Направления исследований:

- разработка мощных СО2- лазеров

- взаимодействие лазерного излучения с веществами

1. Исследования взаимодействия мощного лазерного излучения с веществом в процессе лазерной резки.

В течении последних 3-5 лет в ИТПМ СО РАН впервые в Мире  было предложено   и начата разработка принципиально нового подхода к исследованию процессов воздействия мощного лазерного излучения на вещество применительно к разработке лазерных технологий обработки материалов, основанного на создании физической модели с определением законов подобия, безразмерных параметров и нахождение их критических значений, определяющих физические условия воздействия излучения на материал.

Данный подход был впервые применен для решения конкретной  задачи определения оптимальных условий качественной, т.е. с минимальной шероховатостью, резки низкоуглеродистой стали  большой толщины СО2  лазером с применением кислорода в качестве технологического газа  и доказал свою высокую эффективность.

Впервые были найдены безразмерные параметры, определяющие данный процесс, показано существование функциональной зависимости безразмерной шероховатости всего от трех параметров: безразмерной мощности лазерного излучения, число Пекле и отношения ширины реза к толщине листа,  экспериментально найдена форма этой функции и определено  критическое  значение указанных параметров, обуславливающее минимальное значение данной функции. В практическом плане данный результат  позволил обосновать  выбор технологических параметров оптимального  условия реза с минимальной шероховатостью. 

Для лазерной резки низкоуглеродистой стали с кислородом, в качестве вспомогательного газа, экспериментально исследована зависимость шероховатости поверхности от параметров резки при толщине листов 5…25 мм.  Установлено, что минимум шероховатости  поверхности (Rz / t = const) достигается в том случае, если во всем диапазоне толщин остаются постоянными величина лазерной энергии, приходящейся на единицу объема удаляемого материала и мощность на единицу толщины листа.

Развиваемый подход позволил впервые показать, что  все потоки энергии, входящие в энергетический баланс  при лазерной резке стали (мощность излучения лазера; мощность экзотермической реакции окисления железа кислородом; мощность, затрачиваемая на  плавление металла в зоне реза; мощность, теряемая  из зоны реза за счет теплопроводности в окружающий метал), отнесенные к единице толщины листа, не зависят от t.

            Показано, что входящие в энергетический баланс удельные потоки мощности (AWy/t,  Pm/t, PG/t и PFe) имеют близкие значения. Экспериментальный разброс этих величин лежит в интервале (130-170) Вт/мм.

 Таким образом, определены закон подобия и критериальные  зависимости, определяющие качественный рез.

Дальнейшее развитие работы связано с расширением круга исследования по экспериментальному обоснованию  законов подобия и  безразмерных параметров, определяющих  процессы высокоэнергетического  воздействия на вещество на лазеры с другой длиной волны (1,07 мкм для волоконного лазера по сравнению с 10,6 мкм для СО2 лазера) и использование в качестве  технологического не только кислород но и инертный газ, в частности, азот, воздух.

2. Исследования взаимодействия мощного лазерного излучения с веществом в процессе лазерной сварки и лазерной термообработки.

3. Исследования взаимодействия мощного лазерного излучения со сверхзвуковыми потоками воздуха.

В ИТПМ СО РАН развивается также комплексный подход по обоснованию  законов подобия и  безразмерных параметров  для исследования взаимодействия излучения не только с твердыми веществами, но и  с потоками газа.

В институте впервые в условиях реальной аэродинамической установки на сверхзвуковом потоке воздуха создан оптический пульсирующий разряд. Выполнено исследование эффективности передачи лазерной  энергии в сверхзвуковые потоки с целью разработки физико-технических методов управления структурой течения газа при обтекании летательного аппарата. При предварительном исследовании высокоэнергетического импульсно периодического  лазерного воздействия на частотах до 80 кГц на сверхзвуковые потоки воздуха получены сведения о связи между эффективностью воздействия, характеристиками потока (скорость, давление, плотность), энергетическими и временными характеристиками лазерного излучения.

 Новизна исследований данного проекта  состоит в использовании мощного импульсно – периодического лазера с частотой до 150 кГц  для зажигания оптического  пульсирующего разряда и эффективного поглощения энергии в потоке с числом Маха до 4, определении безразмерных параметров, обуславливающих эффективность этого процесса

 4. Исследования взаимодействия мощного лазерного излучения с биотканями

НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ
1.           Научная программа

 1.1.  Физика газовых лазеров

  • Электрические методы возбуждения активной среды.
  • Взаимодействие тлеющего разряда с потоком газа. (Влияние тлеющего разряда на газодинамические, акустические, электрические и оптические характеристики среды).
  • Физика и техника лазерных резонаторов, расходимость луча. *(1,2)
  • Термодинамика и гидромеханика мощных лазеров с замкнутым циклом потока газа.*(3)
  • Принципы создания мощных лазеров. (метод накачки, тепло- и массообмен, гидромеханика, средства прокачки, извлечение мощности).
  • Непрерывный СО2- лазер со средней мощностью до  20 кВт* (10)

 1.2.  Взаимодействие мощного лазерного излучения с веществом.

  • Состояние вещества при воздействии на него мощных потоков излучения с длиной волны 10 - 0.2 мкм при мощности 107 -1010  Вт/см2
  • Многофазная газодинамика в узких щелях при наличии мощных источников энергии.*(4,5)
  • Совместное воздействие на мишень луча и плазменных источников энергии. Физика и техника лазерного плазмотрона.
  • Ввод, распространение и поглощение  мощного излучения с учетом фазовых переходов в облучаемом материале.

 1.3.  Тепломассоперенос при воздействии мощного лазерного   излучения в режиме испарения.

 1.4.  Лазерная металлургия.

2.      Прикладная программа.

 2.1.  Создание автоматизированных лазерных технологических комплексов (АЛТК) для обработки материалов.

  • Разработка источников питания для накачки мощных лазеров.
  • Создание ряда мощных квазистационарного СО2 лазеров мощностью до 20 кВт.
  • Разработка основных принципов и научное сопровождение создания технологических столов для лазерной обработки материалов.

 2.2.  Разработка автоматических систем управления и контроля лазерным     технологическим процессом.

 2.3  Разработка научных и технических основ лазерной технологии обработки материалов

  • Резка

  • Лазокс
  • Использование сверхзвукового течения для резки         
  • Сварка