Низьев Владимир Григорьевич, д.ф.-м.н. проф.

Импульсно–периодический СО2–лазер для термической технологии

Этот лазер был создан по технологии ТЕА лазеров, но имел оригинальную двухкамерную конструкцию с общим резонатором и был специально адаптирован для «термической технологии» (длительность импульсов 20-50 мкс, пиковая мощность 20-50 кВт). Были созданы экспериментальный и опытный образец и лазер был сдан межведомственной комиссии. На его основе был создан автоматизированный комплекс по пробивке отверстий в медных деталях ракетного двигателя. В полной партии деталей было пробито 105 отверстий, ранее сверлившихся вручную.

Схема блока генерации лазера: 1 – газодинамический тракт; 2 – газоразрядные камеры; 3 – теплообменник; 4 – вентиляторы; 5 – магнитные полумуфты.

Публикации:

  • В.Э. Гофман, В.В. Дембовецкий, В.Г. Низьев, М.Н. Тарасов, Технологический импульсно-периодический СО2-лазер. Электротехника, 11, 5 (1988)
  • Г.А. Абильсиитов, А.И. Бондаренко, В.В. Васильцов, В.С. Голубев, В.Г. Гонтарь, А.М. Забелин, В.Г. Низьев, В.П. Якунин, Промышленные технологические лазеры НИЦТЛ АН СССР. Квант. элект., 17(6), 672 (1990)
  • П.Г. Гордеев, А.А. Калинов, Н.П. Поляков, П.П. Румянцев, В.Э. Гофман, В.В. Синенко, Ю.П. Ярушкин, В.Г. Низьев, Источник питания мощностью 15 кВт для импульсно-периодических газовых лазеров. ПТЭ, 1, 188 (1990)
  • Р.Д. Сейдгазов, В.Г. Низьев, В.Э. Гофман, О механизме удаления расплава импульсом ТЕА СО2-лазера, Поверхность, 3, 18 (1992)
  • А.В. Нестеров, В.Г. Низьев, О.А. Новодворский, Динамика формы и глубины канала при пробивке отверстий лазерным лучом. Вестник МГУ Серия 3. Физика, Астрономия, 4, 64 (1997)
  • В.В. Васильцов, М.Г. Галушкин, В.С. Голубев, В.Г. Низьев, В.Я. Панченко, А.М. Забелин, Ю.Н. Завалов Мощные технологические СО2-лазеры с высоким качеством излучения, Перспективные материалы, 2, 60 (1999)
  • В.Г. Низьев. Импульсно-периодический CO2-лазер для термической технологии. В сб. «Современные лазерно-информационные технологии». Под ред. ак. В.Я. Панченко и проф. Ф.В. Лебедева. Интерконтакт Наука, Москва, 2015 г., стр. 157-167.
Технологический СО2-лазер с перекрещенными электродами и безбалластной системой накачки

Традиционное конструкторское решение мощного технологического СО2 лазера с поперечной прокачкой имело множество недостатков. Пяти киловаттный лазер имел более 300 катодных секций с высоковольтными подводами к балластным резисторам, 600 водяных соединений для охлаждения катодных секций, масляную систему охлаждения резисторов, теплообменник масло-вода, низкую эффективность из-за потерь электрической мощности на резисторах. Кардинальное изменение ситуации произошло при использовании «перекрещенных» электродов. Была построена изящная теория устойчивости разряда в такой системе электродов на основе принципа минимума диссипации энергии с привлечением математики квадратичных форм и матриц. Теоретически, а потом и экспериментально было доказано, что такая система электродов обладает целым рядом преимуществ. Был создан пяти киловаттный лазер с такой системой электродов и безбалластной системой питания, что обеспечило высокую надежность и эффективность лазера.

Слева — блок схема системы накачки лазера с перекрещенными электродами. Справа — схема системы безбалластного согласования перекрещенных электродов с инвертором.

Публикации:

