Новости

Прошло 10 лет по пути повышения мощности и качественных характеристик СО2-слэб-лазеров с диффузионным охлаждением.

Дата публикации: 10/06/2010
Категория: Новости лазерных технологий
Версия для печати

«С тех пор, как лазер впервые был представлен компанией «Rofin-Sinar» (г.Гамбург, Германия), прошло уже 10 лет, которые были отмечены непрерывными поисками путей дальнейшего совершенствования и продвижения на рынке» - отмечают Х.Мартинен, д-р Х.Ханге, д-р В.Рат, Т.Фрауенпрайс («Rofin-Sinar Laser GmbH»).
История создания СО2-слэб-лазера с диффузионным охлаждением восходит к концу восьмидесятых годов. Началась она с принятого руководством фирмы «Rofin-Sinar» знаменательного решения о начале промышленной разработки совершенно новой уникальной технологии, о которой в то время известно было лишь то, что она находилась на самом начальном этапе научно-исследовательских изысканий.
Такой подход стал для предприятия, выпускавшего лазерное оборудование и относившегося к среднему по объему производства промышленному сектору, весьма необычным, поскольку до той поры из-за ограниченных финансовых ресурсов, которыми располагала компания для разработки новой продукции, приоритет отдавался известным и апробированным решениям, которые предлагались научно-исследовательскими организациями и финансировались из государственного бюджета.
Когда в 1981 г. компания приступила к разработке и выпуску собственных источников лазерного излучения, она отдала предпочтение наиболее современной в то время концепции быстрой аксиальной газовой прокачки, которая при относительно компактных габаритах лазерных резонаторов демонстрировала высокие показатели как по мощности, так и качеству лазерного луча.
До 1989 г. были созданы лазерные установки с мощностью излучения от 500 Вт до 10 кВт, в 1993-м - до 20 кВт, причем для достижения высоких мощностей использовалось как возбуждение газовой смеси постоянным током, так и метод ВЧ-возбуждения.
Реализованная «Rofin-Sinar» программа выпуска лазерных систем позволила ёй полностью покрыть потребности тех секторов рынка промышленной металлообработки, на которых она присутствовала. Новыми целями теперь стали повышение надежности, снижение эксплуатационных расходов, уменьшение габаритов, а также повышение эффективности производства. Однако очень скоро стало очевидным, что необходимость использования специальных агрегатов для прокачки газа и его охлаждения, а также других сложных конструктивных узлов сравнительно быстро приведет к достижению некоего технологического предела.
Исходя из этих соображений, небольшая группа сотрудников научно-исследовательского отдела под руководством д-ра Хермана Хаге (который по сей день возглавляет работы по дальнейшему развитию щелевых лазеров) поставила перед собой задачу поиска альтернативных решений.
При этом главное внимание было направлено на выработку концепции создания лазеров в диапазоне кВт-мощностей без применения принудительной циркуляции газа.
После интенсивных исследований и консультаций с представителями многочисленных научных учреждений и лабораторий как внутри страны, так и за рубежом, приоритет был отдан двум концепциям: коаксиальному лазеру с диффузионным охлаждением и щелевому лазеру с аналогичным методом отвода тепла.
Совместно с Фраунгоферовским институтом лазерной техники был создан и испытан коаксиальный лазер мощностью 750 Вт с двумя трубками и коническим зеркалом.
Тогда же компанией «Rofin-Sinar» был получен патент, который остался, однако, невостребованным по причине прекращения дальнейшей разработки данной технологии. Причиной тому послужили трудности с масштабированием мощности в кВт-диапазоне и обусловленные этим высокие производственные затраты, проблемы с достижением однородности поперечного сечения луча, а также сложность изготовления конических зеркал.
Приблизительно в тот же период независимо друг от друга проф. Оповером в Институте технической физики аэрокосмического центра Германии в Штутгарте и проф. Тьюлипом в Университете Альберта в Эдмонтоне (Канада) была разработана и запатентована общая концепция щелевого («slab») лазера с диффузионным охлаждением.
Первые опыты показали, что она наилучшим образом отвечает тем целям, которые ставила перед собой компания «Rofin-Sinar».
В 1990 г. ею была приобретена эксклюзивная лицензия на производство и продажу лазеров такого типа, предназначенных для использования в сфере металлообработки.
Слэб-лазер представляет собой один из вариантов хорошо известного волноводного резонатора, в котором активный объем газа заключен между двумя стенками, выполняющими функции оптического волновода и ВЧ-электродов и одновременно служащими для отвода тепла, образующегося вследствие нагрева газа. Повышение мощности такого лазера возможно только за счет увеличения длины волновода. Новое в концепции щелевого лазера заключалось в том, что его волновод был одномерен и образовывал оптический резонатор вместе с концевыми зеркалами только по одной из осей, по второй же оси он поверхностями стенок не ограничивался.
