Публикации: Охлаждаемые и неохлаждаемые одноканальные деформируемые зеркала для промышленных лазерных комплексов.
Научно-производственное предприятие ТУРН
     

Статьи и публикации

 
На главную страницу
Продукция
Цены
Публикации
ЧаВо
Форум
Контакты
office@turn.ru
 

Б.С.Виневич, В.М.Жариков, А.Г.Сафронов

ОХЛАЖДАЕМЫЕ И НЕОХЛАЖДАЕМЫЕ ОДНОКАНАЛЬНЫЕ ДЕФОРМИРУЕМЫЕ ЗЕРКАЛА ДЛЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ЛАЗЕРНЫХ КОМПЛЕКСОВ

В статье рассматриваются биморфные зеркала, предназначенные для эксплуатации в составе промышленных лазерных технологических комплексов. Детально исследованы технические характеристики охлаждаемых одноканальных деформируемых зеркал. Приведены результаты предварительных испытаний неохлаждаемых биморфных зеркал в промышленных лазерных комплексах на базе непрерывного СО2-лазера с выходной мощностью свыше 2 кВт и импульсного лазера на парах меди со средней мощностью 35 Вт.

1. Введение.

Широкое и интенсивное применение лазеров различных типов (СО2-лазеры, =10.6 мкм; Nd:YAG-лазеры, =1.06 мкм и т.д.) в промышленном производстве, в частности в автомобильной индустрии [1,2], все более усложняет лазерные обрабатывающие технологии. Их функциональные возможности постепенно расширяются при одновременном повышении, как скорости выполнения технологических операций, так и качества обработки. Дальнейшим шагом на пути усовершенствования лазерных технологий является применение управляемой (адаптивной) оптики, в частности деформируемых зеркал, причем на начальном этапе целесообразно использовать простейшие элементы и системы.

На сегодняшний день в лазерных технологических комплексах существует целый ряд задач для подобных систем. С одной стороны, это традиционные задачи адаптивной оптики, а именно повышение качества лазерных систем за счет компенсации в реальном времени искажений оптического излучения, таких, например, как нелинейная тепловая линза и т.п. С другой стороны, в лазерных обрабатывающих технологиях существуют и свои специфические задачи; например, управление в реальном времени (с возможно большей скоростью) пространственным положением фокального пятна лазерной головки при сварке или резке деталей сложной конфигурации [3].

С точки зрения практического внедрения в существующие лазерные комплексы, особый интерес представляет биморфная адаптивная оптика. Детальный анализ ее преимуществ выполнен в работе [4]. В настоящей статье рассматриваются результаты экспериментальных исследований и испытаний одноканальных деформируемых биморфных зеркал, разработанных для использования в промышленных лазерных установках различного назначения и отличающихся высокими и стабильными техническими характеристиками, простотой эксплуатации, высокой надежностью и низкой стоимостью.

2. Охлаждаемые деформируемые зеркала. Результаты экспериментальных исследований.

Рис 1. Молибденовое одноканальное охлаждаемое адаптивное зеркало для лазерных систем средней мощности (до 10 кВт).

Неохлаждаемые одноканальные зеркала данного типа, предназначенные для работы в лазерных системах мощностью до 1 кВт, были детально исследованы ранее в работе [5]. Разработанная и примененная в них биморфная технология [6,7] была использована при производстве охлаждаемых деформируемых зеркал, изготовленных из молибдена и показанных на рис.1.

Внешний диаметр зеркала составляет 70 мм, высота – 13.7 мм. Под отражающей поверхностью зеркала сформирована система охлаждения типа "косая вафля". Для подвода хладагента к системе охлаждения зеркала используются металлические штуцеры, рис.1. Данная система охлаждения позволяет использовать охлаждаемые биморфные зеркала в лазерных системах с интегральной мощностью излучения до 10 кВт. Детальные исследования системы охлаждения указанного типа применительно к охлаждаемым биморфным зеркалам были выполнены ранее в работе [8].

Диаметр световой зоны охлаждаемых деформируемых зеркал составляет 42 мм, исходная форма оптической поверхности - плоская. Отражающее покрытие выполнено из меди, защитное - из окиси кремния. Коэффициент зеркального отражения составляет не менее 98.5% на длине волны =10.6 мкм. Управляющее напряжение охлаждаемых биморфных зеркал лежит в диапазоне от -300 В до +200 В. Емкость управляющего электрода составляет порядка 430 нФ. Масса зеркала - около 300 г.

2.1. Исходная форма оптической поверхности охлаждаемых деформируемых зеркал.

