Как следует из анализа уравнений (3), (4), (6), поперечные размеры сфокусированного лазерного пучка зависят от конфокаль­ного параметра непреобразованного пучка В. Величина В опре­деляется характеристиками резонатора лазера и может изменять­ся в процессе его работы в соответствии с флуктуациями расходи­мости излучения:

£ = 2Х/(т:6о),

где 0о — угол расходимости излучения основной моды. Флуктуа­ции расходимости лазерного излучения обусловлены, в первую очередь, термооптическими явлениями, происходящими в резона­торе.

Основные методы стабилизации расходимости лазерного излу­чения: термостабилизация охлаждающей жидкости; применение активных элементов со специально заданными термооптическими свойствами; управляемое изменение кривизны зеркал резонатора в соответствии с флуктуациями расходимости излучения.

Наряду с этим существует и другой метод стабилизации попе­речного размера сфокусированного пучка, который заключается в специальной настройке оптической системы КФО. Из анализа вы­ражений (3) — (6) следует, что характеристики преобразованного пучка определяются не только параметром В, но и параметрами оптической сиистемы КФО. Очевидно, существует такая возмож­ность выбора этих параметров, при которой влияние флуктуа­ций В будет минимально.

Для примера рассмотрим преобразование лазерного излуче­ния основной моды. Переход к многомодовому пучку осуществля­ется умножением полученных результатов для параметров г иг3 на заданный коэффициент модовости. В резонаторе радиус перетяж­ки пучка излучения основной моды связан с параметром В и дли­ной волны излучения Я следующей зависимостью:

Анализ выражений (65), (66) показывает, что при изменении В перетяжка сфокусированного пучка перемещается либо по ходу пучка, либо в противоположном направлении; при этом изменяет­ся и параметр г3. Для иллюстрации характера зависимости г3(В)

Подпись:на рис. 19 показаны рассчитан­ные по уравнению (66) кривые г3(В) при различных значе­ниях параметра Z. Расчет вы­полнен для сварочной установ­ки «Квант-10»: Я=1,06 мкм; /з, = 70 мм; Г=0,5; Б=500ч-

-М000 мм. Для любого диапа­зона изменений В существует некоторое значение zh при ко­тором флуктуации г3 наимень­шие. Причем в этом диапазоне изменений В для оптимально­го zі, размер пучка г3 имеет максимум.

Так как функция y=B/{Az2 +В2), находящаяся в выражении (66) под знаком корня, удовлетворяет условиям Дирихле, то усло­вие максимума у, а следовательно, и максимума г3 будет dy/dB —

= 0. Путем вычислений находим, что

zv=—B/2. (67

Таким образом, при цастройке КФО на условия Д2 = 0, z,= — —В/2 флуктуации В приводят к малым изменениям г3, причем г3 при изменении В уменьшается. При расположении плоскости свариваемого материала в плоскости перетяжки сфокусированного пучка и движении этих плоскостей по закону, определяемому урав­нением (65), параметр режима сварки г0 будет также уменьшаться.

Для практики более удобен случай, когда свариваемые дета­ли неподвижны, следовательно, возникает задача оптимального расположения свариваемых деталей относительно перетяжки сфо­кусированного пучка.

Аналогично выводу условия (67) легко показать, что наи­меньшие изменения размеров каустики лазерного пучка [выраже­ние (6)] при продольном смещении каустики наблюдаются вблизи перетяжки пучка. Расположение плоскости сварки в перетяжке сфокусированного пучка имеет и еще одно преимущество: при вы­полнении условия (67) любые изменения В будут приводить к про­дольному смещению перетяжки и, следовательно, к увеличению параметра г0. Таким образом, может происходить частичная ком­пенсация флуктуаций г0, имеющих разный знак.

Оценим возможности метода стабилизации размера пучка г0. В режиме одиночных импульсов расходимость излучения свароч­ных установок «Квант-10» и «Квант-16» составляет 10—12 мрад. Если расходимости пучка 13 мрад соответствует В = 700 мм, то увеличение расходимости на 1 мрад приведет к уменьшению В приблизительно на 100 мм. Расчет г3 для Д’ =60 мм, /2′ =120 мм, f3′ =70 мм, А=1,06 мкм дает следующие результаты.

В случае оптимальных Z =—В/2 = —350 мм и Л|=—Zi/Aj, Л2=0 радиус г3(0) изменяется на 0,6%. Для Z ——200 мм (дей­ствительное значение Z в установках «Квант-10» и «Квант-16») г3(0) изменяется уже на 4%, т. е. в этом случае приращение г3(0) почти в 7 раз больше, чем при оптимальном расположении оптической системы и плоскости сварки, совмещенной с перетяж­кой сфокусированного пучка.

Очевидно, что рассмотренный метод стабилизации г0 может ‘быть применен совместно с другими методами, указанными выше.