Доступные зеркала для управления
параметрами лазерного луча


В.Д. Попов, С.Ю. Сухоросов



ООО «ТУРН», 103104, г. Москва, а/я 19, тел. 256-61-08, факс.256-7129, Е-mail: office@turn.ru

Аннотация

Рассматриваются различные способы управления параметрами лазерного пучка с использованием деформируемых зеркал. Делается вывод о том, что для управления параметрами лазерного пучка большой мощности могут быть эффективно использованы ДЗ изготовленные по биморфной технологии.
При использовании одноканального БДЗ в качестве одного из элементов лазерного резонатора для непрерывных СО2 лазеров Hebbr мощностью 1 кВт и Harpoon-2000 мощностью 2 кВт были реализованы импульсно-периодический режим работы, а также режим модулированной добротности.
Представлены экспериментальные результаты, показывающие возможность эффективного управления положением фокуса (перетяжки) СО2-лазера с помощью одноканального БДЗ, установленного в оптический тракт излучения. Эксперименты проводились на установке LFP-Laserbeam Cutting and Welding System (Germany) мощностью 3-6 кВт по резке и сверлению стали толщиной 10 мм.
В докладе представлены также характеристики плоского 20-и канального и цилиндрического одноканального зеркал.
Полученные результаты дают основания предполагать эффективность использования этих зеркал для динамической коррекции волнового фронта лазеров другого типа. Например для уменьшения уширения импульсов фемтосекундных YAG лазеров.



1. Способы управления параметрами лазерного пучка с использованием деформируемых зеркал


Разработчики лазерных технологических комплексов давно столкнулись с трудностью фокусирования лазерного луча на обрабатываемой поверхности при значительной ее протяженности. На рисунке 1а условно показано, как фокусируется лазерный луч вблизи и вдали от лазера в лазерном технологическом комплексе с летающей оптикой.


Рис.1. Схема лазерного технологического комплекса, поясняющая изменение размера пятна на обрабатываемой плоскости.

Техническим решением, которое мы предлагаем, является использование в оптическом тракте деформируемых зеркал. На рисунках 1b и 1c показано, какие преимущества дает применение в оптическом тракте деформируемых зеркал:
- качество фокусировки остается постоянным на всем поле обработки,
- появляется возможность динамического изменения положения фокуса по оси Z, не сопряженная с механическим перемещением обрабатывающей головки.
Второй по порядку, но не по значимости, является возможность использования деформируемых зеркал внутри резонатора лазера. При таком использовании открываются широкие возможности управления мощностью и пространственными характеристиками излучения лазера.
Достаточно упомянуть, что используя одноканальное деформируемое зеркало можно реализовать в непрерывном СО2 лазере импульсно-периодический режим и режим модулированной добротности. Еще большие возможности сулит использование в лазере многоканальных деформируемых зеркал.

Рис. 2. Применение адаптивной оптической системы для компенсации термических возмущений активной среды лазерного усилителя. WFS – датчики волнового фронта.

На Рис.2 показана классическая схема адаптивной оптической системы. Будучи использована в лазере, она может дать превосходный эффект. Коррекция тепловых искажений активной среды, управление модовым составом, модуляция и сканирование диаграммы направленности излучения – вот далеко не полный перечень задач, которые могут быть решены с помощью деформируемых лазерных зеркал.
Несмотря на то, что первые работы в данной области были выполнены более 10 лет назад [1], до сих пор использование адаптивных зеркал в лазерах носит незаслуженно спорадический характер.
По мнению авторов, единственным оправданием сложившейся ситуации являлась высокая стоимость адаптивных систем, сравнимая со стоимостью самого лазера. Не случайно и то, что первые серьезные применения деформируемые зеркала получили в лазерных технологических комплексах, где стоимость деформируемого зеркала составляет ничтожную часть.
Мы изначально ставили перед собой задачу создания деформируемых зеркал и адаптивной системы, которая была бы доступна для серийного воспроизведения и широкого круга потребителей. Как нам представляется, разработанные зеркала обладают техническими характеристиками, позволяющими применять их для многочисленных лазерных задач, и вполне доступны по стоимости.
С другой стороны, деформируемые зеркала представляют собой сравнительно новый продукт высоких технологий, и для нас, как их разработчиков, представляет интерес мнение потенциальных потребителей о технических характеристиках предлагаемых изделий.

