средней энергии в пичке ~ 70 мкДж.

Также в этом разделе представлены результаты по исследованию возможности использования тонких полупроводниковых пластин из арсенида галия (GaAs) в качестве эффективных пассивных синхронизаторов мод. На их основе были реализованы экспериментальные схемы неодимовых лазеров с ламповой и диодной системой накачки, позволившие получить режим стабильной генерации цугов пикосекундных импульсов. Измеренные с помощью электроннооптической камеры «Агат» СФ-1 длительности импульсов составили несколько сотен пикосекунд при среднем уровне выходной мощности до 300 мВт.

В конце главы приведено описание лазерной системы, созданной для проведения экспериментов по лазерной абляции материалов. Оптическая схема лазера представляла собой линейный однопроходный резонатор, в котором в качестве излучателя использовался блок RD40-1C2 фирмы Northrop Grumman Corp., USA с активным элементом Nd:YAG (4х116 мм). Блок питания eDrive™ Nitro обеспечивал уровень накачки до 1400 Вт. Длительность импульсов накачки составляла 200 мкс.

Активная модуляция добротности и синхронизация мод Nd:YAG-лазера осуществлялась с помощью акустооптических модуляторов МЛ-301 и МЛ-202. В данной схеме была получена стабильная генерация цугов пикосекундных импульсов с пиковой мощностью отдельных пичков до 3,5 МВт. При этом генерируемые наносекундные цуги (~65 нс), содержали около 14 отдельных пикосекундных импульсов длительностью ~200 пс. Средняя мощность выходного излучения составила 6,5 Вт на частоте генерации 1 кГц. Высокие энергетические показатели и стабильность работы позволили использовать разработанный Nd:YAG-лазер для проведения дальнейших исследований по абляции различных металлических и керамических материалов.

Четвертая глава посвящена практической апробации и исследованию эффективности использования реализованных режимов адаптированной и комбинированной генерации (одновременной активной модуляции добротности и синхронизации мод) кристаллических неодимовых лазеров для лазерного аблирования металлов, их сплавов и керамик.

В первом разделе главы представлены результаты экспериментальных исследований по использованию режима адаптированного динамического управления пассивной модуляцией добротности многопетлевого Nd:YAG-лазера с дифракционно связанным резонатором для аблирования глубоких каналов в труднообрабатываемых керамических материалах (Al2O3, AlN и SiC). Для керамики Al2O3 реализована экспериментальная методика определения оптимальной диаграммы управления параметрами модулированного лазерного излучения. Ее суть заключается в проведении предварительных исследований зависимости глубины воздействия лазерного излучения от длительности протекания процесса абляции материала при различных фиксированных наборах параметров излучения, определяемых величиной оптического пропускания используемого пассивного лазерного затвора (градиентно окрашенный кристалл LiF2–).

Анализ полученных зависимостей позволил установить, что для каждого участка по глубине аблируемого канала существует свой фиксированный набор параметров излучения (энергия, длительность и пиковая мощность импульсов, период их следования в цуге), определяющих наибольшую эффективность протекания процесса лазерного воздействия. В качестве критерия эффективности выступает время, определяющее скорость протекания процесса формирования канала заданной глубины.

Таким образом, реализация динамической, адаптированной к реально протекающему процессу, подстройки параметров излучения лазера с помощью управления режимом модуляции добротности, позволяет организовать высокую эффективность лазерного воздействия на всех этапах взаимодействия мощного лазерного излучения с веществом.

Использование на практике данного режима – адаптированного динамического регулирования пассивной модуляции добротности многопетлевого Nd:YAG-лазера с дифракционно связанным резонатором при помощи сканирования оптического пропускания кристалла LiF2– в диапазоне T0 = 55–70 % – позволило снизить экранирующее действие приповерхностной плазмы, компенсировать падение плотности мощности и энергии на дне глубокого канала, связанное с процессом расфокусировки пучка, и провести абляцию в труднообрабатываемой корундовой керамике Al2O3 сверглубоких каналов (до 27 мм) с рекордным аспектным отношением (более 100).

