Тема: Импульсный наносекундный твердотельный лазер

[ingener21]

Попробую кратко объяснитьс суть вопроса.
Для нужд прямой непроекционной литографии возникла идея найти/купить/собрать лазер с такими параметрами:
1. Энергия импульса регулируемая 1-10 мДж (пределы регулирования можно уменьшить)
2. Длительность импульса 5-10 нс (не критично, можно и 1 и 15 нс, на фемтосекунды не имеет смысла)
3. Длина волны 1064 или 532 нм. Это еще вопрос, т.к. опытным путем выяснено, что защитный лак хорошо (30-50% в пленке 5-10 мкм) пропускает 808 нм и полностью (за пределами разрешения прибора) поглощает китайские лазерные указки на 405, 455, 532 нм. На 1064 - полная неизвестность, но чисто экспериментально поглощение должно быть хорошим, т.к. в приборе ночного видения он выглядит черным.
4. Частота повторения импульсов не более 200Гц (опять не критично, даже 30-50Гц вполне устраивают). Время паузы между импульсами от 0.01...0.005с и более.
5. Качество луча... хочется, конечно, написать ТЕМ00, но нет острой необходимости. Достаточно иметь диаметр луча в точке фокуса не более 0.02...0.04мм, т.е. сравнительно далеко от дифракционного предела. Не вижу ничего страшного в применении дублета с компенсацией сферической аберрации или асферики.
6. Применение водяного охлаждения КРАЙНЕ НЕЖЕЛАТЕЛЬНО по технологическим причинам. Хотя и возможно.

Итого интегрально имеем: средняя мощность не более 2 Вт, модуляция добротности, импульсная мощность не более 200кВт, только импульсный режим работы. Параметры весьма умеренные.

Собственно, лазер должен испарять (не сжигать за счет атмосферного кислорода, а именно испарять) полимерный защитный лак, напыленный на металле (медь или никель). Небольшие повреждения (до 18 мкм в глубину) металла не возбраняются, хотя и необходимости такой нет. Поэтому можно ориентироваться только на испарение полимерного покрытия.

Итак вопрос: в какую сторону двигаться?
Понятно, что самый простой способ пойти и купить готовый лазер, но лишнего миллиона нет. И нет полной уверенности, что идея себя вообще оправдает.

Насколько адекватна мысль попробовать собрать такой лазер на неодимовом стекле и диодной накачке? По частям или на фабричном квантроне?
Какие модуляторы добротности применить акустооптический или на ячейке Керра/Поккельса/Фарадея?
Сконструировать оптику и изготовить электронику накачки диодов и управления модулятором мы скорее всего сможем, т.к. опыт в разработке большой. А вот с такими лазерными системами работать не приходилось вообще. Вообще, это посильная задача для небольшого коллектива инженеров и к.т.н. не работавших с лазерами?

[Охотник]

А чем не устраивает обычный ламповый квантрон? Тут думаю хватит обычного серийного к104 квантрона, с лампой инп-5/60А - дешево и сердито. Диодный вам обойдется многократно дороже, а еще будет сложнее источник питания. Что касается затворов, акустооптические вроде применяют чаще с непрерывными лазерами в лазерных маркерах, не знаю сможет ли он 5-10нс сделать импульс. Еще как вариант пассивный затвор на кристалле LiF или Gr:YAG.

[ingener21]

Охотник, спасибо!
Да меня все устраивает, лишь бы оно работало. Непонятно, потребуется ли ради всего 2 Вт средней выходной мощности городить водяное охлаждение. Если потребуется, то лазерные диоды на пельтье-модулях значительно удобнее конструктивно. Высоковольтный поджиг лампы в совокупности с высокой частотой повторения импульсов тоже не слишком приятная задача. Хотя тоже  решаемая. Если делать с нуля - большой разницы нет. Все равно чертить, макетировать, отрабатывать, собирать, потом опять разбирать и т.д.
Пассивные затворы на  LiF или Gr:YAG тоже имеют право на жизнь, вопрос в том, кто их видел в работе и что с них можно получить?
 

[ingener21]

Хм... сейчас только додумался... да, старею. При ламповой накачке неодимового стекла КПД около 1%. Для 2 Вт средней мощности потребуется 200Вт (тоже средней) накачки. Воздушным охлаждением это не отведешь, придется водяное охлаждение типа 2-5 литров в минуту.
Ну, еще терпимо.
В отношении диодной накачки КПД намного выше (при удачном попадании в длину волны поглощения до половины) и можно обойтись только воздушным охлаждением. Но цена лазерных диодов будет высока, это тоже правда.
И вообще, импульсные нс-лазеры диодами качают?