Результаты исследований, проведенных в обоих вышеупомянутых институтах, давали, однако, лишь общее, полученное опытным путем подтверждение возможности генерирования лазерного излучения посредством щелевого резонатора.
Что же касалось качества луча и стабильности излучения, столь важных для промышленного использования, равно как и таких аспектов, как эксплуатационные характеристики, эффективность, затраты на производство и компактность, - об этом никаких данных не имелось.
Перед компанией «Rofin-Sinar» встала непростая задача - проделать огромный объем исследовательских и опытных работ, разноплановых, комплексных и весьма дорогостоящих. И, как мы сегодня можем констатировать, она с этой задачей успешно справилась.
Совместно с Аэрокосмическим центром Германии была начата разработка опытного образца СО2-слэб-лазера мощностью 1 кВт.
Но результаты первых опытов разочаровали - намеченная мощность достигнута не была.
Несмотря на это, было принято решение интегрировать ВЧ-генератор непосредственно в лазерную головку. Вместо ненадежных 50-омных кабелей и согласующей схемы для подключения генератора высокочастотной накачки использовали плоские электроды с большой площадью поверхности. Это решение было продиктовано стремлением сделать конструкцию как можно компактнее, использовать иную схему для согласования по волновому сопротивлению, а также применить накопленный опыт в создании лазеров с ВЧ-возбуждением.
В тот момент это смелое решение нельзя было назвать даже «последним словом техники», поскольку это слово предстояло только сказать.
В сотрудничестве с электроламповым заводом «Siemens» в Берлине был дан старт разработке принципиально нового, несинхронизированного генератора с объемным резонатором. Как показал ход дальнейших работ, помимо трудностей, возникших с подводом высокочастотной энергии, значительно больше времени, чем планировалось, потребовалось на разработку конструкций резонатора, разрядного модуля, оптимального состава газовой смеси, а также многих других деталей.
Новизна решаемых задач и широкий фронт работ делали их точное планирование по времени крайне затруднительным. Между тем изменившаяся рыночная конъюнктура и спрос внесли свои коррективы, - было решено увеличить мощность лазера до 2 кВт.
И вот наступил 1993 год.
На Международной выставке лазерной техники компания «Rofin-Sinar» впервые продемонстрировала работающий образец СО2-слэб-лазера с диффузионным охлаждением мощностью 1,5 кВт, который обладал считавшимся тогда недостижимым качеством луча с фактором К>0,9.
Резонанс был огромный! Но до готовности к промышленному применению и превращению опытного образца в готовый рыночный продукт требовалась еще большая исследовательская и конструкторская работа.
В 1995 г. на рынке появились первые слэб-лазеры, обладавшие мощностью 2 кВт, которые тут же нашли своих потребителей. Их испытания, в том числе и в лабораторных условиях, вскоре показали, что более высокое качество луча напрямую влияло на скорость обработки, увеличивая ее, причем эта скорость превышала ту, которую демонстрировали сравнимые по мощности лазеры с продольной прокачкой газа.
В течение последующих двух лет мощность лазера была доведена до 2,5 кВт, а затем и до 3,5 кВт за счет увеличения мощности разрядного модуля. Но возникло ощущение, что разработчики приблизились к некой пограничной черте, за которой дальнейшее увеличение мощности представлялось невозможным.
Интенсивная исследовательская работа, систематические мероприятия в рамках подготовки производства, а также меры, направленные на обеспечение качественных характеристик излучения в значительной мере способствовали совершенствованию конструкции лазера.
Но только внедрение новых передовых технологий в производство разрядных модулей, резонаторных зеркал и систем формирования луча принесли по настоящему весомый успех.
Последовательное совершенствование конструкции разрядных модулей и ВЧ-генераторов позволило увеличить площадь разряда при одновременном сохранении его однородности. В результате удалось повысить мощность лазера сначала до 4 кВт, затем до 5 кВт и, наконец, в 2004 году до 6 кВт. Высокое качество луча осталось при этом неизменным. То, что мощность 6 кВт - не предел, наглядно продемонстрировал лазер DС 080 W мощностью 8 кВт, представленный в 2005 году на Международной выставке лазерной техники в Мюнхене.
СО2-слэб-лазеры прочно заняли свою нишу на рынке лазерной техники.
Причем их доля постоянно увеличивается, о чем свидетельствует количество проданных за последние годы изделий (около 3 тыс.).
Изначальная идея о возможности создания СО2-слэб-лазера, обладающего большой мощностью и высоким качеством луча, стала реальностью.
Приобрели ли бы СО2-лазеры то весомое значение в промышленной металлообработке, не будь созданы инновационные СО2-слэб-лазеры? Весьма спорно.
Но очевидно одно - рыночный рост, наблюдавшийся в последние годы, был бы без них значительно скромнее.

Источник: «ЛазерИнформ», 2010, № 3-4 (426-427), с.7-9 / www.cislaser.com

Статьи по теме:

страницы: 1