ПРОТОКОЛ №1
выполнения работ по этапу.
 
Результаты диагностики лазерного резонатора Coherent K250 

1. Содержание работ
2. Установка лазерного резонатора на оптический стенд.
3. Монтаж Дополнительного оборудования и подключение коммуникаций (электропитание, водяное охлаждение) для обеспечения возможности включения лазерного резонатора в работу. 
4. Изготовление соединительных кабелей коммутации четырех составных частей блока питания 48 В для обеспечения штатной работы блока питания 14MMP1649012 (см. рис.1).

Рисунок 1.

1. Проведение измерений параметров излучения лазерного резонатора в соответствии с Приложением №1 к Дополнительному соглашению №1 к Договору подряда № RU12-0076/2024 от 23.04.24 г. с использованием измерительного оборудования Подрядчика.

 

2. Дополнительное оборудование, предоставленное Заказчиком

Таблица 1
 

3. Измерительное оборудование

Таблица 2
 
Измерение характеристик накачки лазерного резонатора проводилось в согласованных с Заказчиком режимах работы при использовании пульта управления Подрядчика.
Таблица 3

Режим I	Режим II
F (частота следования) = 2166 Гц d.c. (заполнение) = 10%	F (частота следования) = 2166 Гц d.c. (заполнение) = 23 %

 

  

4. Результаты измерений.

 

4.  Сравнение формы и амплитуды падающей/отраженной волн ВЧ-накачки. 

 
Осциллограммы, полученные в режиме предионизации и накачки показаны, соответственно, на рис. 2 и 3.
 

 
Рисунок 2. Осциллограммы сравнения формы и амплитуды падающей волны (красная кривая) и отраженной волны (желтая кривая) при работе лазерного резонатора в режиме предионизации (F=1000 Гц, d.c.=0,5%).
 

Рисунок 3. Осциллограмма сравнения формы и амплитуды падающей волны (красная кривая) и отраженной волны (желтая кривая) при работе лазерного резонатора в Режиме работы F=2100 Гц, d,c=5%.
 
При включении лазерного резонатора в Режиме I (F=2100 Гц, d,c.=10%)  изменения длительности импульса накачки, в соответствии с изменением величины d.c., не произошло (сравните рис.3 и рис.4).
 

Рисунок 4. Осциллограмма сравнения формы и амплитуды падающей волны (красная кривая) и отраженной волны (желтая кривая) при работе лазерного резонатора в Режиме работы F=2100 Гц, d,c.=10%.
 

5. Заключение по предварительной диагностике лазера

 

5. Анализ осциллограмм соотношения падающей/отраженной волн ВЧ-накачки позволяет сделать заключение о необходимости перезаправки лазерного резонатора SERIAL NO: новой газовой смесью с целью кардинального снижения уровня отраженной волны ВЧ-накачки
6. Высокий уровень отраженной волны, вероятно, приводит к срабатыванию системы защиты контроллера ВЧ-блока и ограничению средней мощности, вкладываемой в разряд. 
7. Лазерный резонатор SERIAL NO: нуждается в проведении расширенной диагностики
8. Для проведения расширенной диагностики и ремонта необходимо проведение следующих мероприятий:

5.4.1. Разборка вакуумного крана с напуском атмосферы во внутренний объем лазерного резонатора.
5.4.2 Изготовление переходника вакуумного крана для подключения вакуумной системы и гелиевого течеискателя.
5.4.3 Проведение исследований лазерного резонатора на герметичность (поиск вакуумной течи) с помощью гелиевого течеискателя.
5.4.4 Наполнение лазерного резонатора смесью лазерных газов.
5.4.5 Предварительные включения разряда с целью оптимизации давления газа по измерениям амплитуды отраженной волны ВЧ-накачки.
5.4.6 Промывка внутреннего объема резонатора лазерными газами с целью очистки поверхностей.
5.4.7 Перекусывание медной трубки вакуумного крана.

5. Для проведения данных работ было получено письменное разрешение Заказчика.

