Лазер на парах меди и другие возможные лазерные источники

Лазер на парах меди известен благодаря уникальным характеристикам излучения. Наиболее важными для нас являются высокая средняя мощность ~ 20 Вт, и, следовательно, высокая частота повторения импульсов f до 20 кГц, и короткая продолжительность импульса τ_i ~ 10 нс. Также полезными являются относительно короткая длиной волны λ = 0,57 мкм и возможность объединить в единую установку для резки лазерного микроскопа, основанного на тех же лазерных источниках для наблюдения за процессом.

Все эти характеристики делают лазер на парах меди вполне пригодным для предлагаемых задач. Недостатками этого типа лазера являются сравнительно небольшой срок (<2000 часов) лазерной лампы и их относительно высокая стоимость.

Необходимо отметить также, эксимерный (KrF) лазер с высокой средней мощностью (но меньшей, чем у Nd-YAG и лазера на парах меди) и короткой длительностью импульса.

Вероятно, лучший источник лазерного излучения будет с диодной накачкой Nd-YAG (ДН Nd-YAG). Диодная накачка позволяет добиться высокой средней мощности и высокой частотой повторения импульсов одновременно с малой продолжительностью импульса и лучшими пространственными характеристиками с легким контролем всех параметров. Но, насколько мы знаем, подходящего типа Nd-YAG лазера c диодной накачкой на широком рынке пока нет.

6.3. Какой должна быть оптимальная оптическая система?

Теперь мы можем построить идеальную пространственную структуру лазерного луча в зоне обработки. Она должна удовлетворять следующим требованиям:

• равномерное распределение интенсивности для предотвращения плавления лицевой стороны TMT вне фокуса луча,

• однородность поперечного распределения интенсивности на плоскости обработки для устранения холодных точек внутри поперечного сечения,

• квадратная форма сечения лазерного луча уменьшает неравномерности,

• цилиндрической форма лазерного луча в продольном разрезе по всей толщине стены для уменьшения количества жидкой фазы и улучшения разреза формы,

• коническая форма лазерного луча в продольном сечении с другими γ_η > γ сокращает q_OP после реза и предотвращает прожигание и плавление противоположной стороны TMT.

Единственный способ приблизиться к этим идеальным характеристикам – рассчитать специальную оптическую систему с обработкой между фокальной и проекционной плоскостями. Она должна сочетать в себе элементы проекционной оптики с обработкой в цилиндрической световой трубе. У нас есть опыт, который позволяет нам предположить, как эта идея может быть реализована, но расчет и проектирование этой новой оптической системы, в том числе новых объективов находятся вне рамок настоящего доклада.

6.4. Какие изменения механической оснастки и систем управления необходимы?

Есть замечание, прежде чем эту систему можно будет считать очень высококачественной. Но если мы будем стремиться к увеличению производительности, то нам понадобиться не только новый лазерный источник с более высокой средней мощностью и частотой повторения импульсов f, но и механическая движущаяся система с гораздо более широким диапазоном скоростей. Вероятно, должна быть представлена скорость относительного движения по прямой траектории около 10 см/с (0,25 дюйм/с). Как я понимаю, это не так легко с развитым механическим блоком.

В этом виде обработки, где будут два движения - вращение и перемещение – иногда лучше разделять эти функции между двумя блоками. Один из них предусматривает только вращение образца (трубы). А другой обеспечивает движение пучка по трубе. Сочетание этих двух движений может дать все необходимые параметры, таких как скорость (производительность) и точность (качество).

В случае, когда трубка длиной около 10-20 мм, второе движение (перемещение оптической головки) может быть заменено оптическим сканером. Мы имеем большой опыт в разработке таких систем, как плоттер или сканер. Но, конечно, дизайн этих систем также выходит за рамки этой работы и должен быть выполнен отдельно.

В любом случае, увеличение производительности нуждается в оптимизации системы управления движением. Проблема состоит в обеспечения высокой скорости по сложной траектории с допустимой погрешностью. Мы изучали этот вопрос в течение нескольких последних лет в связи с оптимизацией системы доставки лазерного луча для быстрого прототипирования 3D (см., например, [4]). Но все эти вопросы требуют отдельного рассмотрения.

В заключении представлена сравнительная таблица характеристик существующих и рекомендованных лазеров, а также оптических систем для лазерной резки TMT.

Таблица 2

основные параметры лазерной резки системы TMT

Параметры лазерного источника		реальный - LASAG, импульсный режим генерации	рекомендуемый I - LASAG модернизированный (режущий импульс), импульсный режим генерации	рекомендуемый II – Nd-YAG AOM, непрерывная накачка акустооптически модулированная
среднее	эффективное
Wi, Дж	10-2	0,75∙10-2	W1=0,5∙10-3	2,5∙10-4
τi, с	10-4	0,4∙10-4	τ1=10-6	10-7
Pi, Вт	102	1,9∙102	P1=0,5∙103	2,5∙103
f, Гц			500∙103	10-50∙103
, Вт	2,5	1,9
Параметры оптической системы	F, см	2,5	рассчитывается F<Fused ~ 1.0-2.0, проекционная техника
d0, мкм	21,5	рассчитывается d0<d0 used ~ 10-20, цилиндрическая световая трубка
распределение	дифракционное и Гауссово	однородный
Физико-технологические параметры режима	q, Вт/см2	2,7∙107	5,1∙107	1,3∙108	5∙108
p	0,9-0,99	0,9-0,99
u0, дюйм/с	0,05	0,2	0,2-1,0
Перемещение и система управления движением	Два движения на одном блоке	Одно использование, но на максимальной скорости u0	Два различных блока для каждого движения (вращение трубы и перемещение или сканирования лазерным лучом). Система управления, обеспечивающая постоянное
Вспомогательная газовая система	газ аргон, вода внутри трубы	То же самое в первом приближении (при необходимости следует уточнить позже)