[Охотник]

Современные возможно и качают, но я только ламповые видел, ничего сложного в блоке питания и охлаждения лампового квантрона нету. Бп надо будет около 1 киловатта чтоб хотя бы при 40-50дж в накачке давал 20гц повторение импульса, на выходе без затвора будет около 0.5-1дж, а с затвором ваши искомые миллиджоули, даже с избытком. В качестве кондеров подойдут 2-3шт к75-17 50мкф 1000в. Воздушным охлаждением при диодной накачке тоже не обойдетесь, диоды эти греются дай боже, и надо строго держать его температуру 25гр или около того чтоб длинна волны не плавала. На мой взгляд смысла самоделку делать на диодном нет, потратите уйму денег с сомнительным результатом. Пассивные затворы видел в лазерных дальномерах, там как раз нужен импульс около 10нс, правда частота повторения там очень низкая. К сожалению не знаю насколько живучи кристаллы при большой частоте повторения. И еще замечу, на стекле импульсный лазер в частотном режиме не сделать, плохая теплопроводность и стойкость стекла, использовать только ND:YAG. Как раз на квантронах К104 и делались установки с частотой повторения импульсов до 100гц.

[ingener21]

Охотник, спасибо еще раз за подробный ответ!
Да, преобразователь на 1кВт/1кВ не такая уж технически навороченная штуковина - справимся.
Но, как конструктор внесу некоторые уточнения. Буду ориентироваться на следующие литературные истоники:
1. Е.А. Зельдин. Импульсные газоразрядные лампы и их схемы включения. М. "Энергия", 1964г.
2. И.С. Маршак. Импульсные источники света, 2-е изд., М. "Энергия", 1964г.
3. В.М. Вакуленко. Источники питания лазеров. М. "Советское радио", 1980г.
Для импульсной лампы количество вспышек до выхода из строя обратно пропорционально фактору нагрузки С*U^4 (при малой индуктивности разрядного контура), т.е. для увеличения ресурса лампы целесообразнее уменьшать напряжение конденсатора и увеличивать его емкость. При этом длительность разряда конденсатора (в зависимости от индуктивности цепи и паразитных сопротивлений проводов) как правило укладывается между линейной пропорциональность С и степенной С^(1/2).
Т.е. в моем случае (вероятно, не только в моем) выгоднее питать лампу от большого количества параллельно соединенных конденсаторов при возможно меньшем напряжении питания при котором еще обеспечивается накачка среды. Кроме того надо разрядные характеристики лампы посмотреть. Возможно, что она склонна к переходу от частичного разряда к дуговому при большой частоте следования импульсов. Тогда блок питания существенно усложнится. Но, это тоже решаемо.
Если верить И.С. Маршаку, то лампа вряд ли протянет более 100-300 тыс. вспышек или при 50Гц получится от 33 до 99 рабочих часов. Для проверки идеи - еще терпимо, но трудоемко с точки зрения создания блока питания.

С диодной накачкой как пишут умные люди еще хуже. У лазерных диодов на 808нм длина волны зависит от мощности излучения в данный момент времени и температуры кристалла. Т.е. их мало охлаждать, нужно еще стабилизировать ток накачки и поддерживать температуру пельтье-модулем (или той же водяной системой охлаждения) иначе можно не попасть в полосу поглощения Nd. И это все при ресурсе в 10000 часов в импульсном режиме.

Обе задачки примерно равноправны по инженерным сложностям, но вторая существенно дороже. Китайцы за дохленький 50Вт квантрон на на стержне Nd-YAG 3x65mm (http://www.sino-laser.com/dpsscw.html) хотят 2500$, а за 100Вт - 4000$. С ценами на отечественные ламповые квантроны все понятно, даже за 3т.р. можно найти.

Так что, Охотник, видимо, заключение совершенно справедливо. Для начальных опытов типа "запустить и поиграться" лучших вариантов чем ламповый советский квантрон нет.
Зеркала с подвижками, оптику найти не проблема, осталось понять, как (и какой???) затвор сувать и что после него из лазера выйдет.
0.5-1Дж в импульсе совершенно не нужно и даже противопоказано. Сгорит все к чертям - или мишень или сам затвор.