 
 

6. Результаты работ по перезаправке лазерного резонатора SERIAL NO: 

 
По разрешению Заказчика были проведены все мероприятия по перезаправке лазерного резонатора, указанные выше в п.5.4 раздела Заключение. На рисунке 3 приведены осциллограммы сравнения падающей и отраженной волн, полученные до перезаправки лазерного резонатора. После перезаправки характер кривых остался прежним.
Следует отметить, что в данных экспериментах блок согласования интерфейсов соединялся с измерительным ВЧ-модулем стандартным удлинительным кабелем DB25 длиной 1 м. Далее удлинительный кабель был заменен приобретенным нами коротким стандартным pin-to-pin переходником, что позволило исключить нерегулярные биения на осциллограммах рисунка 3, вызываемые ранее, по-видимому ВЧ наводками на длинный кабель (см. рис. 5). 
 

 
Рисунок 5. Осциллограммы сравнения формы и амплитуды падающей волны (красная кривая) и отраженной волны (желтая кривая) при работе лазерного резонатора в Режиме F=2100 Гц, d.c.=5% после перезаправки
 
Однако, как видно из осциллограмм, показанных на рис 5, амплитуда отраженной волны после перезаправки лазерной камеры осталась неприемлемо высокой. При этом ток потребления DC составил величину 3,0 А, что в несколько раз ниже требуемого. 
Дополнительно на выходном разъеме блока согласования интерфейсов были проверены сигналы, подаваемые на вход ВЧ блока с нашего пульта управления. Эти сигналы представлены на рис. 6 и 7. 

Рисунок 6. Форма сигнала модуляции от пульта управления на 7 пине выходного разъема блока согласования интерфейсов (F=2100 Гц,d.c.=10%).
 

Рисунок 7. Форма сигнала модуляции от пульта управления на 20 пине выходного разъема блока согласования интерфейсов (F=2100 Гц,d.c.=10%).
 
Видно, что все сигналы управления, подаваемые на ВЧ блок, соответствуют штатному режиму, штатным также является уровень выходного постоянного напряжения DC блока (48 Вольт).
Все это позволяет предположить наличие неисправности в ВЧ блоке, предоставленном Заказчиком. Для окончательной проверки данного предположения лазерный резонатор предполагается включить на заведомо исправный ВЧ блок, имеющийся в распоряжении Подрядчика. 
 

7. Заключение к разделу 6

7.1 Как показали измерения, ВЧ-блок, предоставленный Заказчиком неисправен. Неисправность может быть связана как с неисправностью системы контроля и управления этого блока, так и с неисправностью силовой ВЧ-части (выход из строя транзисторов). 

7.  Необходим ремонт или поставка Заказчиком заведомо исправного ВЧ-блока, так как продолжение работы с предоставленным ВЧ-блоком невозможно. 
8.  В качестве альтернативного варианта, ниже представлены результаты проведения полного цикла измерения выходной мощности излучения, а также распределения излучения в дальней и ближней зонах с ВЧ-блоком, имеющемся в распоряжении  Подрядчика.

 
 

8. Результаты диагностики лазерного резонатора SERIAL NO: TB21907/HB45149 с ВЧ блоком Подрядчика

 

8. Измерения выходной средней мощности лазерного резонатора осуществлялись измерителем Coherent LM-5000, установленным на расстоянии 1000 мм от среза трубы внешней формирующей системы лазерного резонатора. Результаты представлены в таблице 4. Измерения проводились через 2 минуты после включения накачки. 

Отметим, что показанные в таблице 4 величины тока DC источника, потребляемые лазером при его работе с ВЧ блоком Подрядчика почти в полтора раза превышали токи, измеряемые при работе лазера на фабрике с исправным штатным ВЧ блоком Заказчика, в тех же режимах I и II (19 А и 38 А соответственно, см. Протокол №1 от).
Таблица 4

	Мощность излучения, Вт	Напряжение, В	Ток, А
Режим I	59	45,3	30,8
Режим II	137	45,3	65,5

 

8. Сравнение формы и амплитуды падающей/отраженной волн ВЧ-накачки.

Рисунок 8. Осциллограммы сравнения формы и амплитуды падающей волны (красная кривая) и отраженной волны (желтая кривая) при работе лазерного резонатора в Режиме I.

Рисунок 9. Осциллограммы сравнения формы и амплитуды падающей волны (красная кривая) и отраженной волны (желтая кривая) при работе лазерного резонатора в Режиме II.
 