Для корректировки пространственно-геометрической формы глубоких каналов был усовершенствован способ адаптированной динамической подстройки параметров излучения петлевого Nd:YAG-лазера. Для этого в уже сформированном глубоком канале с помощью сканирования пассивного лазерного затвора специально реализовывались условия, обеспечивающие инициирование лазерно-индуцированной плазмы. Дальнейшее управление оптическим пропусканием кристалла LiF:F2– позволяло обеспечить перемещение плазменного факела вдоль оси канала и обеспечить коррекцию его геометрической формы. На практике предложенный метод плазменной «расчистки» канала позволяет осуществлять формирование глубоких каналов (в проведенных исследованиях до 9 мм) с высокой степенью цилиндричности, обеспечивая равенство значений входного и выходного диаметров.

Во втором разделе главы демонстрируется технологическая эффективность реализации комбинированного режима работы Nd:YAG-лазера с генерацией наносекундных цугов пикосекундных импульсов – комбинированных импульсов – в килогерцовом диапазоне частот генерации (1–4,5 кГц).

Ожидаемый положительный результат использования комбинированных импульсов основывается на увеличении интенсивности воздействующего излучения в результате резкого возрастания пиковой мощности коротких пикосекундных пичков, генерируемых лазером в режиме синхронизации продольных мод.

Представлены экспериментальные результаты сравнительного анализа лазерного аблирования металлов, сплавов и керамик наносекундными и комбинированными импульсами одномодового Nd:YAG-лазера с поперечной диодной накачкой активной среды на частоте лазерной генерации импульсов 1 кГц. Показано, что, по сравнению с воздействием на материалы наносекундных моноимпульсов, использование наносекундных цугов (65 нс) пикосекундных импульсов (~200 пс) с той же длительностью огибающей позволяет в 1,3-2,5 раза увеличить глубину лазерного воздействия и в 1,3 раза снизить уровень интенсивности излучения, требуемой для начала процесса разрушения мишени.

Полученные экспериментальные значения хорошо согласуются с теоретическими результатами изложенными во второй главе работы. Так, например, расчетное значение уменьшения величины интенсивности излучения над порогом абляции для параметров используемого лазера дает значение K NP 1,34, что соответствует реальному эксперименту – в 1,3 раза. Также реализованное увеличение глубины получаемых отверстий в 1,3-2,5 раза в различных исследуемых материалах при превышении над порогом абляции i1 1,5, соответствует описанному в работе теоретическому подходу и свидетельствует о проявлении кумулятивного эффекта, заключающегося во взаимном влиянии пикосекундных лазерных импульсов.

В заключении сформулированы основные выводы диссертационной работы:

1. Получен режим динамического управления пассивной модуляцией добротности многопетлевого Nd:YAG-лазера с дифракционно связанным резонатором с помощью градиентно окрашенного кристалла LiF:F2–, позволивший реализовать метод адаптированного лазерного аблирования и плазменной «расчистки» аблируемых каналов рекордного аспектного отношения (более 100) и глубины (до 27 мм) при регулируемых частоте повторения лазерных импульсов в цуге 40250 кГц, длительности импульсов 20–200 нс и их энергии 70–250 мДж.

2. Осуществлен режим импульсной генерации наносекундных цугов ~200 нс пикосекундных импульсов ~30 пс с помощью пассивных лазерных затворов на основе полимерных пленок с одностенными углеродными нанотрубками в лазерах на неодимовых кристаллах Nd:GdVO4, Nd:Y0,9Gd0,1VO4 и Nd:YAG с ламповой и диодной системой накачки активной среды.

3. Реализован комбинированный режим генерации Nd:YAG-лазера с поперечной диодной накачкой активной рабочей среды при одновременной активной модуляции добротности и синхронизации мод, обеспечивающий генерацию наносекундных цугов 65–350 нс пикосекундных импульсов 200 пс при частоте повторения импульсов накачки 1–4,5 кГц.