Исследования охлаждаемых деформируемых зеркал были выполнены на интерферометрическом комплексе "Mark-II". Структурная схема установки показана на рис.2. Интерферометр (1) реализует известную схему Физо; диаметр выходного пучка составляет 102 мм; рабочая длина волны - 632.8 нм; мощность лазерного излучения - 1 мВт. При измерениях деформируемых зеркал с плоской исходной формой в качестве оптического эталона (2) использовалась плоскопараллельная пластина. Погрешность регистрации интерференционной картины на данном комплексе, определяемая качеством оптической системы, составляет /20 при контроле плоских оптических поверхностей и /10 при контроле сферических.

Рис 2. Блок-схема измерительного комплекса: 1 - интерферометр Mark-II; 2 - оптический эталон; 3 - фильтр-аттеньюатор; 4 - деформируемое зеркало, установленное в 5-ти координатном креплении; 5 - панель управления; 6 - видеомонитор; 7 - видео принтер; 8 - блок электронного управления деформируемым зеркалом.

 

Рис 3. Интерферограмма первоначальной формы охлаждаемого одноканального деформируемого зеркала по всему диаметру (42 мм).

Измерения исходной формы оптической поверхности показали хорошее качество и высокую стабильность охлаждаемых деформируемых зеркал. Это подтверждается многократным интерферометрическим контролем, проводившимся на протяжении нескольких месяцев, в том числе при различной температуре и влажности воздуха, а также до и после транспортировки зеркал в различных условиях. Типичная интерферограмма исходной формы охлаждаемого деформируемого зеркала показана на рис.3. В результате анализа ряда полученных интерферограмм было установлено:

  1. общее отклонение формы поверхности от плоскости на полном световом диаметре составляет для охлаждаемых деформируемых зеркал не более 1 интерференционного кольца (1F=/2);
  2. местная ошибка формы поверхности на полном световом диаметре составляет не более 0.25F=/8.

2.2. Функции отклика и чувствительность охлаждаемых адаптивных зеркал.

Экспериментальные измерения функций отклика охлаждаемых биморфных зеркал были выполнены на описанном выше автоматизированном комплексе, рис.2. Управляющее напряжение на деформируемые зеркала подавалось от электронного блока (8). На рис.4 показана типичная интерферограмма отражающей поверхности охлаждаемого одноканального зеркала при подаче управляющего напряжения.

Рис 4. Интерферограмма отражающей поверхности деформируемого зеркала под управляющим напряжением U=80 В.

В результате экспериментальных измерений и их статистической обработки была определена амплитудная чувствительность охлаждаемых адаптивных зеркал, которая в среднем (по 96 измерениям) составляет 46±8 мкм/кВ. При этом необходимо отметить следующее. Для биморфных зеркал вообще и для рассматриваемых зеркал в частности величина чувствительности зависит от знака управляющего напряжения. Этот эффект обусловлен поляризацией пьезокерамики. Более конкретно: если приложенное управляющее напряжение совпадает по знаку с напряжением поляризации пьезокерамики, то чувствительность биморфного зеркала будет выше, чем для случая, когда указанные напряжения противоположны по знаку. В частности, для рассматриваемых охлаждаемых зеркал напряжение поляризации пьезокерамики является отрицательным по отношению к корпусу зеркала, поэтому для отрицательных напряжений амплитудная чувствительность несколько выше средней величины и составляет 49±6 мкм/кВ. Соответственно, для положительных напряжений значение чувствительности меньше среднего и составляет 44±8 мкм/кВ.

Влиянием поляризации пьезокерамики также объясняется несимметричность диапазона управляющего напряжения. В данном случае он смещен в отрицательную область. С учетом этого максимальные управляемые деформации охлаждаемых биморфных зеркал составляют: при напряжении -300 В +14.7 мкм (выпуклая форма); при напряжении +200 В -8.9 мкм (вогнутая форма).

С учетом вышеизложенного эмпирическая формула для функции отклика, приведенная в работе [5], для рассматриваемых охлаждаемых одноканальных биморфных зеркал может быть записана в следующем виде (без учета влияния гистерезиса):

  W(r) = K(r/r1)2 U , (1)
 

где W(r) - функция отклика отражающей поверхности зеркала, r1 - радиус отражающей поверхности (в данном случае r1=21мм); К - чувствительность, U - управляющее напряжение. Для рассматриваемых деформируемых зеркал значение K лежит в диапазоне от 44 мкм/кВ до 49 мкм/кВ.

2.3. Гистерезис охлаждаемых деформируемых зеркал.