8.  Распределение интенсивности излучения в ближнем поле (на выходе из лазерного резонатора) на матрице Spiricon. 

Визуализация распределения интенсивности излучения на выходе из формирующей системы лазерного резонатора осуществлялась с использованием оптической системы, содержащей сферическое зеркало и оптические клинья-ослабители, позволяющей получить изображение пятна лазерного излучения в плоскости среза трубы внешней формирующей системы на матрице Spiricon в масштабе 1:1, так называемый «оптический ретранслятор».
Результаты представлены на рисунках 10 – 13. 

Рисунок 10. 2D-распределение интенсивности лазерного излучения в ближнем поле при работе лазерного резонатора в Режиме I.
 

Рисунок 11. 3D-распределение интенсивности лазерного излучения в ближнем поле при работе лазерного резонатора в Режиме I. 

Рисунок 12. 2D-распределение интенсивности лазерного излучения в ближнем поле при работе лазерного резонатора в Режиме II.
 

Рисунок 13. 3D-распределение интенсивности лазерного излучения в ближнем поле при работе лазерного резонатора в Режиме II.
 
Для проверки корректности работы внешней оптической системы был сделан ожог на гипсовой таблетке, расположенной на срезе трубы внешней формирующей системы при работе лазерного резонатора в Режиме II в течении 1 секунды (см. Рисунок 14).

Рисунок 14
Для определения величины смещения центра пятна излучения относительно оси трубы внешней формирующей системы на торец трубы была установлена втулка c перекрестием, образованным двумя взаимно перпендикулярными проволоками (Æ_пр.=1,5 мм), центр которого совпадал с осью трубы. Измерение децентрировки проводилось в Режиме I.
 

Рисунок 15. 2D-распределение интенсивности лазерного излучения в ближнем поле при работе лазерного резонатора в Режиме I с установленным перекрестием.
Из представленного изображения видно, что смещение центра пучка излучения относительно оси трубы в вертикальной плоскости составляет величину более 2 мм.

8. Распределение интенсивности излучения в дальнем поле на матрице Spiricon.

Визуализация распределения интенсивности излучения в дальнем поле осуществлялась с использованием оптической системы, содержащей сферическое зеркало с радиусом кривизны R=4000 мм и оптические клинья-ослабители, позволяющей получить изображение пятна лазерного излучения в фокальной плоскости сферического зеркала.
Результаты представлены на рисунках 16 – 19.

Рисунок 16. 2D-распределение интенсивности лазерного излучения в фокальной плоскости сферического зеркала при работе лазерного резонатора в Режиме I.

Рисунок 17. 3D-распределение интенсивности лазерного излучения в фокальной плоскости сферического зеркала при работе лазерного резонатора в Режиме I.

Рисунок 18. 2D-распределение интенсивности лазерного излучения в фокальной плоскости сферического зеркала при работе лазерного резонатора в Режиме II.
 

Рисунок 19. 3D-распределение интенсивности лазерного излучения в фокальной плоскости сферического зеркала при работе лазерного резонатора в Режиме II.
 
 
 

9. Заключение к разделу 8
10. Сравнение целевых значений (ЦЗ) средней мощности излучения, полученных в рамках выполнения Этапа 1, с измеренными значениями (ИЗ) средней мощности излучения лазерного резонатора SERIAL NO: в указанных режимах, позволяет заключить о несоответствии лазерного резонатора SERIAL NO: требованиям по необходимой величине средней мощности излучения (см. Таблицу 5), поскольку, как уже отмечалось в разделе 8.1, величины тока накачки были в 1,5 раза выше, чем указанные в Протоколе №1.

Таблица 5

	ЦЗ, Вт	ИЗ, Вт	Отклонение,%
Режим I	77	59	-23,4
Режим II	130	137	+5,1

9. Анализ осциллограмм соотношения падающей/отраженной волн ВЧ-накачки позволяет сделать заключение о хорошем согласовании и правильности выбора давления смеси лазерных газов. 
10. Распределение интенсивности в ближнем поле (на выходе из лазерного резонатора), а также наличие децентрировки пятна относительно оси трубы внешней формирующей системы позволяет сделать заключение о необходимости юстировки элементов внешней формирующей системы.
11. Распределение интенсивности в дальнем поле имеет гауссову форму. Однако, недостаточный уровень средней мощности излучения приводит к выводу о необходимости юстировки резонаторных зеркал с целью повышения средней мощности генерации.
12. Для обеспечения корректности результатов необходимо обеспечить работу резонатора со штатным ВЧ блоком, для чего необходимо произвести диагностику генератора ВЧ с/н 1 для выявления и возможного устранения неисправности.