  1. В.Г. Низьев, Устойчивость секционированного разряда в потоке газа. Электротехника, 11, 39 (1987)
  2. Г.А. Абильсиитов, О.Г. Булатов, В.С. Иванов, В.Г. Низьев, О.А. Новодворский, В.Д. Поляков, Р.Я. Сагдеев, Ю.А. Силантьев, А.И. Царенко , Физические принципы и техническая реализация эффективной системы накачки газоразрядного лазера. Электротехника, 11, 2 (1988)
  3. В.Г. Низьев, В.Н. Кортунов, О.А. Новодворский, Р.Я. Сагдеев, Принципы построения секционированных электродных систем. Газоразрядный СО2-лазер с новой системой накачки. Препринт НИЦТЛ. Шатура: НИЦТЛ, 77, 43 (1991)
  4. V.G. Niziev, V.N. Kortunov, O.A. Novodvorsky, R.Ya. Sagdeev, Gas discharge СО2-laser with new pumping system. Plasma Devices and Operations, 5, 89 (1992)
  5. В.Г. Низьев, О.А. Новодворский, Рациональная модель положительного столба разряда, секционированного по потоку газа. Тезисы на VIII конф. по физике газового разряда, 24-28 июня 1996 г., (Рязань, часть 2, с.119-120).
  6. V.G. Niziev, V.Ya. Panchenko, Rational pumping system for high-power industrial CO2-laser, Proceeding of Int. Conf. USA, SPIE, 2987, 216 (1997).
  7. В.Г. Низьев, О.А. Новодворский, Устойчивость секционированного разряда. Безбалластная система накачки мощного СО2-лазера. В сб. «Современные лазерно-информационные технологии». Под ред. ак. В.Я. Панченко и проф. Ф.В. Лебедева. Интерконтакт Наука, Москва, 2015 г., стр.168-183.
Импульсно-периодический ТЕА СО2-лазер для генерации второй гармоники

Этот лазер, созданный в Институте, был предназначен для генерации второй гармоники, поэтому его параметры были адаптированы для этой цели. Лазер имел селективный резонатор для перестройки длины волны излучения по колебательно-вращательным переходам молекулы СО2. Средняя мощность излучения в моде ТЕМ00 500 Вт, энергия в импульсе 1 Дж, частота следования импульсов 500 Гц, длительность импульс 0.1-0.2 мкс, пиковая мощность до 5 МВт.  В работе представлены экспериментальные результаты по созданию источника излучения на длине волны 4.775 мкм при уровне энергии импульсов до 50 мДж и средней мощности до единиц ватт в коротких сериях импульсов. Приведено описание блока нелинейного преобразования на основе кристалла ZnGeР2; рассмотрены основные ограничения процесса нелинейного преобразования и возможные пути их преодоления.

Публикации:

  1. Л.В. Ковальчук, А.Н. Грезев, В.Г. Низьев, В.П. Якунин, В.С. Межевов, Д.А. Горячкин, В.В. Сергеев, А.Г. Калинцев, Импульсно-периодический ТЕА СО2-лазер и его применение для генерации второй гармоники в кристалле ZnGeP2, Квантовая Электроника, 45 (10), 884 (2015)
Теория лазерной резки металлов

В разработанной 3D-теории лазерной резки металлов реализована оригинальная физическая модель. Акцент сделан на изучении поглощения излучения на стенках реза с учетом параметров лазерного излучения и формирующейся поверхности реза. В рамках «сублимационной модели» можно пренебречь детальным описанием удаления жидкой фазы потоком газа. Основной результат теории – описание зависимости резки от поляризации излучения и предсказание возможности увеличения эффективности резки вдвое при использовании специальных лазерных мод с радиальной поляризацией. На ключевую публикацию (J.Phys.D), к настоящему времени, уже 560 ссылок (http://scholar.google.com).

Форма профиля канала реза (координаты X-Z) и распределение поглощенной мощности по сечению луча (координаты X-Y) для линейной и круговой поляризации.

Публикации:

  1. V.G. Niziev, Theory of CW laser beam cutting, Las. Phys., 3(3), 629 (1993)
  2. А.В. Нестеров, В.Г. Низьев, Особенности резки металлов лазерным лучом с осесимметричной поляризацией, Известия Академии наук, серия физическая, 63(10), 2039 (1999)
  3. V.G. Niziev, A.V. Nesterov, Influence of beamp on laser cutting efficiency, J. Phys. D, Appl. Phys. 32, 1455 (1999)
  4. В.Г. Низьев, А.В. Нестеров, Форма и глубина реза поляризованным лазерным лучом. Физ. и хим. обработки материалов, 1, 21 (1999)
  5. В.Г. Низьев, Особенности лазерной резки металлов лучом с осесимметричной поляризацией. В сб. Лазерные технологии обработки материалов. Современные проблемы фундаментальных исследований и прикладных разработок. Под ред. В.Я. Панченко. М.: Физматлит 2009. 209
Лазерные моды с радиальной поляризацией

Лазерные моды с радиальной (азимутальной) поляризацией обладают уникальным свойством круговой симметрии всех параметров, включая поляризацию. Интерес к таким модам был инициирован нашими работами, предсказывающими весомые технологические преимущества при лазерной резке металлов. Наши работы в этом направлении дают исчерпывающее описание таких мод, предложение и практическую реализацию методов генерации таких мод в мощных технологических лазерах с помощью дифракционных, поляризационно-селективных зеркал, а также методы их преобразования. Следует также обратить внимание на нашу публикацию по использованию таких мод в качестве дипольных ловушек для нейтральных атомов и на разработанный нами метод получения таких мод с помощью интерферометра Саньяка. Суммарное количество ссылок на четыре наши основные работы по этой теме около 400 (http://scholar.google.com).