[Охотник]

100-300тыс эт наверно сильно нагруженная проживет, 50дж для инп-5/60 что камариный укус
http://www.znt.ru/products/pump-lamps/36-i-lamps/23--560-1--590-1
тут указаны основные параметры и видно что долговечность у нее 5·10^7-5·10^8 и напряжение питания 650-1500 в, так что я все правильно вам сказал по конденсаторам. И кстати промышленные бп, например фирмы Fedal, как раз так и собраны 2-6 кондера 50мкфх1000 в паралель или последовательно-паралельно. Более подробно по расчету разрядной цепи есть тут же на форуме, или в книжке Вакуленко. Еще надо знать что при большом токе через лампу в импульсе пассивный затвор может успеть несколько раз просветлится и у вас будет вместо одного серия наносекундных импульсов, поэтому напряжение на батарее придется подобрать, ну или использовать электрооптический затвор.

[Chief13]

Внесу свою лепту:
1. Охлаждение 200гц х 10 мДж при диодной накачке обеспечивается при комнатной температуре одним каскадом Пельтье и радиатором с хорошим вентилятором.
2. отклонение +-3 градуса при термостабилизации лазерных диодов не сильно сказываются на энергии генерации.
Спектр поглощения Nd^YAG от 806-808 нм (808 нм - максимум поглощения, далее резкий спад). Смещение спектра лазерного диода около 0,4 нм/градус.
3. из 10 мДж 1,064 мкм можно получить 6-7 мДж в 0,532 нм.
4. Размер пучка в фокусе определяется расходимостью исходного пучка и фокусным расстоянием фокусирующей линзы. При фокусном растоянии 50 мм одно значение, а при 500 мм, соответсвенно, в 10 раз выше.
5. На мой взгляд, такая работа для людей, ранее не имевших опыта работы с лазерами, будет достаточно долгой.
6. Хороший знакомый, мой бывший коллега, заказывал блок для диодной накачки у Fedal. При проверке длительности и амплитуды токового импульса оказалось, что индикация амплитуды импульса на дисплее блока сильно врет относительно фактического значения, измеренного при помощи токового пробника, хотя сигнал с собственного шунта блока показывал то, что нужно. Вот такая у него несогласованность с самим собой.
7. На мой взгляд, такая работа для коллектива, не имевшего опыта даже работы с лазерами, не говоря уже о их разработке, может превратится в очень долгий путь, полный разочарований.
8. Себестоимость комплектующих такой системы с диодной накачкой и электрооптическим затвором будет около 400 тыс. р. плюс стоимость лабораторного блока питания 300-400 т.р. (с каналом термостабилизации, необходимыми синхронизациями, регулировками длительности и амплитуды токовых импульсов.).

[ingener21]

Охотник, да я и не настаиваю. С ИНП-5/60А лично дела никогда не имел. Просто есть некоторый опыт работы с трубчатыми ИФП без охлаждения. Там при подходе к паспортной энергии импульса ресурс сокращается стремительно. Возможно со времен Маршака что-то изменилось в лучшую сторону.
У ИНП-5/60А как-то странно пишут (http://www.znt.ru/products/pump-lamps/36-i-lamps/23--560-1--590-1):
Удельная энергия , Дж/см (для режима 20-100Гц): 1,3-4
При длине разряда 60 мм получается максимум 7.8...24Дж за импульс. Возможно, что именно на этой энергии и обеспечивается заявленный ресурс в 5*10^8...5*10^7 разрядов.
Да и не сильно оно важно, в любом случае поверю Вам на слово.
И, кстати, весьма ценное замечание на счет пассивного затвора. Действительно, можно промахнуться с энергией накачки и получить пачку импульсов. Если пассивный затвор и ставить, то только с контролем по быстрому фотоприемнику и цифровому осциллографу (благо он есть), а то на выходе неизвестно что получится.

[Охотник]

Для контроля фотоприемник можно установить со стороны глухого зеркала, в некоторых промышленных лазерах так было. Я когда экспериментировал получал следующие цифры, в накачке был кап 100мкф 2000в, заряжал до 860в, таким образом накапливал около 36дж, лампа инп 5/60 активный элемент был с уже напыленными зеркалами 6.3х100мм, на выходе получал 0.5-0.6дж(есть заводской импортный измеритель энергии), правда без затвора. В общем этого более чем достаточно для вашего эксперимента.

[ingener21]

Chief13, и Вам спасибо!
А случайно нет ли  ссылки хоть на какой-нибудь прибор близкий по параметрам? Точного соответствия, скорее всего, не будет, хотя бы рядом что-то.