10.  Юстировка элементов внешней формирующей системы и зеркал резонатора
11. Для обеспечения возможности юстировки элементов внешней формирующей системы были удалены защитные пломбы. Результаты приведены на рисунках 20 – 22.  

Рисунок 20. 2D-распределение интенсивности лазерного излучения в ближнем поле при работе лазерного резонатора в Режиме I.

Рисунок 21. 2D-распределение интенсивности лазерного излучения в ближнем поле при работе лазерного резонатора в Режиме II.

Рисунок 22. 2D-распределение интенсивности лазерного излучения в ближнем поле при работе лазерного резонатора в Режиме I с установленным перекрестием.
 
Из представленных рисунков видно, что юстировка элементов внешней формирующей системы привела к устранению децентрировки пятна, а также к улучшению его формы, однако не позволила получить пятно излучения абсолютно круглой формы.

10. Юстировка резонаторных зеркал.

Для обеспечения доступа к нижним подвижкам резонаторных зеркал труба резонатора вывешивалась над основанием на высоту 30 мм.
Юстировка проводилась после непрерывной работы лазерного резонатора в Режиме II в течение 15 минут. В результате изменялась форма пятна излучения в ближней зоне, но практически не удалось увеличить среднюю мощность генерации. 
После юстировки резонаторных зеркал было принято решении снизить ток накачки до штатной величины 38 А (см. Протокол №1). Данное снижение обеспечивалось уменьшением коэффициента заполнения (d.c.)  до 14 % при неизменной частоте следования импульсов накачки F=2100 Гц. Средняя мощность генерации в указанном режиме составила величину 85 Вт. 
 
11.Заключение к разделу 10
11.1 Обобщая полученные результаты, а именно:

• характер изменения формы пятна излучения в ближней зоне,
• отсутствие влияния юстировки резонаторных на величину средней мощности излучения,
• низкий уровень средней мощности при токе накачки 38 А -

можно высказать предположение о деградации отражающих поверхностей резонаторных зеркал.
 11.2 Для подтверждения данной гипотезы необходимо произвести запуск лазерного резонатора от ВЧ-генератора, предоставленного Заказчиком. 
 

12. Разборка и диагностика ВЧ генератора 

Первоначально, с ВЧ- генератора был снят модуль фильтра, содержащий конденсаторы. При осмотре были обнаружены следы пробоев, как на клеммах конденсаторов, так и на соединяющих их между собой шинах (см. рис. 23 – 25).

Рисунок 23

Рисунок 24

Рисунок 25
 
Также, на корпусе ВЧ-генератора ниже модуля фильтра был обнаружен незатянутый винт (см. рис.26).

Рисунок 26
После вскрытия и выемки ВЧ-блока из корпуса был обнаружен незафиксированный с обеих сторон кронштейн, обеспечивающий крепление и заземление ВЧ-блока в корпусе (см. рис. 26 и 27).

Рисунок 27
После снятия кронштейна обнаружены следы искрения и разряда на кронштейне и на панели вентилятора (см. рис.28), т.е. плохой контакт на землю. 
Рисунок 28
Наличие указанных неисправностей могло влиять на работу контроллера ВЧ-генератора, так как следы пробоев указывает на горение искровых разрядов, которые являются широкополосными источниками помех, вызывающих сбои в работе электронных устройств.
 

12. Заключение
13. Необходима расширенная диагностика и ремонт штатного ВЧ блока Заказчика.
14. После совместного включения исправного ВЧ блока с лазерным резонатором необходимо повторить цикл измерений параметров излучения лазера.
15. Результаты диагностики и юстировки формирующей системы и резонатора, описанные выше, по нашему опыту, указывают на возможность повреждения и деградации покрытия резонаторных зеркал. Для окончательного подтверждения данного предположения необходимо проведение расширенной диагностики с полной разборкой лазерного резонатора.