novtexmechМехатроника, автоматизация, управлениеMekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie1684-64272619-1253Commercial Publisher «New Technologies»10.17587/mau.21.224-231novtexmech-787Research ArticleАВТОМАТИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИAUTOMATION OF PROCESS CONTROLУправление мощностью излучения технологического СО2-лазера с несамостоятельным тлеющим разрядом путем изменения частоты импульсов ионизацииRadiation Power Control of the Industrial CO2 Laser Excited by а Nonself-Sustained Glow Discharge by Changing the Frequency of Ionization PulsesШемякинА. Н.ShemyakinA. N.

Кандидат технических наук

г. Москва

shemyakin@lantanlaser.ruРачковМ. Ю.RachkovM. Yu.

Доктор технических наук, профуссор

г. Москва

michyur@gmail.comСоловьевН. Г.Solov’evN. G.

Доктор физико-математических наук

г. Москва

solovyov@lantanlaser.ruЯкимовМ. Ю.YakimovM. Yu.

Доктор физико-математических наук

г. Москва

yakimov@lantanlaser.ruИнститут проблем механики им. А. Ю. Ишлинского Российской академии наукРоссияIshlinsky Institute for Problems in Mechanics of the Russian Academy of SciencesRussian FederationМосковский политехРоссияMoscow PolytechRussian Federation202011042020214224231Copyright © Commercial Publisher «New Technologies», 20202020Commercial Publisher «New Technologies»Commercial Publisher «New Technologies»https://mech.novtex.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://mech.novtex.ru/jour/article/view/787

Статья посвящена управлению в автоматическом режиме мощностью излучения технологических СО2-лазеров с несамостоятельным продольным тлеющим разрядом с импульсной емкостной ионизацией серии "Лантан". Данный способ организации разряда позволяет легко управлять мощностью лазерного излучения, обеспечивает высокую оптическую однородность активного объема, стабильность разряда и высокий КПД лазерной генерации. Приведена схема организации несамостоятельного тлеющего разряда с импульсной емкостной ионизацией, этапы создания и краткие характеристики лазеров серии "Лантан". Выбран способ управления мощностью лазерного излучения путем изменения частоты импульсов ионизации, что позволяет организовать работу лазера как в непрерывном, так и в импульсно-периодическом режимах с регулируемой скважностью и длительностью импульсов, а также обеспечивает возможность перехода из одного режима в другой. В непрерывном режиме управление мощностью излучения происходит путем изменения частоты импульсов ионизации, которые представляют собой высоковольтные импульсы напряжения длительностью 100 нс, подаваемые с частотой 1...5 кГц. Управление излучением в импульсном режиме осуществляется модуляцией импульсов ионизации, которая состоит в подаче импульсов пакетами. Частота импульсов в пакете определяет мощность излучения в импульсе, частота следования пакетов — частоту импульсного режима, длина пакета — длительность импульсов. На основе экспериментальных данных определена зависимость мощности излучения от частоты импульсов ионизации. Приведена схема эксперимента и определена точность измерения мощности лазерного излучения и частоты импульсов ионизации. Сбор данных и обработку результатов экспериментов проводили с помощью USB-устройства сбора данных NI 6008 в среде проектирования виртуальных приборов LabVIEW фирмы National Instruments. Для изучения зависимости мощности лазерного излучения от частоты импульсов ионизации применен метод регрессионного анализа. Проведенные исследования показали, что зависимость мощности лазерного излучения от частоты импульсов ионизации носит линейный характер в широком диапазоне параметров. Получено уравнение прямой регрессии, рассчитаны доверительные оценки параметров прямой регрессии и доверительные оценки отклонения теоретической прямой регрессии от эмпирической зависимости при доверительной вероятности 95 %. 

The article describes radiation power control of industrial CO2 lasers of Lantan series excited by а nonself-sustained glow discharge in the automatic mode. These lasers are closed-cycle fast gas-transport lasers excited by a nonself-sustained glow discharge with ionization by periodic-pulsed capacitively coupled auxiliary discharge. In this case, ionization and conductivity are provided by periodic-pulsed capacitively coupled discharge. The energy contribution to molecular oscillations is provided by the passage of the main discharge current through the plasma with electron density given by ionization. This permits easy laser power control, provides excellent optical homogeneity and stability of an active volume together with high laser efficiency. A system of a nonself-sustained glow discharge with ionization by periodic-pulsed capacitively coupled auxiliary discharge, the stages of creation and brief characteristics of the Lantan series lasers is presented. The method of controlling the power of laser radiation by changing the frequency of the ionization pulses is determined. This control method allows operating of the laser in continuous and in pulse-periodic modes with adjustable pulse ratio and pulse duration, and also provides switching from one mode to another. In the continuous mode, the radiation power is controlled by changing the frequency of ionization pulses, which are high voltage pulses with duration of 100 ns, given with the frequency of 1-5 kHz. Pulse-periodic radiation control is performed by modulating ionization pulses that consists of pulses being delivered in batches. The frequency of the pulses in a batch determines the radiation power in a pulse. The frequency of the batches following is the frequency of the pulse mode, and the length of the batch determines the pulses duration. Based on the experimental data, the dependence of the radiation power on the ionization pulses frequency was determined. An experimental system is presented and the measuring accuracy of the laser radiation power and the frequency of ionization pulses is determined. Data acquiring and processing of experimental results were performed using the NI 6008 USB data acquisition device in the LabVIEW programs of National Instruments. To study the dependence of the laser power on Мехатроника, автоматизация, управление, Том 21, № 4, 2020 231 the frequency of the ionization pulses, a regression analysis method was applied. Studies have shown that the dependence of the laser power on the ionization pulses frequency is linear in a wide range of parameters. The equation of the direct regression is calculated. The confidence estimates of the coefficients of the direct regression and the confidence estimates of the deviation of the theoretical direct regression from the empirical one are calculated with a confidence level of 95%. 