2. Биморфные деформируемые зеркала: конструкция и технические характеристики


Все рассматриваемые зеркала основаны на биморфном принципе, который поясняется рис.4, на котором зеркало показано в поперечном разрезе.

Рис 3.Внешний вид биморфных деформируемых зеркал.
Сверху вниз: Многоканальное зеркало АТ26, охлаждаемое одноканальное зеркало АТ24,
одноканальное зеркало АТ22, цилиндрическое одноканальное зеркало АТ27.
Рис. 4. Конструкция биморфных деформируемых зеркал.
1-корпус, 2-пьезоэлемент, 3- заполнитель, 4-крышка, 5- электрический соединитель.
Зеркало состоит из подложки 1, с которой соединен пьезоэлемент 2. Пьезоэлемент поляризован в плоскости чертежа, поэтому при подаче к обкладкам напряжения, совпадающего по знаку с полем поляризации, его толщина увеличивается, а диаметр – уменьшается. Поскольку пьезоэлемент жестко соединен с подложкой, уменьшение диаметра пьезоэлемента вызывает изгибную деформацию всей конструкции, причем поверхность зеркала становится выпуклой.
Снаружи подложка обработана с оптическим качеством поверхности и на нее нанесено отражающее и защитное покрытие. Изнутри пьезоэлемент защищен пеногерметиком, выполняющим одновременно демпфирующие функции.
Принудительное охлаждение может осуществляться с помощью системы каналов, выполненных внутри подложки зеркала .
Технические характеристики деформируемых зеркал представлены в таблице 1.

Таблица 1.
Технические характеристики деформируемых зеркал
№№ Наименование параметра Тип зеркала
AT22 AT24 AT26 AT27
1 Материал подложки Молибден Плавленый кварц
2 Количество каналов управления 1 1 20 16)
3 Заданная исходная форма отражающей поверхности Плоскость6)
4 Допускаемое отклонение исходной формы от заданной , интерференционных полос lambda=0.63 мкм 1,5
5 Теоретическая форма деформации отражающей поверхности Сфера Параболический цилиндр
6 Допускаемое отклонение деформированной поверхности от теоретической, интерференционных полос l=0.63 мкм 1,5 -
7 Световая апертура, мм Диаметр 42 Диаметр 66 15x22
8 Максимальная мощность падающего излучения, кВт 1 10 21) -
9 Принудительное охлаждение Нет Вода Нет Нет
10 Давление охлаждающей жидкости, бар - 2 - -
11 Расход охлаждающей жидкости, л/мин - 0,25 - -
12 Максимальная частота >50
13 Чувствительность, мкм/кВ 45 42 3002), 303), 104), 35) 40
14 Диапазон напряжений управления -200...+300 -500...+600 -200...+300
15 Диапазон кривизны, 1/м +1/15...-1/22 +1/16...-1/25 - -
16 Гистерезис, %, не более 20
17 Электрическая емкость, нФ, не более 180 280 120 суммарная 20
18 Рабочая длина волны, мкм 10,6 10,6 1,06 0,8
19 Отражающее покрытие Медь Многослойное диэлектрическое Au, Cr
20 Защитное покрытие Оксиды РЗЭ - -
21 Срок службы - - - -
22 Габаритные размеры, мм Диам.60х137) Диам.70х147) Диам.91х52 43х50х10
23 Масса, кг 0,25 0,32 0,45 0.05
Примечания:
1. Лучевая прочность, Дж/см2, при длительности импульса 3 нс.
2. По каналу 0.
3. По каналу 1
4. По каналам 2…7.
5. По каналам 8…20.
6. Другие – в соответствии с требованиями Заказчика.
7. Без учёта электрического соединителя.

Рассмотрим систему параметров деформируемых зеркал.

