Промышленно-ориентированные высокоточные аддитивные и высокопроизводительные обрабатывающие лазерные технологии для изготовления изделий из широкого круга функциональных и конструкционных материалов

Решаемые научно-технические задачи, полученные и ожидаемые результаты

В 2020 году

Разработана конструкция и проведены исследования параметров (зависимостей энергии импульса, спектра, выходной оптической мощности от частоты следования импульсов) мощного импульсного лазера зеленого диапазона с мощностью свыше 30 Вт.

1. Важнейшие результаты по направлению научных исследований, полученные в период реализации соглашения в отчётном году с момента заключения соглашения.

Исследования направлены на разработку мощного волоконного лазера зеленого и ультрафиолетового спектральных диапазонов для использования в высокоточных аддитивных и обрабатывающих промышленных лазерных установках. Целью исследований на данном этапе являлось создание макета мощного волоконного пикосекундного лазера с длинной волны излучения в зеленой части спектра и малой шириной спектральной линии излучения.

В ходе проделанной работы был разработан и изготовлен макет мощного волоконного лазера зеленого диапазоне. Лазер реализован по схеме мастер-осциллятор-усилитель мощности и в качестве задающего лазера использовался полупроводниковый DFB лазерный диод с длинной волны излучения 1064 нм в режиме модуляции усиления, дополненный одним каскадом волоконно-оптического предусилителя. Выходная мощность задающего лазера составляла 20 мВт при частоте следования импульсов 0.5 МГц и 80 мВт при 10 МГц. Использование волоконно-оптического усилителя на основе активного тейперированного волокна, легированного иттербием, позволило получить свыше 80 Вт выходной мощности на длине волны 1064 нм при частоте следования 10 МГц. При этом ширина спектральной линии составляла величину менее 100 пм, что до настоящего времени было не достижимо для волоконных пикосекундных лазеров на основе LMA волокна. Продемонстрированная возможность сохранять узкую ширину линии при значениях пиковой мощности на уровне сотен киловатт является особенностью процесса усиления в активных тейперированных волокнах. Узкая ширина линии способствует повышению эффективности генерации второй гармоники при указанном уровне пиковой мощности, соответствующей длительности импульса 50 пс.

Схема макета мощного волоконного лазера с длиной волны излучения 532 нм представлена на рисунке.

Схема макета мощного волоконного лазера зеленого спектрального диапазона. λ/2 – полуволновая пластина, Л1 – фокусирующая линза, М1, М2 – дихроические зеркала, LBO – кристалл трибората лития.

Изготовленный макет зеленого пикосекундного лазера продемонстрировал генерацию на длине волны 532 нм, ультраузкую спектральную линию шириной менее 100 пм и среднюю выходную оптическую мощностью 32 Вт при частоте следования импульсов 10 МГц.

2. Сопоставление полученных результатов по направлению научных исследований с мировым уровнем

Развитие практически всех ключевых отраслей экономики, включая аэрокосмическую, автомобилестроительную, медицину, микроэлектронику и фотонику, основано на использовании новых функциональных и конструкционных материалов, таких как керамика, композиционные материалы, новые сплавы, нано- и биоматериалы и др. При этом новые материалы требуют новых технологий их обработки, которые должны характеризоваться сверхвысокой точностью, высокой производительностью и одновременно низкой себестоимостью процесса. Развитие технологий цифрового проектирования требует появления производственных технологий, позволяющих получить сверхсложные геометрии изделий из любого современного материала. Этого можно достичь с помощью лазерных технологий обработки, основанных на использовании мощных пикосекундных лазеров, дающих высочайшее качество обработки практически любых современных и перспективных материалов. Новейшим трендом является использование пикосекундных лазеров для аддитивных технологий для повышения точности выращивания и расширения спектра материалов для реализации аддитивного процесса.

Развитие технологий обработки пикосекундных лазерами привело к необходимости использования коротковолновой части спектра, например зеленой (520-535 нм) или ультрафиолетовой (355 нм), дополнительно к традиционной ближней инфракрасной области (1 мкм). Это позволяет довести точность обработки с использованием пикосекундных лазеров до субмикронного уровня, расширить спектр, обрабатываемых с высоким качеством, материалов, включить в него пластики, термочувствительные композиты, органические материалы. В последние несколько лет быстрыми темпами развивается использование пикосекундных зеленых лазеров для 3-Д печати биологических объектов.

В настоящий момент на рынке в основном представлены твердотельные мощные пикосекундных лазеры зеленого и ультрафиолетового (УФ) диапазонов со средней выходной мощности на уровне 20-30 Вт с частотой повторения импульсов не выше 1 МГц, что ограничивает их производительность. Стоимость таких лазеров превышает 150 000 долл., что резко ограничивает спектр их применения. При этом более компактные, экономичные, надежные, эффективные и дешевые волоконные лазеры со сравнимыми характеристиками на рынке отсутствуют. Поэтому представляет практический интерес создание мощных волоконных пикосекундных лазеров с длинной волны излучения в зеленой и УФ частях спектра.

Отдельным направлением применений пикосекундных лазеров в зеленой и УФ частях спектра является лидарная техника и промышленная сенсорика. Использование нетрадиционных для стандартной лидарной техники областей спектра и длительностей импульсов позволяет осуществлять черезсредное (например воздух-вода) поиск и обнаружение объектов, а также скрытых и замаскированных объектов. Чрезвычайный интерес представляет использование длины волны 532 нм с шириной линии излучения менее 100 пм для быстро расширяющегося рынка промышленной рамановской спектроскопии с временным разрешением, применяемой в совокупности с интеллектуальными алгоритмами для мониторинга и управления технологическими процессами при производстве лекарственных препаратов, в пищевой и химической промышленности, при добыче полезных ископаемых и др.

В настоящей НИР показано, что использование активных тейперированных волокон в качестве усилителя мощности в волоконных пикосекундных лазерах позволяет сохранять ширину линии менее 100 пм вплоть до пиковой мощности 1 МВт, что дает возможность реализовать эффективную генерацию второй гармоники для импульсов длительностью 50 пс, получаемых при использовании в качестве задающего лазера DFB полупроводниковый лазерный диод в режиме модуляции усиления. С использованием данного волоконного усилителя продемонстрирована схема волоконного зеленого спектрального диапазона с длиной волны излучения 532 нм и шириной оптического спектра менее 100 пм, работающего в импульсном режиме с длительностью импульса 50 пс и частотой следования импульсов 0,5–10 МГц, средней выходной мощностью оптического излучения 32Вт, при максимальной эффективности генерации второй гармоники 48%. Полученные в работе результаты соответствуют текущему мировому уровню в разработке мощных пикосекундных лазеров зеленого диапазона.