Развитие ЛПМет в НПП «Исток» началось в 1972 г., когда в одной из лабораторий, занимающихся газовыми лазерами, стали проводиться исследования ЛПМ. В настоящее время разработкой ЛПМ занимается лаборатория лазеров на парах металлов и их применения. Период развития 1972-1979 гг. Интерес к ЛПМ в НПП «Исток» возник после того, как в ФИАН СССР им. П.И.Лебедева была получена высокая эффективность этого лазера [50-56]. В 1972-1973 гг. в НПП «Исток» были проведенынаучно-исследовательские работы (НИР) «Криостат» и «Каспий», в хо де которых были изготовлены первые макетные образцы отпаянных саморазогревных ЛПМ, отрабатывались вопросы долговечности АЭ и надежности импульсных высоковольтных источников питания с во дородными тиратронами типа ТГИ1-2000/35. Предложенная в 1974 г. сотрудниками НПП «Исток» и ФИАН СССР относительно простая конструкция саморазогревного ЛПМ [121] явилась основой для про ведения в НПП «Исток» серии НИР и опытно-конструкторских работ (ОКР). В ходе выполнения ОКР «Криостат-1» (1974-1975 г.) был разработан первый в СССР и в мире промышленный отпаянный са- моразогревный ЛПМ «Криостат» с тиратронным источником питания. Вакуумноплотная оболочка АЭ металлостеклянная, разрядный канал керамический (А^Оз), диаметр и длина канала 12 и 900 мм со ответственно. Средняя мощность излучения 3-5 Вт, диапазон ЧПИ 5-20 кГц, потребляемая мощность от выпрямителя источника питания 2,2-2,5 кВт (КПД 0,15-0,25%), гарантированная наработка 200 ч, расходимость пучка излучения 3 мрад и время готовности 40-50 мин (по уровню 80%). Этот лазер, которому дано обозначение ЛПМИ-75, с источником питания ИП-18 в 1975 г. демонстрировался на Междуна родной выставке в Мюнхене (Германия). Лазер «Криостат» использо вался в основном для накачки перестраиваемого по длинам волн ЛРК марки ЛЖИ-504 (А = 530-900 нм). В НИР «Криоген» (1974-1975 гг.) и ОКР «Криоген-1» (1976- 1977 гг.) исследовались усилительные свойства активной среды ЛПМ и был разработан первый промышленный широкоапертурный оптиче ский квантовый усилитель (ОКУ) яркости изображения с усилением не менее 30 дБ, выходной средней мощностью излучения 0,5-1 Вт и минимальной наработкой не менее 300 ч. Диаметр и длина раз рядного канала АЭ, разработанного в качестве ОКУ, составляют 20 и 400 мм соответственно. Вакуумноплотная оболочка ОКУ — металло- керамическая (керамика 22ХС). ОКУ на парах меди был предназначен для использования в качестве усилительного микропроектора в уста новке визуального контроля изделий микроэлектроники (например, УВКЛ-1000). ОКУ использовался в технологическом оборудовании для операции испарения (удаления) вещества с микроучастков поверх ностей изделий микроэлектроники, для усиления яркости изображения в устройствах считывания информации с микрофиша и в других опти ческих системах [55]. С целью повышения эффективности (мощности и КПД) и надежности ЛПМ были проведены НИР «Криолит» (1977— 1978 гг.) и «Криолит-1» (1978-1979 гг.). В НИР систематизированы литературные данные и проведены экспериментальные исследования теплофизических и вакуумных свойств и химического состава раз личных порошковых и волокнистых теплоизоляторов. Исследовались коэффициенты теплопроводности теплоизоляторов как функции давления буферного газа, температуры и плотности теплоизолятора, состав выделяемых газов в процессе тренировки. Было показано, что по совокупности положительных свойств наиболее подходящими материалами для теплоизолятора с рабочей температурой Траб ^ ^ 1600°С в ЛПМ являются окись алюминия и циркония (А^Оз и 2Ю2) и их комбинации с другими окислами, для разрядного канала с Траб = 1500-1600°С — чистые А^Оз и ВеС>2. Были рассмотрены также общие принципы построения АЭ, работа кольцевых и табле точных вольфрам-бариевых (Д^-Ва) холодных катодов и с подогревом до 1100°С. Лучшие энергетические характеристики получались с теми АЭ, обезгаживание и тренировка которых проводились более тщательно. При диаметре и длине разрядного канала АЭ (оболочка металлокерамическая) 20 мм и 900 мм соответственно средняя мощность излучения достигла 18 Вт при давлении неона 20 ммрт. ст. Но при низких давлениях долговечность отпаянного АЭ составляла только 100-200 ч. В процессе исследований была обнаружена сильная зависимость мощности излучения от длительности импульсов тока накачки. Исследовался источник питания на модуляторных лампах ГМИ-29А, выполненный по схеме с частичным разрядом накопитель ной емкости. При использовании лампового источника формировались импульсы тока длительностью 50-70 не (ЧПИ 10-25 кГц), что в 3-4 раза меньше, чем при использовании тиратронного. Например, средняя мощность излучения экспериментального ЛПМ с тиратронным источником составила 4 Вт, с ламповым — до 14 Вт. В НИР «Криолит» с целью снижения рабочей температуры ЛПМ (примерно на 1000 °С) были проведены экспериментальные иссле дования с использованием галогенидов меди в качестве активного вещества. Наилучшие результаты получены с однохлористой медью (СиС1). При давлениях неона 10-15 ммрт.ст. практический КПД достигал 1% (при средней мощности излучения 16 Вт). В каче стве вакуумноплотной оболочки АЭ использовалась кварцевая трубка с внешней теплоизоляцией. Внутри оболочки были установлены лег ковесные шамотные диски с диаметром отверстия 20 мм для обра зования разрядного канала. Рабочее вещество — галогенид меди — закладывалось между шайбами на внутреннюю поверхность кварцевой оболочки. Основными недостатками этого лазера являются большой расход рабочего вещества и нестабильность параметров выходного излучения. В НИР «Криолит-1» были рассмотрены основные типы конструкций АЭ и требования к его узлам при длительной эксплуатации в условиях высоких температур. Материалы, применяемые в АЭ, должны обла дать низким газовыделением и малой теплоемкостью, теплоизолятор — низкой теплопроводностью, причем следует исключить попадание его в разрядный канал, расплавленная медь не должна перекрывать апер туру канала, применяемые материалы должны быть химически сов местимыми и т . д . Таким образом, оптимальное конструирование А Э сводится в первую очередь к выбору разумных компромиссов между противоречивыми требованиями к его отдельным элементам и узлам. Впервые в качестве теплоизолятора с низкой теплопроводностью был применен материал из мелкодисперсных полых микросфер из А ^ О з . Максимальная наработка АЭ в НИР «Криолит-1» при давлении нео на 100 мм рт. ст. (диаметр и длина разрядного канала соответствен но 20 и 900 мм) составила около 400 ч. В работах [122, 123] исследован ЛПМ при высоких давлениях буферного газа неона, что важно для повышения долговечности АЭ. В экспериментальных ЛПМ «Криостат» срок службы отпаянного са- моразогревного АЭ составил примерно 3000 ч при давлении буферного газа (неона) 300 ммрт. ст., ЧПИ 10 кГц и мощности, потребляемой от выпрямителя источника питания, 2,3-2,5 кВт [122]. После 2000-4 наработки мощность излучения снизилась в два раза (с 4 до 2 Вт). Но практический КПД был очень низким и составлял 0,08-0,2%, т. е. на уровне КПД аргонового лазера. Период развития 