Для создания мультикиловаттных технологических лазеров с высоким качеством излучения
в институте были выполнены фундаментальные исследования неустойчивостей и
самоорганизации токовых структур в газовом разряде; исследована роль нелинейных
фазовых неоднородностей активной среды; созданы новые высокоэффективные оптические
компоненты и системы (преобразователи поляризации, дифракционные зеркала, оптические
резонаторы новых схем), разработаны принципы адаптивной коррекции излучения
высокомощных лазеров. Освоены высокоэффективные процессы лазерной резки перспективных
материалов (графита, керамик, спецсталей) и лазерной сварки газо- и нефтепроводных
труб, деталей из алюминиевых сплавов, титановых и высокопрочных сталей. Создана
методика лазерной обработки поверхностей штампового инструмента. В результате этих
исследований разработаны и выпускаются на базе опытно-экспериментального производства
и инновационных структур при Институте промышленные технологические лазеры, а
также лазерные комплексы для резки, сварки и поверхностной обработки материалов.
На сегодняшний день выпущено более 150 лазеров и лазерных технологических комплексов,
работающих как в России, так и за рубежом.
Проведен цикл теоретических и экспериментальных работ:
(1) В интересах разработки газовых лазеров с высоким качеством излучения,
обеспечиваемым пространственно-однородным разрядом, выполнено фундаментальное
теоретическое исследование по моделированию процессов пространственной самоорганизации
токовых структур в газовом разряде. Разработана замкнутая аналитическая модель
процессов самоорганизации токовых пятен в самостоятельном тлеющем разряде. Показано,
что образование пространственных токовых структур является следствием неустойчивости
тьюринговского типа в бистабильной системе с S-образной вольт-амперной характеристикой.
Обнаружена возможность возникновения структур при первоначально однородном
распределении тока без внесения каких-либо специальных инициирующих возмущений.
Установлено существование критического значения плотности тока, при превышении
которого спонтанное образование анодных токовых пятен становится невозможным.
(2) Исследована экспериментально и теоретически роль нелинейных фазовых
неоднородностей активной среды высокомощных лазеров. Показано, что в газоразрядных
лазерах с быстрым турбулентным потоком рабочей смеси, в результате светоиндуцированного
тепловыделения.развиваются мелкомасштабные нелинейные неоднородности рефракции
активной среды. Этот эффект ограничивает качество излучения технологических
лазеров мультикиловаттной мощности.
Методами оптической диагностики: люминесцентным, интерферометрическим, а также
методом четырехволнового смешения, определены характеристики турбулентных пульсаций
плотности и скорости, а также величина оптического структурного параметра
турбулентности Cn2 потока газовой смеси CO2 лазера
с быстрой аксиальной прокачкой. Исследовано влияние газового разряда и процесса
лазерной генерации на амплитуды турбулентных мелкомасштабных оптических
неоднородностей активной среды. Показано, что эти амплитуды в присутствии
газового разряда и генерации лазерного излучения начинают заметно возрастать в
результате нелинейных эффектов локального тепловыделения в условиях термодинамически
неравновесной турбулентной газовой среды. Частотные характеристики турбулентности
хорошо согласуются с теорией однородной изотропной турбулентности при малых
энерговкладах. При возрастании мощности энерговклада, из-за появления шнуровых
неоднородностей в газовом разряде, наблюдается отклонение от закономерностей,
предсказываемых этой теорией. Полученные данные важны для понимания физики
турбулентности в термодинамически-неравновесных потоках газовой смеси. На
основании этих данных предложено применять системы адаптивной оптики для
достижения высокого оптического качества излучения мультикиловаттных лазеров.
(3) Для управления энергетическими, пространственными и поляризационными параметрами
излучения технологических лазеров созданы новые высокоэффективные оптические
компоненты и системы:
интерференционные трансформаторы поляризации лазерного излучения. Это позволило
улучшить технологические параметры качества лазерной обработки материалов.
дифракционные зеркала с сильной анизотропией отражения взаимно ортогональных
компонент излучения, что позволило впервые осуществить радиально поляризованное
излучение СО2-лазера киловаттного уровня мощности. Применение такого
излучения практически вдвое увеличивает эффективность лазерной резки,
а также перспективно в других приложениях.
оптические резонаторы новых схем (с селекцией мод; "устройчиво-неустойчивый"
резонатор), что позволило достичь практически дифракционного предела
(М2 = 1,1-1,2) оптического качества пучка лазерного излучения мощностью
до 6 кВт.
(4) Развита аналитическая дифракционная теория и проведены экспериментальные
исследования высокоэффективного (92-97%) преобразования линейно поляризованного
лазерного излучения в зеркально отраженную волну с наперед заданной поляризацией
(циркулярная или линейная с поворотом плоскости поляризации на произвольный угол)
при резонансном возбуждении ПЭВ на металлических дифракционных решетках
(поляризационные аномалии Вуда). Продемонстрирована эффективность использования
разработанных 90-градусных поляризаторов в составе технологического комплекса по
резке металлов излучением CO2 лазера. Теоретически разработан и экспериментально
реализован ряд дифракционных методов высокоэффективной трансформации падающего
линейно поляризованного излучения в волну с радиальной или азимутальной
(по поперечному сечению пучка) поляризацией.
(5) Разработаны бесконтактные методы и приборы контроля подповерхностных дефектов
в материалах (метод термоволновой микроскопии, метод лазерной оптотермоакустической
диагностики). Такие приборы позволяют обнаруживать дефекты на глубинах до 100мм
при разрешении 50мкм.