Розробка розширювача лазерного променя на потужність 10 кВт.

У потужних волоконних лазерних системах ключовим є керування діаметром променя для зниження щільності потоку енергії на оптичних поверхнях. При потужностях у десятки кіловат навіть незначне поглинання викликає нагрів і деформації дзеркал, що погіршує якість пучка, спричиняє дрейф оптичної осі і знижує ефективність передавання енергії.

У статті запропоновано позаосьовий касегренівський розширювач променя, здатний працювати з 10-кіловатним безперервним лазером. Основна мета – мінімізувати теплові деформації та зберегти стабільну якість пучка при високій потужності.

Автори статті розробили схему, що складається з асферичного первинного дзеркала з ситалу та сферичного вторинного дзеркала з сапфіру або ситалу, змонтованих у легкій інваровій рамі, рис.1.

Рисунок 1 – Оптична схема позаосьового касегренівського розширювача.

Промінь входить під кутом і двічі відбивається, збільшуючи діаметр з 15 мм до 60,4 мм. Така позаосьова конфігурація дозволяє уникнути центрального екранування і зменшує локальні теплові навантаження. Це критично для роботи з багатокіловатним випромінюванням.

На основі попередніх розрахунків та моделювання створено легку інварову раму з гнучкими кріпленнями, яка забезпечує механічну стабільність і термостійкість системи, рис.2.

Рисунок 2 – 3D-модель конструкції розширювача

Система вийшла компактною (2,9 кг) і має велику апертуру при малій товщині, що спрощує інтеграцію у лазерні комплекси. Завдяки гнучким кріпленням дзеркала захищені від механічних напружень і теплових зсувів.

Щоб дослідити нагрів, автори побудували FEM-модель та оцінили теплове навантаження, рисунок 3 – 4.

Рисунок 3 – Система координат FEM-моделі

Рисунок 4 – Карта теплового навантаження

Основне навантаження припадає на центральну область, що в подальшому було промодельовано за 150-секундний проміжок часу, рис. 5.

Рисунок 5 – Розподіл температур у дзеркалах через 150 с : (a) Сапфірове вторинне дзеркало. (b) Склокерамічне вторинне дзеркало. (c) Первинне дзеркало

Результати показали: сапфірове дзеркало нагрівається до ≈34 °C, склокерамічне – до ≈42 °C. Це підтверджує, що вибрана комбінація матеріалів дозволяє працювати у стабільному режимі навіть при 10 кВт потужності.. Наступним кроком оцінено дрейф оптичної осі, при запропонованих дзеркалах, рис.6.

Рисунок 6 – Зміщення оптичної осі на дзеркалах

З рисунку 6 чітко видно, що дрейф осі на сапфіровому вторинному дзеркалі не перевищує 2 μrad, тоді як на склокерамічному він майже відсутній і має стабільний характер. Це означає, що навіть при нагріванні система зберігає високу точність.

Наступним кроком було перевірено як система поведе себе при зсуві вхідного пучка на 4 мм, рис.7.

Рисунок 7 – Змодельовано зсув вхідного пучка на 4 мм

Результати показали, що температура зростає до 36 °C, деформації сягають 0,127 λ, але якість пучка лишається прийнятною (βmax=1.28). Дрейф оптичної осі не перевищує 28 μrad. Це демонструє, що система має запас стійкості до збурень.

Після етапу моделювання було виготовлено експериментальний зразок розширювача променя з сапфіровим вторинним і ситаловим первинним дзеркалом, рис.8.

Рисунок 8 – Фото зібраного прототипу розширювача променя

На фото видно компактність конструкції та її модульне кріплення, що забезпечує просту інтеграцію у випробувальний стенд.

Для підтвердження працездатності розширювача було проведено серію експериментів на безперервному лазері потужністю понад 10 кВт. Основними завданнями були: оцінити теплову стабільність, перевірити хвильовий фронт та визначити якість пучка. На першому етапі застосували інтерферометричний контроль для оцінки деформацій поверхонь при роботі системи, рис.9.

Рисунок 9 – Схема інтерферометричних вимірювань хвильового фронту

Метод дозволив зареєструвати RMS-відхилення фронту хвилі на рівні лише 0,043 λ, що свідчить про мінімальні деформації й точне виготовлення дзеркал. Далі було проведено 140-секундний тест безперервної роботи з потужністю 10,1 кВт. Особливу увагу приділили стабільності випромінювання у дальньому полі, рис.10.

Рисунок 10 – Еволюція плями у дальньому полі протягом 140 с роботи: (a) 1 с; (b) 15 с; (c) 35 с; (d) 65 с; (e) 95 с; (f) 140 с.

Форма плями залишалася сталою, без суттєвих викривлень чи асиметрій. Це підтверджує, що нагрів елементів конструкції не спричиняє деградації якості пучка навіть у режимі високої потужності.

Висновки

• Розширювач продемонстрував мінімальні деформації хвильового фронту (RMS=0,043 λ).
• При тривалій роботі на потужності 10,1 кВт форма плями у дальньому полі залишалася стабільною.
• Параметр якості променя залишився близьким до дифракційної межі (βavg=1.14), що підтверджує ефективність системи.

Таким чином, запропонований позаосьовий касегренівський розширювач є придатним для використання у високопотужних лазерних комплексах з вимогами до стабільності та якості випромінювання.

Wei Shi, Rui Li, Haibo Zhang, Chunlai Liu, Xin Zhou, Zhijun Yuan, Yuan Wan, Bing He, Junqing Meng, Xia Hou

Optical Engineering, 2025, Vol. 64(7), 075101. https://doi.org/10.1117/1.OE.64.7.075101