технологический лазерсистема управлениянесамостоятельный тлеющий разрядмощность излучения лазерачастота импульсов ионизацииindustrial lasercontrol systemnonself-sustained glow dischargelaser radiation powerionization pulses frequencyReferencesГенералов Н. А., Зимаков В. П., Косынкин В. Д. и др. Быстропроточный технологический СО2-лазер комбинированного действия // Квантовая электроника. 1982. Т. 9. № 8. С. 1549—1557.Generalov N. A., Zimakov V. P., Kosynkin V. D. et al. Ra pidflow combined-action industrial CO2 laser, Soviet Journal of Quantum Electronics, 1982, vol. 9, no. 8, pp. 1549—1557 (in Russian).Reily J. P. Electrically excited flowing gas laser and method of operation // Patent US3721915A (1970).Reily J. P. Electrically excited flowing gas laser and method of operation, Patent US3721915A (1970).Hill A. E. Uniform electrical excitation of large-volume high-pressure near sonic CO2-N2-He flowstream // Applied Physics Letters. 1971. Vol. 18(5). P. 194—197.Hill A. E. Uniform electrical excitation of large-volume high-pressure near sonic CO2-N2-He flowstream, Applied Physics Letters, 1971, vol. 18(5), pp. 194—197.Brown C. O., Davis J. W. Closed cycle performance of a high power electric discharge laser // Applied Physics Letters. 1972. Vol. 21. P. 480.Brown C. O., Davis J. W. Closed cycle performance of a high power electric discharge laser, Applied Physics Letters, 1972, vol. 21, pp. 480.Christensen C. P. Pulsed transverse electrodeless discharge excitation of a CO2 laser // Applied Physics Letters. 1979. Vol. 34(3). P. 211—213.Christensen C. P. Pulsed transverse electrodeless discharge excitation of a CO2 laser, Applied Physics Letters, 1979, vol. 34 (3), pp. 211—213.Seguin H. J. J., Nam A. K., Tulip J. The photoinitiated impulse-enhanced electrically excited (PIE) discharge for high-power cw laser applications // Applied Physics Letters. 1978. Vol. 32. P. 418—420.Seguin H. J. J., Nam A. K., Tulip J. The photoinitiated impulse-enhanced electrically excited (PIE) discharge for highpower cw laser applications, Applied Physics Letters, 1978, vol. 32, pp. 418—420.Богданов М. П., Верин В. М., Генералов Н. А., Зимаков В. П., Картавый С. К., Косынкин В. Д., Лаптев А. Р., Соловьев Н. Г., Штернин Л. А. Технологическая установка УЛГ-2.01 комбинированного действия: импульсно-периодического и непрерывного // Труды Всесоюзной конференции "Применение лазеров в народном хозяйстве". 1986. C. 50—53.Bogdanov M. P., Verin V. M., Generalov N. A., Zimakov V. P., Kartavy S. K., Kosynkin V. D., Laptev A. R., So lov’ev N. G, Shternin L. A. Processing machine ULG-2.01 of combined action: periodic-pulsed and continuous wave, Proceedings Soviet Conf. "Primenenie laserov v narodnom hozyaistve", Moscow, Nauka, 1986, pp. 50—53 (in Russian).Generalov N. A., Gorbulenko M. I., Solov’yov N. G., Yaki mov M. Yu., Zimakov V. P. High-Power Industrial CO2 Lasers Excited by a Non-self Sustained Glow Discharge // In W.J. Witteman and V.N. Ochkin (eds.), Gas Lasers – Recent Developments and Future Prospects. 1996. Kluwer Academic Publishers. Printed in the Netherlands. P. 323-341.Generalov N. A., Gorbulenko M. I., Solov’yov N. G., Yaki mov M. Yu., Zimakov V. P. High-Power Industrial CO2 Lasers Excited by a Non-self Sustained Glow Discharge, In W.J. Witteman and V.N. Ochkin (eds.), Gas Lasers – Recent Developments and Future Prospects, 1996, Kluwer Academic Publishers, Printed in the Netherlands, pp. 323—341.Generalov N. A., Shemyakin A. N., Solov’yov N. G., Yakimov M. Yu., Zimakov V. P. Application of the combined DC and capacitive periodic-pulsed discharge to the excitation of fast-axialflow gas laser // In Laser Optics 2006: High-Power Gas Lasers. Proc. SPIE Vol. 6611, Oleg B. Danilov Ed. // Paper 66110K, 2007. 