1980-1989 гг. Этот период начинается с НИР «Кристалл» (1979-1980 гг.), в которой в результате широких исследований были созданы три типа отпаянных саморазогревных АЭ на парах меди — «Кулон», «Квант» и «Кристалл» со средней мощностью излучения от 1 до 15 Вт. Минимальная (гарантированная) наработка АЭ была повышена в 2-3 раза (до 500-1000 ч), время готовности и потребляемая мощность существенно снизились. НИР «Кристалл» стала основой для проведения ОКР «Квант», «Кристалл-1» и «Кулон», в рамках которых были уже разработаны промышленные отпаянные АЭ нового поколения с металлокерамической оболочкой. При разработке АЭ и создании на их основе излучателей, лазеров и технологических и медицинских установок основное внимание уделялось повышению КПД, мощности, удельным характеристикам, качеству излучения, улучшению эксплуатационных параметров и их воспроизводимости в процессе длительной наработки. В ОКР «Квант» (1981-1982 гг.) разработан АЭ с минимальной наработкой не менее 500 ч, временем готовности не более 50 мин и уси лением не менее 30 дБ для применения в качестве усилителя яркости изображения в проекционных микроскопах типа «ЛПМ-1000» и тех нологических установках типа «Луч-30». АЭ «Квант» в соответствии с техническими условиями (ТУ) имеет условное обозначение УЛ-102. Отношение длины разрядного канала (400 мм) к диаметру апертуры АЭ (20 мм), определяющее поле зрения микроскопа, составляет 20:1. Мощность излучения прибора в режиме генератора равна 5-7 Вт. В ОКР «Кристалл-1» (1981-1982 гг.) разработан первый отече ственный промышленный отпаянный АЭ с относительно высокой средней мощностью излучения ( 1 0 - 1 5 Вт) при ЧПИ 8-12 кГц, временем готовности не более 60 мин, минимальной наработкой не менее 500 ч для применения в составе прогрессивного технологического оборудования для изготовления изделий электронной техники. АЭ «Кристалл-1» в соответствии с ТУ имеет обозначе ние ГЛ-201. В это же время был создан малогабаритный АЭ «Кулон» (ГЛ-204) с мощностью излучения 2-4 Вт при ЧПИ 10-20 кГц. На базе двух АЭ ГЛ-201 в период с 1983 по 1986 г. был разработан и исследован первый отечественный ЛПМ «Карелия» (ЛГИ-201) с по вышенными энергетическими характеристиками и высоким качеством излучения, работающий по схеме ЗГ-УМ. Накачка АЭ осуществляет ся от двухканального синхронизированного тиратронного или лампово го источника питания. Средняя мощность излучения двухканального ЛПМ составляет не менее 30 Вт (импульсная мощность 200 кВт), он имеет управляемую (за счет изменения конфигурации резонатора ЗГ) расходимость пучка от нескольких миллирадиан до 0,1-0,2 мрад (дифракционный предел) при ЧПИ 8-12 кГц. При таком качестве импульсного излучения в 1984 г. проведены первые эксперименталь ные исследования процессов резки и сверления лазерным пучком различных материалов толщиной 0,3-3 мм (Си, А1, Мо, Та, АДА, Д16Т, 12Х18Н10Т, У8, ВК6, фольгированный текстолит, оргстек ло и др.). Двухканальный ЛПМ «Карелия» стал основой для создания лабораторной автоматической лазерной технологической установки (АЛТУ) «Каравелла» (1986-1987 гг.), предназначенной для прецизи онной обработки материалов, используемых в производстве изделий электронной техники. На АЛТУ «Каравелла» продемонстрирована возможность прецизионной резки и сверления большой группы метал лических, полупроводниковых и диэлектрических материалов, многие из которых до этого момента практически не были включены в сферу лазерной микрообработки. Показано, что «Каравелла» позволяет на порядок сократить сроки