  1. Материал.
    Зеркала можно разделить на два класса по свойствам подложки: металлические и диэлектрические. Металлические зеркала предназначены преимущественно для управления излучением технологических СО2 лазеров, кварцевые – для других случаев.
    Необходимо отметить, что, конечно, двумя материалами не исчерпывается вся гамма материалов, применяющихся для изготовления подложек деформируемых зеркал. На таблице 2 приведены сравнительные физические характеристики материалов, которые могут применяться для изготовления подложек.

    Таблица 2.
    Свойства материалов, применяемых для изготовления деформируемых зеркал.
    Наименование Марка, название Плотность, т/м.куб Модуль упругости, Гпа Модуль сдвига, Гпа Коэффициент Пуассона КЛТР, 10-6 Твердость, Нв, Мпа Теплопроводность, Вт/м.К
    Молибден МЧВП 10,2 310 120 0,31 5,27 1800 138
    Нерж. сталь 12Х18Н9Т 8 200 - - 16,6 1350-2000 14,5-15,1
    Сталь ХВГ 8 200 - - 11 - -
    Инвар 32НКД 8 - - - 0,9 - 11
    Медь - 8,96 110-130 41,5-44 0,38 16,7 400-1000 400
    Алюминий - 2,69 70 25-26,5 0,31 23,3 150 237
    Кремний - 2-2,33 110-160 - - 2,54 - 150
    Ситалл СО115М 2,5 110-160 - - 0,25-0,6 - 1,2
    Кварц КВ 2,2 74 32 0,18 0,4 - 1,2
    Пьезокерамика ЦТС-19 - 73,4 26,8 - 4-4,5 - -
    Сапфир - 4 382 - - 6,7 - 47
    Стекло ЛК-7 2,3 69,3 29,1 0,19 4 - 1,2
    Карбид кремния - 3,22 392 - - 2,8-3,3 - 350
    Серебро - 10,5 72-83,5 27-29,5 0,37 19 - 430

    Как следует из таблицы, применяемый нами для изготовления подложек молибден, обладая высокими прочностными свойствами, имеет одинаковый с пьезокерамикой коэффициент линейного термического расширения, высокую теплопроводность, всего втрое уступая меди.
    Что касается плавленого кварца, традиционного оптического материала, то его использование в качестве материала деформируемых зеркал в комментариях не нуждается.

    Конечно, таблица не претендует на полноту как по разнообразию материалов, так и по перечню параметров. Так, в таблице не нашли отражения технологические свойства материалов: полируемость, коррозионная стойкость и т.п.

  2. Количество каналов управления. Принципиально различны лишь одно- и многоканальные зеркала. Технология секционирования пьезокерамики в настоящее время позволяет выполнять практически любой рисунок секционирования для многоканальных зеркал. Технологические ограничения существуют лишь на точность выполнения секционирования и минимальную ширину токопроводящих дорожек на уровне 0.2 мм и минимальный размер сегмента около 4-5 мм.(Мы не рассматриваем здесь присущие полупроводниковой промышленности фотолитографические методы.) Естественно, принципиально сложной оказывается система управления таким зеркалом, имеющим число каналов свыше 1000, однако, и эта инжененерная проблема имеет решение.
    На Рис.4 для примера показаны два различных рисунка секционирования с 19 каналами управления.


    Рис. 5. Примеры рисунков секционирования многоканальных биморфных зеркал.

  3. Заданная исходная форма поверхности. Технологически простейшей формой поверхности является плоскость. Практически часто желательно иметь исходную форму поверхности сферически вогнутую.
  4. Допускаемое отклонение исходной формы от заданной. Если заданной формой является плоскость, то этот параметр эквивалентен PV-PWR. На Рис.6 показана характерная интерферограмма исходной поверхности металлического зеркала.



    Рис. 6. Характерная интерферограмма исходной формы биморфного деформируемого зеркала АТ24.