4. Разработан и реализован способ лазерного аблирования глубоких каналов с помощью комбинированных импульсов (наносекундных цугов пикосекундных импульсов), позволяющий в 1,3–2,5 раза увеличить глубину лазерного воздействия и в 1,3 раза снизить интенсивность излучения, требуемую для начала процесса разрушения мишени.

В приложении к диссертационной работе представлена копия акта о внедрении диссертационной работы «Управление режимами модуляции добротности и синхронизации мод кристаллических неодимовых лазеров для повышения эффективности лазерного аблирования материалов» в ОАО «Завод имени В.А.Дегтярева», г. Ковров.

Основные публикации по теме диссертационной работы:

1. Басиев Т.Т., Гарнов С.В., Климентов С.М., Пивоваров П.А., Гаврилов А.В., Сметанин С.Н., Солохин С.А., Федин А.В. Высокоскоростное аблирование сверхглубоких каналов фазово-сопряженным Nd:ИАГ-лазером с динамически регулируемой пассивной модуляцией добротности. Квантовая электроника, 2007, 37, №10, с.956–960.

2. Басиев Т.Т., Карасик А.Я., Осико В.В., Папашвили А.Г., Чунаев Д.С., Гаврилов А.В., Ершков М.Н., Сметанин С.Н., Солохин С.А., Федин А.В. LiF:F2– неодим-лазерные технологии перфорации близкорасположенных микронных отверстий. Квантовая электроника, 2008, 38, № 10, с.385–387.

3. Solokhin S.A., Garnov S.V., Obraztsova E.D., Lobach A.S., Obraztsov P.A., Chernov A.I., Bukin V.V., Sirotkin A.A., Zagumennyi Y.D., Zavartsev Y.D., Kutovoi S.A., Shcherbakov I.A. Passive mode-locking with carbon nanotube saturable absorber in Nd:GdVO4 and Nd:Y0.9Gd0.1VO4 lasers operating at 1.34µm. Laser Phys. Lett. 1–4 (2007) / DOI 10.1002/lapl.200710040.

4. Basiev T.T., Fedin A.V., Garnov S.V., Gavrilov A.V., Klimentov S.M., Pivovarov P.A., Smetanin S.N., Solokhin S.A. High rate ablative formation of ultra-deep channels by self-adaptive Nd:YAG laser with dynamically adjustable passive Q-switch. Proceedings of SPIE – The International Society for Optical Engineering (Fundamentals of Laser Assisted Micro- and Nanotechnologies 2007, Vadim P. Veiko, Editors), 69850B. V.

6985, pp. 87-91 (2008).

5. Basiev T.T., Osiko V.V., Fedin A.V., Gavrilov A.V., Smetanin S.N., Solokhin S.A.

High-Productive Laser-Assisted Microtechnology of Super deep Hole Drilling. Technical Digest of International Conference on Lasers, Applications, and Technologies (LAT 2007), 2007, Belarus, Minsk, p.70.

6. Solokhin S.A., Garnov S.V., Obraztsova E.D., Lobach A.S., Sirotkin A.A., Bukin V.V., Obraztsov P.A., Zagumennyi A.I., Zavartsev Y.D., Kutovoi S.A., Shcherbakov I.A.

Passive mode-locking of 1.34 m Nd:GdVO4 and Nd:Y0.9Gd0.1VO4 lasers using carbon nanotubes as a saturable absorber. Technical Digest of International Conference on Lasers, Applications, and Technologies (LAT 2007), 2007, Belarus, Minsk, p.56.

7. Sirotkin A.A., Solokhin S.A., Garnov S.V., Zagumennyi A.I., Zavartsev Y.D., Kutovoi S.A., Shcherbakov I.A. Novel applications of GaAs crystal for solid state laser mode-locking. Technical Digest of International Conference on Lasers, Applications, and Technologies (LAT 2007), 2007, Belarus, Minsk, p.62.