Еслиговорить строго, то диаметр точки фокуса определяется многими параметрами. Это и начальная расходимость луча, его физический диаметр, модовый и спектральный состав, конструкция оптической системы, марка стекла, качество стекла и поверхностей в оптике, распределение энергии по сечению луча и т.д.  Да, кстати, надо сразу оговорится, что считать диаметром. Тот диаметр на краю которого материал уже перестает обрабатываться или по диску Эйри с 83.8% энергии.
Перечислять можно долго, легче смоделировать, хотя бы и оценочно, в Zemax. НУ, спасибо за замечание, я не голословно заявил, что с фокусировкой работающей установки как-нибудь разобраться можно. 20...40 мкм очень далеки от теоретического предела неодимовых лазеров. Эти цифры скорее характерны для чего-нибудь длинноволнового типа СО2.

Собственно такая мысль какую Вы обрисовали изначально и была. Покупной (китайский, скорее всего) квантрон на 808нм лазерных диодах, охлаждение диодов пельте-модулями (с термодатчиками и управлением), здоровенный медный радиатор, модулятор добротности (видимо электрооптический???) зеркала, подвижки для юстировки, фокусирующая оптика, блок питания диодов со стабилизацией тока, блок питания для пельте с контролем температуры, блок питания/управления модулятором, блок синхронизации накачки диодов и времени срабатывания оптического затвора. Конструкция, мягко говоря, наукоемкостью не блещет - выглядит тупо как бревно. С другой стороны даже бревно надо грамотно обтесать, на хорошего плотника люди не один год обучаются.

китайский квантрон с диодами и стержнем в сборе 1500...2500$
электроуправляемый затвор (однозначно покупной) 1500$
два зеркала с подвижками (однозначно покупные), допустим не более 1500$
пельтье плюс вся электроника с радиаторами - частично самопал, частично покупное - не более 3000$
токарно-фрезерные детали - тут кое-что свое можем сделать за весьма скромные деньги
итого не более 8000....9000$  Плюс месяц-другой работы коллектива. Не быстро и не дешево.
За такой бюджет мне голову не оторвут, но посмотрят косо. Если есть готовый работающий лазер за такие же деньги, то смысла нет. Если в 2-3 и более раз дороже, то со мной даже разговаривать не станут. У начальника любимая присказка: "вроде большие дядя уже, университеты позаканчивали, а все как малые дети - купи, да купи. Сделай!!!". Вот и думаю как свой диплом отработать.

На сию секунду дешевле и быстрее выглядит твердотел с ламповой накачкой. Или покупной б/у еще живой лазер.

Chief13, понимаю Ваш скепсис. Конечно, доля правды в этом есть, осваивать новую всегда тяжелее чем идти по накатанной. Конечно, ошибок понаделать придется и это абсолютно закономерно. С другой стороны махать перед лицом начальника своими дипломами и требовать большую зарплату, не делая при этом ничего нового и не развиваясь как профессионал - стыдно. Chief13, как Вы думаете, какова цена таким анжинерам?

Вот читаю документашку на китайский твердотел 50Вт с диодной накачкой http://www.sino-laser.com/dpsscw.html
Ток накачки 20-25А, напряжение 18В (т.е. не более 450Вт), порог генерации 7...10А, точность поддержания температуры 0.1...0.2 градуса. 100Вт квантрон - не сильно страшнее. Если совсем честно, но по отдельности все задачи сравнительно простые и не слишком-то затратные. Регулируемый импульсный блок питания со стабилизацией тока на 25А/18В/100-2000мкс с точностью не хуже 1% не может стоит 400т.р. Хотя, с нашей рыночной экономикой все может быть. Школьник на коленке не осилит, но этом никто и не говорил. Сделается такой блок питания не за день и не за три копейки, но ничего сверхъестественного доступного только посвященным я тут не вижу.
Поддержание температуры с точность 0.1 градус да еще при переменной нагрузке? Да, задачка немного более сложная. При расходе теплоносителя 6 л/мин получается теплосъем 420Дж/(градус*сек). При 450Вт пикового тепловыделения есть риск свалится в область неустойчивости, поэтому только ПИД-регулятор (на стандартных комплектующих), байпасная ветка с отдельным электроприводом  и емкость системы минимум литров 20...25, тоже не абы какое техническое достижение. Дольше ПИД-регулятор настраивать, чем его проектировать.
Остается массивное основание с малыми температурными деформациями (или термостатированием?), синхронизация накачки с открытием затвора, сборка, настройка электрических режимов, юстировка оптической системы. Вот только в последнем пункте чувствую полную беспомощность, а это ключевой момент всей истории.