изготовления малых и средних партий изделий электронной техники по сравнению с традиционными методами, включая и электроискровую обработку. В это же время (1986 г.) была создана экспериментальная лазерная медицинская установка «Янтарь-Ф» с ЛПМ «Карелия» со средней мощностью излучения на выходе световода не менее 10 Вт для локали зованных термических воздействий на патологические очаги (коагуля ция, терапия, хирургия). В качестве световода, передающего на объект излучение ЛПМ, использовалось гибкое кварцевое моноволокно диа метром 0,2-1,0 мм. Основное достоинство кварцевого световода — высокая лучевая прочность (1010-10п Вт/см2). Поэтому по световоду с малыми диаметрами можно передавать «большие» средние мощности излучения (единицы и десятки ватт). На базе одного АЭ ГЛ-201 в 1989 г. был разработан излу чатель «Клен» (ИЛГИ-202), а на его основе в 1990 г. — ЛПМ «Курс» (ЛГИ-202) с модернизированным тиратронным источником питания ИП-18. Суммарная средняя мощность излучения лазера ЛГИ-202 составляет 20-25 Вт при ЧПИ 10 кГц и мощности, потребляемой от выпрямителя ИП-18, примерно 2,7 кВт, гаранти рованная наработка на отказ — 500 ч. Лазер предназначен для накачки перестраиваемых по длинам волн ЛРК (0,53-0,71 мкм), комплектования медицинских и технологических установок и научных исследований. За период 1980-1989 гг. проведен большой объем эксперименталь ных и теоретических работ с целью повышения мощности и КПД лазера на парах меди, исследования структуры и повышения каче ства его выходного излучения [124-132]. Установлено, что структура излучения с оптическим резонатором многопучковая (обычно наблю дается от трех до пяти пучков). Каждый пучок излучения обладает своими пространственными, временными и энергетическими характе ристиками. Применение неустойчивого резонатора телескопического типа с коэффициентом увеличения М = 50-300 приводит к формиро ванию пучков излучения с расходимостью близкой к дифракционной и дифракционной. В режиме работы с одним зеркалом структура излучения двухпучковая. С одним выпуклым зеркалом, радиус кривиз ны которого на два порядка меньше длины АЭ, формируется пучок с расходимостью близкой к дифракционной и с высокой стабиль ностью характеристик [131, 132]. Исследована структура излучения и его характеристики в лазерных системах типа З Г - У М [126-132]. Период развития 1990-2003 гг. Этот период развития отпаянных ЛПМ характеризуется поис ком и созданием новых конструктивных и технологических решений, эффективных электрических схем накачки с целью повышения гаран тированной (минимальной) наработки АЭ до 1000 ч и выше, средней мощности излучения до 5 0 - 1 0 0 Вт при практическом КПД не ме нее 1%, импульсной мощности излучения до 2 5 0 - 5 0 0 кВт, энергии в импульсе до 5-10 мДж. Проведены исследования пространствен ных и временных характеристик выходного излучения ЛПМ с такими уровнями мощности для разных оптических систем как в режиме генератора, так и в режиме усилителя мощности. Разработка мощ ных и надежных ЛПМ с высоким качеством излучения стимулирова лась потребностью создания отечественных технологических установок для разделения изотопов, для высокопроизводительной прецизионной обработки материалов электронной техники, а также для создания медицинских установок [130, 131, 133-174]. В НИР «Кубань» (1989-1990 гг.) был создан экспериментальный ЛПМ с синхронизированным трехканальным тиратронным источником питания и модернизированным излучателем «Карелия», работающим по схеме З Г - У М , со средней мощностью