8. Smetanin S., Fedin A., Gavrilov A., Solokhin S., Basiev T., Garnov S., Klimentov S., Pivovarov P. High rate ablative formation of ultra-deep channels by self-adaptive Nd:YAG laser with dynamically adjustable passive Q-switch. Technical Digest of International Conference «Fundamentals of Laser Assisted Micro- and Nanotechnologies» (FLAMN-07) 2007, St.Peterburg, Russia, p.42.

9. Solokhin S.A., Sirotkin A.A., Garnov S.V., Gavrilov A.V., Shcherbakov I.A. Picosecond Nd:YAG diode pumped laser for hole drilling. Technical program of International Conference «Laser Optics 2008» (LO-08) 2008, St.Peterburg, Russia, p.42.

10. Solokhin S.A., Sirotkin A.A., Garnov S.V., Bukin V.V., Obraztsov P.A., Obraztsova E.D., Shcherbakov I.A. Hybrid Q-switched Nd:YAG laser mode-locked with carbon nanotubes as a saturable absorber. Book of abstracts of International Conference «Advanced Laser Technologies – ALT-08», 2008, Siofok, Hungary, р.143.

11. Солохин С.А., Сметанин С.Н. Методика определения архитектуры мощных лазеров нового типа с самообращением волнового фронта в лазерной среде при сильной термолинзе. Материалы XII Международного молодежного научного форума «Ломоносов-2005», Москва, МГУ, 2005, с. 338.

12. Федин А.В., Гаврилов А.В., Сметанин С.Н., Солохин С.А., Морозов А.В., Ершков М.Н. Повышение эффективности неодимовых лазерных систем специального назначения с самообращением волнового фронта в активной лазерной среде. Сборник научных трудов «Оружие Победы», Т2. Под ред. Ю.М.

Сазыкина. – Ковров: КГТА, 2005, с. 228-242.

13. Гаврилов А.В., Сметанин С.Н., Солохин С.А. Высокопроизводительная технология лазерной перфорации глубоких и сверхглубоких микронных отверстий в различных материалах. Вооружение. Технология. Безопасность. Управление: Материалы II научно-технической конференции аспирантов и молодых ученых. Ч.1. – Ковров:

ГОУ ВПО «КГТА им. В.А. Дегтярева», 2007, с.56–62.

14. Солохин С.А., Образцов П.А., Сироткин А.А., Гарнов С.В., Образцова Е.Д., Букин В.В. Пассивная синхронизация мод в твердотельных лазерах с использованием одностенных углеродных нанотрубок и GaAs в качестве насыщающихся поглотителей. Сборник докладов II Всероссийской школы для студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов по лазерной физике и лазерным технологиям. ВНИИЭФ, ИЛФИ, г. Саров, 2008, с.218–228.

15. Солохин С.А., Ершков М.Н. Лазерное сверление глубоких и сверхглубоких отверстий в конструкционных материалах. Будущее машиностроения России: сб.

тр. Всерос. конф. молодых ученых и специалистов. – М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010, с.147.

16. Солохин С.А., Сметанин С.Н., Ершков М.Н. Принципы лазерного сверления отверстий при адаптируемом управлении параметрами многоимпульсного лазерного облучения. Будущее машиностроения России: сб. тр. Всерос. конф.

молодых ученых и специалистов. – М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011, с.244.

17. Solokhin S.A., Sirotkin A.A., Garnov S.V. Diode pumped Nd:YAG laser with active Qswitching and mode locking for hole drilling. Laser Phys., 2011, 21, р.1145.

18. Солохин С.А., Сметанин С.Н., Гаврилов А.В., Ершков М.Н., Федин А.В. Принципы лазерного сверления отверстий при адаптированном управлении параметрами повторяющихся лазерных импульсов. Известия РАН. Серия физическая, 2012, том 76, № 6, с. 752–756.






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.