И вся это свистопляска ради 2Вт? Терзают смутные сомнения в целесообразности подобной затеи.
Скорее всего, изначально путь неправильно выбран. В качестве альтернативы можно рассмотреть азотный лазер, но там свои заморочки с ультракороткими временами накачки. Хотя, по мощности и времени импульса - то что надо. Отпаянные объемы вроде как могут частоту до 100Гц обеспечить.

[ingener21]

Охотник, мысль хорошая. Глухое зеркало (если не из металла, конечно) что-то все равно пропускает. Так получится и фотоприемник не сжечь и не перегрузить его для снятия достоверной картины.
Только я уже начинаю сомневаться на счет правильности пути. Азотный лазер лучше подходит по параметрам.

[ingener21]

А вот и итог всего разговора:

http://russian.alibaba.com/

http://russian.alibaba.com/product-gs/yag-laser-marking-machine-for-sale-540239061.html
http://russian.alibaba.com/product-gs/wuhan-new-products-looking-for-agent-representative-yag-laser-metal-marking-machine-1390758141.html
http://russian.alibaba.com/product-gs/cm-lm-s50semiconductor-pumped-yag-laser-marking-machine-laser-marker-laser-marking-system-laser-marking-metal-machine--250342417.html
http://russian.alibaba.com/product-gs/100w-yag-metal-laser-engraving-machine-217838655.html
http://russian.alibaba.com/product-gs/hardware-products-yag-laser-marking-machine-rd-50-1597703802.html
http://russian.alibaba.com/product-gs/yag-laser-marking-machine-1010-529365198.html
http://russian.alibaba.com/product-gs/yag-laser-marking-machine-for-product-code-marking-equipment-520240906.html
http://russian.alibaba.com/product-gs/yag-laser-marking-machine-728866713.html?s=p
http://russian.alibaba.com/product-gs/yag-laser-marking-machinery-518746712.html?s=p
http://russian.alibaba.com/product-gs/cnc-control-metal-yag-metal-laser-marking-machine-1049166022.html
http://russian.alibaba.com/product-gs/yag-laser-cutting-machine-75-1360086842.html
http://russian.alibaba.com/product-gs/yag-laser-engraving-marking-machine-for-glass-craft-467329087.html
и так далее по списку
Продолжать можно очень долго, там много предложений. От серьезных промышленных аппаратов до крохотных настольных граверов. Любые материалы от дерева до стекла. От 2000$ и до 50000$ готовая работающая система под ключ. Сами лазеры еще дешевле. Неизвестно, правда, какого качества и с каким ресурсом, но импульсная мощность лазеров перекрывает мои скромные потребности на порядок и более.
Тут взрослые дядьки на серьезном уровне лампочки с квантронами 30-ти летней давности обсуждают, а китайцы за половину-треть этой стоимости делают рабочие системы на диодной накачке с модуляцией добротности и нисколько не стесняются. Про выбор маломощных СО2-лазерных систем я просто скажу - они их как холодильники штампуют. Кстати, примерно за такие же деньги.

Тему можно закрывать и удалять, ибо стыдно до невозможности.

[ingener21]

И на закуску примеры короткоимпульсных ультракомпатных лазеров.

Размером с чемодан, слеплено в Китае, там стоит дешевле чем у нас один электрооптический модулятор.

http://www.ateko.ru/equipment/LDesigner_Fm.html
http://www.bodorlaser.ru/products/laser-marking-machine/128.html

Словом, полнейший технологический и интеллектуальный аутсайд, господа. 

[Охотник]

Конечно готовый купить всегда проще, но в чем же технологический и самое главное интеллектуальный аутсайд хотелось спросить?  Вам советовали то что проще и дешевле сделать, самоделку на диодном вы скорее всего не потянете. А теперь по китайским лазерам, 2000 долларов может стоить только со2 гравер и никакой иначе, граверы на YAG стоят уже от 10000 долларов, и не известно какой длительности они дают импульсы, такого параметра там нигде не было приведено. Кстати еще не известно DPSS они или ламповые, так как на большинстве фото видно рядом стоящий огромный  ящик чиллера. А последняя фраза вообще повеселила, "китайский гравер стоит дешевле электрооптического модулятора" и это при том что про цену там по ссылкам вообще ничего не написано.