Для пьезоэлектрических адаптивных зеркал характерно наличие электромеханического гистерезиса, который проявляется в нелинейной зависимости перемещений отражающей поверхности от приложенного напряжения. Измерения гистерезиса охлаждаемых зеркал проводились следующим образом. При различных управляющих напряжениях описанным выше методом регистрировалась форма отражающей поверхности деформируемого зеркала и вычислялась величина прогиба этой поверхности. При этом управляющее напряжение на зеркале за время измерений изменялось циклически: 0 +U 0 -U 0 +U. По полученным численным данным строился график гистерезиса, причем каждая его точка усреднялась по 4 измерениям с целью устранения случайных погрешностей.

Рис 5. Зависимость амплитуды деформации W от управляющего напряжения U для одноканального охлаждаемого зеркала. Значения амплитуды деформации W сняты при значении F=/2.

 

На рис.5 приведен вид гистерезисной петли для охлаждаемого биморфного зеркала. Точки квадратной формы на этом графике соответствуют начальному участку зависимости W(U). Численное значение гистерезиса определяется как отношение ширины петли при нулевом напряжении к общей ее высоте и для рассматриваемых деформируемых зеркал составляет: 10.6± 0.3%.

3. Неохлаждаемые деформируемые зеркала. Результаты предварительных испытаний.

Предварительные испытания неохлаждаемых одноканальных биморфных зеркал, детально исследованных ранее в работе [5], были проведены в непрерывном СО2-лазере и с импульсным лазером на парах меди.

3.1. Испытания в СО2-лазере.

Не смотря на расчетную мощность неохлаждаемых биморфных зеркал не более 1 кВт (к тому же при наличии внешнего принудительного охлаждения [5]) при их предварительных испытаниях использовался непрерывный промышленный СО2-лазер, имеющий мощность выходного излучения свыше 2 кВт. Это объясняется сходными геометрическими параметрами деформируемых зеркал и внутрирезонаторной оптики лазера. Указанный лазер является составной частью технологической установки "ГАРПУН-2000" и характеризуется следующими основными техническими параметрами:

  1. длина волны излучения - 10.6 мкм;
  2. максимальная мощность излучения в многомодовом режиме - 2500 Вт, в одномодовом режиме - 1000 Вт;
  3. диаметр выходного пучка излучения в многомодовом режиме - не более 45 мм, в одномодовом режиме - 20 мм;
  4. расходимость в одномодовом режиме - не более 2 мрад;
  5. диапазон регулирования мощности - от 200 до 2000 Вт.

При испытаниях с СО2-лазером было обнаружено, что при установке неохлаждаемого биморфного зеркала в откачанный резонатор его изначально плоская отражающая поверхность деформируется (выгибается), так что итоговый радиус кривизны составляет от 9.4 м (на полной световой апертуре 42 мм) до 7.4 м (на апертуре 7-10 мм). Для оценки радиуса кривизны использовался коллиматор от оптической скамьи ОСК-2ЦЛ. Указанные деформации биморфных зеркал являются полностью линейными и упругими; при снятии давления форма отражающей поверхности соответствовала исходной. Очевидно, при эксплуатации деформируемых зеркал в откачанных вакуумных оптических системах подобный эффект необходимо учитывать и проводить формирование исходной отражающей поверхности с поправкой на внутрирезонаторные статические деформации.

Использовавшийся в испытаниях газоразрядный СО2-лазер с быстрой аксиальной прокачкой рабочей смеси содержит устойчивый резонатор с глухим вогнутым зеркалом радиусом кривизны -30 м и выходным полупрозрачным зеркалом радиусом кривизны -30 м (для многомодового режима генерации) и -15 м (для одномодового режима). В состав резонатора входят также плоские поворотные зеркала. Вся оптика резонатора является охлаждаемой, диаметр глухого и выходного зеркал составляет 60 мм. Общая длина резонатора 6.5 м.

В устойчивом резонаторе СО2-лазера неохлаждаемое биморфное зеркало было установлено вместо глухого зеркала, при этом мощность излучения в резонаторе составляла порядка 260 Вт. Внешнее охлаждение к деформируемому зеркалу не подводилось. Не смотря на сильно неоптимальную геометрию резонатора и отмеченный выше эффект, была получена устойчивая генерация излучения. При подаче на деформируемое зеркало управляющего сигнала определенной величины происходил срыв генерации за счет деформаций отражающей поверхности. Можно ожидать, что оптимизация параметров деформируемого зеркала непосредственно под данный резонатор и использование охлаждаемой биморфной оптики, описанной в разделе 2 данной работы, обеспечит реализацию режима модулированной добротности в данном непрерывном СО2-лазере. Вероятно, максимальная глубина такой модуляции достижима при частоте управляющего напряжения, совпадающей с частотой основного резонанса деформируемого зеркала, поскольку в этом случае управляемые перемещения его отражающей поверхности будут наибольшими. Понятно, что при квазистатическом управляющем напряжении использование рассмотренных деформируемых зеркал внутри данного лазера обеспечит режим управляемой выходной мощности, по крайней мере, в ограниченных пределах.