  5. Теоретическая форма деформации отражающей поверхности. Для биморфных зеркал,- и это одно из фундаментальных преимуществ этого вида деформируемых зеркал, -теоретическая форма является сферической. В таблице 3 представлены коэффициенты разложения по полиномам Цернике реальной формы рабочей поверхности биморфного деформируемого зеркала.

    Таблица 3.
    Коэффициенты разложения (в интерференционных полосах F=l/2) экспериментальной функции отклика деформируемого зеркала АТ24 по полиномам Цернике (управляющее напряжение 20В).


    № полинома Коэффициент при полиноме № полинома Коэффициент при полиноме № полинома Коэффициент при полиноме
    1 0 8 0.039 15 0.018
    2 0 9 -0.007 16 -0.025
    3 0 10 -0.064 17 -0.031
    4 1.260 11 -0.024 18 -0.036
    5 -0.014 12 0.039 19 0.002
    6 0.001 13 -0.015 20 0.026
    7 -0.065 14 -0.030 21 0.013


    Из таблицы видно, что функция отклика данного зеркала практически соответствует дефокусировке Z4, коэффициент при котором превышает остальные по крайней мере на порядок.
  6. Допускаемое отклонение деформированной поверхности от теоретической. Наблюдаемое отклонение формы от сферической иллюстрируется Рис.7.

    Рис. 7. Отличие формы биморфных зеркал от теоретической: слева – на краю, справа – в центральной зоне.По оси х - расстояние от центра зеркала в мм, по оси y - деформация в мкм.
    Отличие формы от сферической заметно на краю зеркала, где сказываются условия жесткого закрепления (Рис. 7а). Наблюдающиеся в ряде случаев некоторые отличия формы от сферической в центральной зоне металлического зеркала АТ24 (Рис.7б) связаны скорее всего с неоднородностью пьезоматериала, к тому же они всегда были много меньше рабочей длины волны (менее l/20).
  7. Световая апертура. Для некоторых применений была признана недостаточной. Принципиальных ограничений для увеличения апертуры пока не выявлено.Мы располагаем технологическими возможностями для изготовления зеркал с максимальным размером 500 мм.
  8. Максимальная мощность падающего излучения (лучевая стойкость) подтверждена испытаниями.
  9. Принудительное охлаждение имеет только зеркало АТ24. Охлаждающая жидкость (например, вода) не должна содержать взвешенных частиц, поскольку система охлаждения зеркала имеет каналы сечением менее 0.5х0.5 мм.
  10. Максимальная частота. В действительности первая резонансная частота составляет несколько кГц.


    Рис.8. Амплитудно-частотная характеристика биморфного зеркала АТ24. слева – до заполнения, справа – с заполнением пеногерметиком.

    На Рис.8 показана экспериментальная амплитудно-частотная характеристика зеркала АТ24 без демпфирующего заполнения и охлаждающей жидкости. Заполнение уменьшает добротность электромеханического резонанса в 2-3 раза и снижает резонансную частоту примерно на 10%.
  11. Чувствительность. Определяется из зависимости стрелки прогиба части поверхности в пределах апертуры от управляющего напряжения. Чувствительность пропорциональна пьезомодулю d31. Пьезомодуль максимален сразу после поляризации пьезокерамики. Пьезомодуль в течение нескольких недель уменьшается до величины, составляющей около 50% от первоначальной и затем остается постоянной в течение долгого времени. Приведены минимальные значения чувствительности в конце срока службы.
  12. Диапазон допустимых управляющих напряжений ограничен со стороны положительных напряжений электрической прочностью пьезокерамики. Со стороны отрицательных напряжений более жесткое ограничение связано с опасностью переполяризации пьезокерамики.
  13. Диапазон кривизны. Под кривизной понимается величина, обратная радиусу кривизны отражающей поверхности. Зависимость кривизны деформируемого зеркала от приложенного электрического напряжения иллюстрируется Рис.9. Эта зависимость неоднозначна вследствие гистерезиса.
  14. Гистерезис. У деформируемых зеркал на основе биморфной структуры наблюдается электромеханический гистерезис – т.е. отставание деформации по фазе от приложенного электрического напряжения (Рис.9).