излучения ~ 105 Вт, импульсной мощностью 500 кВт, энергией в импульсе ~ 10 мДж и расходимостью близкой к дифракционной (0,3-0,4 мрад) при ЧПИ 10 кГц. В качестве ЗГ использовался АЭ «Кулон» (ГЛ-204) с мощностью излучения 3-4 Вт (диаметр разрядного канала 12 мм), в качестве УМ — два АЭ «Кристалл-32Д» с мощностью 50-55 Вт (диаметр канала 32 мм). ЛПМ «Курс» был использован при разработке первых в Рос сии относительно мощных лазерных медицинских установок «Янтарь- 2Ф» и «Яхрома-2» с гибкими кварцевыми световодами для передачи излучения на биологический объект. В установке «Яхрома-2» для рас ширения спектра излучения дополнительно применен перестраивае мый по длинам волн ЛРК (0,58-0,7 мкм). Мощность на рабочем конце световода установки «Янтарь-2Ф» составляет 5-10 Вт (А = = 0,51 и 0,58 мкм), установки «Яхрома-2» — 0,5-5 Вт. Основное применение прибора «Янтарь-2Ф» — разрушение атеросклеротических бляшек, тромбов и патологических тканей под рентгеновским кон тролем в эндоскопической хирургии [29, 30], прибора «Яхрома-2» — лечение онкологических заболеваний методом фотодинамической те рапии [139-141] с использованием фотосенсибилизаторов (фотогем, фотосенс и др.) [28, 33, 34, 133-141]. Установка «Янтарь-2Ф» с при менением АЭ «Кристалл» на парах золота со средней мощностью излучения 4-6 Вт (А = 0,628 мкм) успешно использовалась для фо тодинамической терапии. Специфической областью применения уста новок является дерматология и косметология, благодаря тому что возможна эффективная избирательная коагуляция пигментных и со судистых повреждений за счет существенного различия их погло щения на длинах волн 0,51 и 0,58 мкм [32]. В настоящее вре мя разрабатывается и внедряется новое поколение малогабаритных с воздушным охлаждением медицинских установок типа «Яхрома- Мед» и «Ауран» на базе лазеров на парах меди и золота серии «Кулон» [26, 32, 139]. В период 1990-2003 гг. АЛТУ «Каравелла» эффективно использова лась как для экспериментальных исследований, так и для изготовления прецизионных деталей электронной техники, в основном для СВЧ- приборов на предприятии «Исток» [142-153]. В НПП «Исток» в период с 1998 по 2002 г. проведена разработка и начат выпуск новых моделей высокоэффективных промышленных отпаянных саморазогревных АЭ на парах металлов серии «Кулон» с выходной средней мощностью излучения от 1 до 15 Вт (ГЛ-206 (А, Б, В, Г, Д, Е, Ж)) и серии «Кристалл» с мощностью от 30 до 55 Вт (ГЛ-205(А, Б, В, Г)) [25, 26, 154-175]. Минимальная наработка для АЭ на парах меди составляет более 1000 ч, на парах золота — 500 ч. Практический КПД для ЛПМ серии «Кулон» в режиме генератора равен 0,3-0,8%, серии «Кристалл» — 1-1,2%. В режиме усилите ля мощности практический КПД для ЛПМ «Кристалл» возрастает в 1,3-1,4 раза, а физический КПД (по мощности, вводимой в АЭ) составляет около 3%. В настоящее время продолжается совершен- ствование лазеров этого класса с целью повышения их надежности и качества выходного излучения, а также увеличения мощности. Ве дутся работы в направлении повышения эффективности ЛПМ за счет добавок водорода. Новые модели АЭ отличаются от устаревших моде лей типа ТЛГ-5 (1975 г.), УЛ-101 (1976 г.), УЛ-102, ГЛ-201 и ГЛ-202 (1982 г.), ГЛ-204 (1986 г.) меньшей потребляемой мощностью, повы шенными КПД, долговечностью и качеством излучения. Сравнитель ный анализ параметров ЛПМ производства НПП «Исток» и зарубеж ных аналогов свидетельствует о том, что удельный съем мощности и минимальная наработка отпаянных отечественных ЛПМ в 2-4 раза выше [26, 173-175]. |