8 p.Generalov N. A., Shemyakin A. N., Solov’yov N. G., Yakimov M. Yu., Zimakov V. P. Application of the combined DC and capacitive periodic-pulsed discharge to the excitation of fast-axialflow gas laser, In Laser Optics 2006: High-Power Gas Lasers. Proc. SPIE Vol. 6611, Oleg B. Danilov, Ed., Paper 66110K, 2007, 8 p.Шемякин А. Н., Рачков М. Ю. Выбор способа управления мощностью излучения лазерного технологического комплекса с несамостоятельным тлеющим разрядом // Известия МГИУ. 2009. № 3 (16). С. 25—31.Shemyakin A. N., Rachkov M. Yu. The choice of the method of controlling the radiation power of an industrial laser processing machine with nonself-sustained glow discharge, Izvestiya MGIU, 2009, no. 3 (16), pp. 25—31 (in Russian).Цифровые запоминающие осциллографы серии TDS1000 и TDS2000. Руководство пользователя. Tektronix, Inc. 190 с.TDS1000-, TDS2000-series digital oscilloscope. User’s manual. Tektronix, Inc. 190 p.Глебов В. Н., Мананков В. М., Малютин А. М. и др. Термоэлектрическое зеркало-приемник лазерного излучения // Известия РАН. Серия физическая. 1993. Т. 57. № 12. С. 167—169.Glebov V. N., Manankov V. M., Malyutin A. M. and al. Thermoelectric mirror-detector for laser radiation, Bulletin of the Russian Academy of Sciences. Physics, 1993, vol. 57, no. 12, pp. 167—169 (in Russian).Шемякин А. Н., Рачков М. Ю., Якимов М. Ю. Измерение мощности лазерного излучения технологического комплекса с несамостоятельным тлеющим разрядом // Машиностроение и инженерное образование. 2009. № 2 (19). С. 22—29.Shemyakin A. N., Rachkov M. Yu., Yakimov M. Yu. Laser radiation power measurements in an industrial laser processing machine with nonself-sustained glow discharge, Mashinostroenie i Inzhenernoe Obrazovanie, 2009, no. 2 (19), pp. 22—29 (in Russian).USER GUIDE. NI USB-6008/6009 Bus-Powered Multifunction DAQ USB Device. URL: http://www.ni.com/pdf/manuals/371303n.pdf (дата обращения: 02.04.2019).USER GUIDE. NI USB-6008/6009 Bus-Powered Multifunction DAQ USB Device, available at: http://www.ni.com/pdf/ manuals/371303n.pdf (date of the application: 02.04.2019).Трэвис Дж., Кринг Дж. LabVIEW для всех. М.: ДМК Пресс, 2008. 800 с.Travis J., Kring J. LabVIEW for everyone, Moscow, DMK Press, 2008, 800 p. (in Russian).Суранов А. Я. LabVIEW 8.20: Справочник по функциям. М.: ДМК Пресс, 2007. 536 с.Suranov А. Ya. LabVIEW 8.20: Functions Reference book, Moscow, DMK Press, 2007, 536 p. (in Russian).Шемякин А. Н., Рачков М. Ю., Соловьев Н. Г. Исследование характеристик мощности лазерного излучения технологического комплекса с несамостоятельным тлеющим разрядом // Машиностроение и инженерное образование. 2011. № 1 (26). С. 40—48.Shemyakin A. N., Rachkov M. Yu., Solov’yov N. G. Investigation of laser power characteristics in an industrial laser processing machine with nonself-sustained glow discharge, Mashinostroenie i Inzhenernoe Obrazovanie, 2011, no. 1 (26), pp. 40—48 (in Russian).Шемякин А. Н., Рачков М. Ю., Соловьев Н. Г. Исследование влияния деградации рабочей смеси газов на мощность излучения лазерного технологического комплекса с несамостоятельным тлеющим разрядом // Известия МГИУ. 2010. № 3 (20). С. 28—31.Shemyakin A. N., Rachkov M. Yu., Solov’yov N. G. Investigation of the effect of working gas mixture degradation on the radiation power of an industrial laser processing machine with nonself-sustained glow discharge, Izvestiya MGIU, 2010, no. 3 (20), pp. 28—31 (in Russian).Хальд А. Математическая статистика с техническими приложениями. М.: ИЛ, 1956. 664 с.Hald А. Statistical theory with engineering applications, Moscow, IL, 1956, 664 p. (in Russian).Дьяконов В. П. Mathcad 11/12/13 в математике. Справочник. М.: Горячая линия Телеком, 2007. 958 с.Dyakonov V. P. Mathcad 11/12/13 in mathematics. Reference book, Moscow, Goryachaya liniya Telekom, 2007, 958 p. (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.