Радиально (R) и азимутально (A) поляризованные лазерные моды.
Дифракционное зеркало и аксикон для генерации R- и A- поляризованных лазерных мод в СО2-лазере.

Публикации:

  1. A.V. Nesterov, V.G. Niziev, V.P. Yakunin, Generation of high-power radially polarized beam, J. Phys. D, Appl. Phys. 32, 2871 (1999)
  2. А.В.Нестеров, В.Г.Низьев, А.Л.Соколов, А.В.Хрипунов, Лазерное излучение с осесимметричным состоянием поляризации, Вестник МЭИ, 2, 76 (1999)
  3. A.V. Nesterov, V.G. Niziev. Laser beams with axially symmetric polarization. J. Phys. D, Appl. Phys. 33, 1817 (2000)
  4. А.А. Гончарский, А.В. Нестеров, В.Г. Низьев, Л.В. Новикова, В.П. Якунин, Оптические элементы лазерного резонатора для генерации луча с осесимметричной поляризацией, Оптика и спектроскопия, 89(1), 160 (2000)
  5. A.V. Nesterov, V.G. Niziev. Laser beams with axially symmetric polarization. J. Phys. D, Appl. Phys. 33, 1817 (2000)
  6. A.V. Nesterov, V.G. Niziev, Propagation features of beams with axially symmetric polarization, J. Opt. B: Quantum and Semiclassical Optics, 3(2), 215 (2001)
  7. А.В. Нестеров, В.Г. Низьев, А.Л. Соколов, Трансформативная задача для излучения с радиальной поляризацией. Опт. и спектр., 90(6), 1018 (2001)
  8. А.В. Безвербный, В.Г. Низьев, А.М.  Тумайкин, «Дипольные ловушки для нейтральных атомов из неоднородно поляризованных лагерровских мод», Квант. электроника, 34(7), 685 (2004)
  9. V.G. Niziev, R.S. Chang, A.V. Nesterov, Generation of inhomogeneously polarized laser beams by use of a Sagnac interferometer Applied Optics, 45(33), 8393 (2006)
  10. В.Г. Низьев, В.П. Якунин, Н.Г. Туркин, Генерация поляризационно-неоднородных мод в мощном СО2-лазере, Квант. элект., 39(6), 505 (2009)
  11. В.Г. Низьев, В.П. Якунин, Лазерные пучки с осесимметричным состоянием поляризации. В сб. Лазерные технологии обработки материалов. Современные проблемы фундаментальных исследований и прикладных разработок. Под ред. В.Я. Панченко. М.: Физматлит 2009. 546
  12. В.Г. Низьев, В.Я. Панченко, В.Н. Семиногов, В.П. Якунин Дифракционная оптика в задачах преобразования поляризации излучения технологических лазеров среднего ИК диапазона и генерация поляризационно-неоднородных волн. В сб. «Современные лазерно-информационные технологии». Под ред. ак. В.Я. Панченко и проф. Ф.В. Лебедева. Интерконтакт Наука, Москва, 2015 г., с.184-218.
Векторная теория дифракции электромагнитного излучения

Одним из наиболее популярных методов решения дифракционных задач является использование интеграла Кирхгофа-Френеля. Однако, этот метод является скалярным, что существенно ограничивает его применение. Суть предложенного нами метода в замене поля в интеграле Кирхгофа-Френеля на вектор Герца. Вначале получаем скалярное решение задачи дифракции в терминах вектора Герца. Далее вычисляются векторные поля, электрическое и магнитное. В публикациях на эту тему решены несколько задач дифракции от отверстий (систем отверстий) различной формы, а также задачи распространения различных лазерных лучей в пространстве. Все решения векторные и выражены аналитическими формулами.