Необходимо отметить, что многослойное биморфное зеркало в данных экспериментах работало при значительной суммарной нагрузке на его гибкую отражающую пластину. Это было обусловлено как минимум следующими причинами:

  1. термодеформациями зеркала под действием мощности внутрирезонаторного излучения;
  2. деформациями отражающей пластины за счет внешнего (по отношению к резонатору) атмосферного давления;
  3. управляемыми деформациями зеркала.

3.2. Испытания с лазером на парах меди.

В испытаниях использовался лазер ИЛГИ-201, входящий в состав технологической установки "КАРАВЕЛЛА" и имеющий следующие основные технические характеристики:

  1. длина волны излучения - 0.51 мкм и 0.58 мкм;
  2. расходимость излучения - 0.1...0.5 мрад;
  3. диаметр выходного пучка излучения - 20 мм
  4. частота следования импульсов - 8...12.5 кГц;
  5. длительность импульсов излучения по полувысоте - 15±5 нс;
  6. мощность излучения:
      - средняя - 30...35 Вт;
      - импульсная - ...200...250 кВт.

В испытаниях было использовано неохлаждаемое одноканальное деформируемое зеркало со световой апертурой 42 мм и медным отражающим покрытием. Коэффициент зеркального отражения на указанных длинах волн составляет: 44% (=0.51 мкм) и ~60% (=0.58 мкм).

Рис 6. Блок-схема испытаний с лазером на парах меди. 1 – лазер; 2 – неохлаждаемое плоское деформируемое зеркало; 3 – вогнутое сферическое зеркало (f=7.5 м); 4 – электронный блок управления.

 

Данное деформируемое зеркало использовалось вне резонатора лазера на парах меди для управления плоскостью перетяжки лазерного пучка, формируемого оптической системой с фокусным расстоянием 7.5 м, при этом биморфное зеркало располагалось непосредственно перед вогнутым сферическим зеркалом. При изменении управляющего напряжения на деформируемом зеркале от +100 В до -200 В перетяжка пучка смещалась линейно (с учетом электромеханического гистерезиса) от своего среднего положения на 2.4 м от резонатора и на 4.8 м к резонатору, соответственно. Заметим, что в данных испытаниях неохлаждаемое биморфное зеркало выдержало довольно сильный нагрев лазерным излучением, приблизительно до 80°С, при этом его рабочие характеристики не изменились. Кроме того, неохлаждаемые зеркала стабильно работали под лазерным излучением, нагреваясь до температуры порядка 45°-50°С. Понятно, что подобные тепловые режимы имели место из-за очень низкого коэффициента отражения деформируемых зеркал на рабочих длинах волн лазера. По-видимому, использование в неохлаждаемых молибденовых биморфных зеркалах соответствующих отражающих покрытий обеспечит их долговременную и эффективную работу в данном лазере при температурах порядка 20°-25°С.

4. Заключение.

Проведенные экспериментальные исследования охлаждаемых и неохлаждаемых многослойных биморфных зеркал, а также их предварительные испытания в технологических лазерах позволяют рассматривать их как удобный, надежный и дешевый инструмент для расширения функциональных возможностей существующих лазерных обрабатывающих комплексов. При этом вероятно, эффективность применения данных деформируемых зеркал будет возрастать с переходом в область более коротких длин волн лазерного излучения.

  1. Gruber F.J. Euro Laser, N 2, 20 (1996).
  2. Gruber F.J. Euro Laser, N 2, 26 (1996).
  3. Bar K., Freisleben B., Kozlik C., Schmiedl R. Lasers in Engineering, 4, 233 (1995).
  4. Сафронов А.Г. Оптический журнал, (1997).
  5. Сафронов А.Г. Квантовая Электроника, 22, 1113 (1995).
  6. Сафронов А.Г. Патент РФ N 2068191, 12 февраля 1996, МПК G02B 5/10. Бюллетень Изобретений, N 29, 1996.
  7. Safronov A.G. International Patent Application N PCT/RU/96/00053, filed March 6, 1996. International Publication N WO 96/18919, June 20, 1996. Gazette No. 1996/28.
  8. Сафронов А.Г. Автореферат кандидатской диссертации. ИОФ РАН, Москва, 1995.

 

 
 
 

[Главная] [Продукция] [Цены] [Публикации] [ЧаВо] [Форум] [Контакты] [Mail]

 
© Компания "ТУРН", 2001. Тел.: +7 (095) 256-61-08, факс: +7 (095) 363-68-79, E-mail: office@turn.ru