    . Рис. 9. Зависимость перемещения поверхности деформируемого зеркала от приложенного электрического напряжения.

    В его основе лежит явление динамического упругого гистерезиса, осложненного сегнетоэлектрическим гистерезисом в пьезокерамике. Площадь кривой гистерезиса является мерой внутреннего трения материалов зеркала и характеризует величину тепловых потерь. В качестве иллюстрации на Рис.10 показана зависимость температуры обособленного зеркала АТ24 с выключенным охлаждением от времени работы при различных частотах. (Это испытательный, а не рабочий режим).
  15. Срок службы. Мы производим биморфные деформируемые зеркала с 1994 г., но отчетливых данных о сроке службы все еще не имеем. Те данные, которыми мы располагаем, говорят, что могут быть три главных причины выхода из строя деформируемых зеркал.
    * Падение отражательной способности покрытия. Данная причина обусловлена не столько свойствами зеркала, сколько свойствами окружающей его среды, например, запыленностью.
    * Нарушение механической целостности конструкции вследствие усталости. Учитывая малые величины относительной деформации тоже маловероятно. Имеющиеся экспериментальные данные относятся к величинам ~6.106 циклов полной амплитуды деформации, при которых никаких последствий не отмечалось.
    * Выход из строя пьезокерамики вследствие диффузии материала обкладок. Характерные времена жизни составляют 10-20 тыс. часов.
    Мы предполагаем, что назначенный ресурс наших зеркал будет составлять несколько тысяч часов или около 109 циклов полной деформации.
  16. Другие параметры деформируемых зеркал, как нам кажется, в комментариях не нуждаются.

3. Использование одноканального БДЗ в составе резонатора непрерывного лазера


Испытания одноканальных деформируемых зеркал были проведены на непрерывных СО2 лазерах «Гарпун-2000» и «ХЕБЪР-1А».
На испытаниях с СО2-лазером было обнаружено, что при установке зеркала в откачанный резонатор его изначально плоская отражающая поверхность деформируется атмосферным давлением в выпуклую с радиусом кривизны 74…53 м, так что итоговый радиус кривизны при подаче управляющего напряжения полной амплитуды изменяется от выпуклой с радиусом кривизны около +9 м до вогнутой с радиусом кривизны около -29 м. Для оценки радиуса кривизны использовался коллимационный метод. 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, формирую исходную отражающую поверхность 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 с радиусом кривизны –30 м и полупрозрачными выходными зеркалами с радиусами кривизны –30 м (для многомодового режима генерации) и –15 м (для одномодового режима генерации). В состав резонатора входят также плоские поворотные зеркала. Вся оптика резонатора является охлаждаемой, диаметр глухого и выходного зеркал составляет 6 см, общая длина резонатора 6.5 м. Схема измерений показана на Рис. 11.


Рис.11. Схема испытаний деформируемого зеркала АТ24 в резонаторе СО2 лазера «Гарпун-2000»: а) в статическом режиме, б) в импульсно-периодическом режиме.
1 – резонатор, 2 – выходное зеркало, 3 – поворотные зеркала, 4 – деформируемое зеркало, 5 – измеритель выходной мощности, 6 – вольтметр, 7 – регулируемый источник питания, 8 – импульсный фотоприемник, 9 – осциллограф, 10 – блок управления, 11 – генератор импульсов.

Испытания проводились в статике и динамике, как в одномодовом, так и в многомодовом режимах.
Результаты статических испытаний иллюстрируются Рис.12. Во всех испытаниях получено стабильно воспроизводимое управление выходной мощностью лазера.

