Определение динамических характеристик системы управления мощностью излучения технологических СО2-лазеров с накачкой несамостоятельным тлеющим разрядом

Исследована автоматическая система управления мощностью излучения лазеров с накачкой несамостоятельным тлеющим разрядом на примере технологических лазеров серии "Лантан", которые предназначены для резки, сварки и модификации поверхности различных материалов в составе лазерных технологических комплексов. Мощность лазерного излучения является одним из важнейших параметров лазера, определяющих его технологические возможности. Мощность излучения управляется путем изменения частоты импульсов ионизации, которые представляют собой высоковольтные импульсы напряжения длительностью 100 нс, подаваемые с частотой 1...5 кГц. Экспериментально получена переходная характеристика лазера с несамостоятельным тлеющим разрядом. Лазерное излучение подается на термоэлектрическое зеркало-приемник с анизотропией термоЭДС, которое измеряет его мощность. После предварительного усиления дифференциальный сигнал с зеркала-приемника регистрируется цифровым запоминающим осциллографом. Установлено запаздывание изменения мощности лазерного излучения относительно сигнала управления. Запаздывание составляет 1487 мкс и объясняется тем, что для первоначальной накачки газового объема до начала генерации излучения необходимо несколько импульсов ионизации. Начальный участок переходной характеристики и затухающие колебания объясняются наличием защитного дросселя в схеме подключения источника основного разряда. Дроссель замедляет рост тока при контракции (коротком замыкании) разряда, позволяя автоматическим выключателям отключить электропитание. Для моделирования переходного процесса применяется переходная характеристика колебательного звена. Проведена фильтрация исходного сигнала для удаления помех, которые не позволяют сразу определить параметры переходной характеристики. Для определения спектра переходной характеристики проведено прямое быстрое преобразование Фурье, вырезаны гармоники, вносящие помехи и проведено обратное быстрое преобразование Фурье. По переходной характеристике, полученной после фильтрации, определены параметры моделирующей переходной характеристики. На основе параметров переходной характеристики вычислена передаточная функция лазера с несамостоятельным тлеющим разрядом, что позволяет перейти к расчету оптимального регулятора мощности излучения, обеспечивающего наилучшее качество переходного процесса.

1. Голубев В. С., Лебедев Ф. В. Физические основы технологических лазеров. М.: Высшая школа, 1987. 190 с.

2. Басов Н. Г., Бабаев И. К., Данилычев В. А., Михайлов М. Д., Орлов В. К., Савельев В. В., Сон В. Г., Чебуркин Н. В. Электроионизационный СО2-лазер замкнутого цикла непрерывного действия // Квантовая электроника. 1979. Т. 6. № 4. С. 772—781.

3. Беляев А. П., Дмитерко Р. А., Епишов В. А., Наумов В. Г., Шашков В. М., Шулаков В. Н. Мощный быстропроточный СО2-лазер непрерывного действия с накачкой комбинированным разрядом // Письма в ЖТФ. 1979. Т. 5. В. 6. С. 325—328.

4. Генералов Н. А., Зимаков В. П., Косынкин В. Д., Райзер Ю. П., Соловьев Н. Г. Быстропроточный технологический СО2-лазер комбинированного действия // Квантовая электроника. 1982. Т. 9. № 8. С. 1549—1557.

5. Hill A. E. Continuous uniform excitation of medium pressure CO2 laser plasmas by means of controlled avalanche ionization // Appl. Phys. Lett. 1973. Vol. 22(12). P. 670—673.

6. Generalov N. A., Gorbulenko M. I., Solov’yov N. G., Yakimov 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. Kluwer Academic Publishers, 1996. P. 323—341.

7. 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. 2007. Vol. 6611. Paper 66110K. 8 p.

8. Оришич А. М., Фомин В. М. Актуальные проблемы физики лазерной резки металлов: Монография. Новосибирск: Изд. Новосиб. гос. ун-та, 2011. 192 с.

9. Востриков А. С., Французова Г. А. Теория автоматического регулирования: Учеб. пособ. для вузов. М.: Высшая школа, 2004. 365 с.

10. Шемякин А. Н., Рачков М. Ю., Соловьев Н. Г. Особенности управления мощностью излучения технологического СО2-лазера с несамостоятельным тлеющим разрядом с учетом деградации рабочей смеси газов // Мехатроника, автоматизация, управление. 2013. № 8. С. 50—54.

11. Генератор импульсов ионизации: пат. 2750851 Рос. Федерация / Соловьев Н. Г., Шемякин А. Н., Рачков М. Ю., Якимов М. Ю.; заявл. 30.09.20; опубл. 05.07.21. Бюл. № 19.

12. Glebov V. N., Manankov V. M., Malyutin A. M., Golovatyuk N. N., Zastavny Y. V. Thermoelectric mirror-detector for laser radiation // Proc. SPIE 2257. 1994. P. 225—227.

13. Бесекерский В. А., Попов Е. П. Теория систем автоматического регулирования. М.: Наука, 1975. 768 с.

14. Шемякин А. Н., Рачков М. Ю., Соловьев Н. Г., Якимов М. Ю. Управление мощностью излучения технологического СО2-лазера с несамостоятельным тлеющим разрядом путем изменения частоты импульсов ионизации // Мехатроника, автоматизация, управление. 2020. Т. 21 , № 4. С. 224—231.

15. Цифровые запоминающие осциллографы серии TDS1000 и TDS2000. Руководство пользователя. Tektronix, Inc. 190 с.

16. Математические основы теории автоматического регулирования. Т. 2 / Под ред. Чемоданова Б. К. М.: Высшая школа, 1977. 455 с.

17. Трэвис Дж., Кринг Дж. LabVIEW для всех. М.: ДМК Пресс, 2008. 800 с.

18. Суранов А. Я. LabVIEW 8.20: Справочник по функциям. М.: ДМК Пресс, 2007. 536 с.