Динамические испытания проводились в многомодовом режиме генерации, максимальная частота импульсов составляла 400 Гц. Импульсная мощность регистрировалась с помощью фоторезистора на основе Ge-Au, охлаждаемого жидким азотом. Во всех испытаниях получен устойчивый режим модулированной добротности резонатора, которому соответствует выброс мощности в начале каждого импульса излучения. Длительность этого выброса 0.2…0.4 мс, амплитуда в 2-3 раза превышает мощность излучения в импульсе.
Аналогичные испытания охлаждаемое деформируемое зеркало АТ24 прошло в резонаторе лазера совместного российско-болгарского производства «ХЕБЪР-1А» при мощности падающего на зеркало излучения до 2.1 кВт и излучаемой мощности до 600 Вт. В полученном стабильном импульсно-периодическом режиме, кроме того, качественно отмечалось улучшение распределения мощности излучения в пределах пятна излучения по сравнению с работой лазера в непрерывном режиме.
Полученные в результате данных испытаний результаты свидетельствуют о том, что деформируемые зеркала пригодны для использования внутри резонаторов лазеров для реализации импульсно-периодического режима и режима модулированной добротности.

4. Экспериментальные результаты управления положением перетяжки СО2 лазера с помощью БДЗ, установленного в оптический тракт.


Деформируемое зеркало АТ24 также прошло испытания в промышленном лазерном комплексе “LFP – Laserbeam cutting and welding system”, созданном и модифицированном компаниями «Nti Lasertechnik + Metallbau GmbH & Co. KG», “Held Lasertechnik GmbH”, “WB-Laser GmbH.
В состав комплекса входит СО2-лазер TRIAGON TR6000, серийно выпускаемый компанией “WB-Laser GmbH” (г. Мюнхен) и портальная система Robomatics, выпускаемая одноименной компанией в Израиле. Схема общего вида лазерного технологического комплекса представлена на Рис.13. схема оптического тракта - на Рис.14.

Рис.13. Оптическая система транспортировки излучения и портальная система лазерного технологического комплекса “LFP – Laserbeam cutting and welding system”

Деформируемое зеркало устанавливалось вместо штатного зеркала №3 (Рис21) под углом 45° к падающему излучению.


Рис.14. Оптическая схема транспортировки излучения в лазерном технологическом комплексе “LFP- Laserbeam cutting and welding system”.

Расчет показал, что подача управляющего напряжения на деформируемое зеркало позволяет смещать фокус на +9.6 мм и –6 мм относительно начального (штатного) положения.
Рис. 15. Изменение качества поверхности реза при включении деформируемого зеркала.
Испытания проводились в режиме резания и пробивки отверстий.
Изменение качества поверхности реза нержавеющей стали толщиной 8 мм при включении деформируемого зеркала и сохранении неизменной скорости резания иллюстрируется Рис.15.
В режиме пробивки отверстий получено примерно двукратное повышение производительности.

5.Пути дальнейшего развития и использования БДЗ.


В настоящее время проведен значительный объем научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по созданию БДЗ и технологии их производства. Апробация одноканальных БДЗ на ряде промышленных лазерных технологических установок показала, что применение БДЗ перспективно для улучшения качества обработки, повышения производительности и расширения круга решаемых задач.
Технология производства БДЗ и производственные мощности уже сейчас позволяют выпускать несколько сот зеркал в год. Нам представляется, что разработчикам лазерной техники следует более интенсивно использовать в своих разработках элементы адаптивной оптики.
В настоящее время, кроме выпуска обычных зеркал, перечисленных ранее, мы интенсивно ведем разработки деформируемых зеркал, предназначенных для решения более узких задач. Например, для этой цели предназначено зеркало АТ27 с цилиндрической рабочей формой. Такое зеркало может быть перспективным при создании импульсных лазеров фемто- и аттосекундного диапазона длительностей.[3]

References.
  1. http://www.laser.ru/adopt/intrctrl/ 11 Nov. 2000.
  2. K. Bar, B.Freisleben, C.Kozlik, R.Schmiedl. “Adaptive optics for industrial CO2 laser systems”. Lasers in Engineering. Vol.4, 233-242 (1995).
  3. E. Zeek, R. Bartels, M.M. Murnane, H.C. Kapteyn, S. Backus, G. Vdovin, “Adaptive pulse compression for transform-limited 15-fs high energy pulse generation.” Optics Letters, 25(8),587-591 (2000).
Июнь 2001 г.
Обновлено 5 октября 2004г.
Hosted by uCoz