Пример расчета поля дифракции от фигурного отверстия в непрозрачном экране

Публикации:

  1. В.Г. Низьев, Дипольно волновая теория дифракции электромагнитного излучения, УФН, 172(5), 601 (2002).
  2. A.V. Nesterov and V.G. Niziev, Vector solution of the diffraction task using the Hertz vector, Phys. Rev. E, 71(4), 046608 (2005).
  3. В.Г. Низьев, Дипольно-волновая теория дифракции электромагнитного излучения. В сб. Лазерные технологии обработки материалов. Современные проблемы фундаментальных исследований и прикладных разработок. Под ред. В.Я. Панченко. М.: Физматлит 2009. Стр.631-663.
Многопроходные моды открытых лазерных резонаторов

Классические работы по лазерным резонаторам выполнены для однопроходных мод. Аналитические расчеты (Kogelnik&Li) были выполнены именно для это случая, когда установившееся поле воспроизводится после одного обхода резонатора. Численные расчеты (Fox&Li) могли бы внести определенность и в отношении многопроходных мод (МПМ) (поле воспроизводится после нескольких обходов резонатора), однако авторы ограничились рассмотрением резонаторов на границе устойчивости, где МПМ не развиваются. Масштабная работа на эту тему (Ramsay&Degnan) была не вполне убедительной, поскольку была ограничена геометрическим подходом. Нам удалось создать оригинальную волновую численную модель лазерного резонатора, отличающуюся высокой надежностью и быстротой счета. На многочисленных примерах было убедительно показано, что при числах Френеля больше F>1 в устойчивых резонаторах практически всегда многопроходные моды обладают конкурентным преимуществом перед однопроходными. При этом в типичных конструкциях резонаторов качественное выходное излучение невозможно. Известным способом подавить МПМ и, тем самым улучшить качество выходного излучения, является выбор резонатора близкого к границе устойчивости. На основе полученных фундаментальных результатов нами показаны практические возможности использования генерации МПМ с получением качественного выходного излучения. Это меры, обеспечивающие резонансное возбуждение определенной МПМ, селекцию целевой траектории лучей и вывод излучения. Речь идет о новом, специальном резонаторе, обеспечивающем эффективный съем инверсной населенности со всего объема активной среды при высоком качестве выходного излучения широко апертурных лазеров.

Резонансное возбуждение МПМ для различных резонаторов. Решения не выходят на стационар, осцилляции носят квазистационар-ный характер. (а) 7-проходный резонанс,
g1=g2= 0.222. (б), (в) 5-проходные резонансы g1=g2= 0.309 и g1=g2= 0.809. (г) 3-проходный резонанс g1=g2= 0.5

Публикации:

  1. V.G. Niziev and R.V. Grishaev, «Dynamics of mode formation in an open resonator», Appl. Opt., 49, 6582 (2010)
  2. V.G. Niziev and D. Toebaert, «Formation of transverse mode in axially symmetric lasers,» Appl. Opt. 51, 954 (2012)
  3. V.G. Niziev, Selection and generation of multipass modes in an open resonator, Optics Express, 21(18), 21076 (2013)
  4. V.G. Niziev, R.V. Grishaev, V.Ya. Panchenko, Multipass modes in an open resonator, Las. Phys., 25, 023001 (2015)
  5. В.Г. Низьев, В.Я. Панченко, Р.В. Гришаев, Многопроходные моды открытых резонаторов. В сб. «Современные лазерно-информационные технологии». Под ред. ак. В.Я. Панченко и проф. Ф.В. Лебедева. Интерконтакт Наука, Москва, 2015 г., стр. 219-240.
Численное моделирование лазерного спекания металлических порошков

Интенсивно развивающейся областью современных технологий является прямое изготовление объемных изделий методом лазерного спекания порошков. Наибольшие ожидания связаны с изготовлением деталей из металла. Принципиальным вопросом на этом пути является качество металла после переплава в зоне обработки. Возникают вопросы о механической прочности, микроструктуре наплавленного материала, наличии пор, дефектов, остаточных напряжений и т.д. Задача численного моделирования – сориентировать экспериментаторов в бесконечном числе технологических возможностей, предложить физически обоснованные практические рекомендации по конструкции установки и организации технологического процесса.

Численное моделирование процесса проводилось на суперкомпьютере в параллельных кодах. Целью расчетов являлось описание геометрических размеров наплавляемого валика, микроструктурных свойств материала после лазерного воздействия, остаточных напряжений и т.д. Модель включает сопряженные нелинейные уравнения теплопроводности, кинетики фазовых превращений, гидродинамики расплава, уравнения для напряжений и деформаций, учитывает различную геометрию теплоотвода в отдельных частях трехмерных деталей сложной формы. Получен большой объем информации о процессе, отраженный в многочисленных публикациях. Признание роли Института в развитии этого направления выразилось, в частности, в соучастии в крупных проектах с ИПМ им. Келдыша и ВИАМ.

Слева — схема процесса лазерного спекания порошков с инжекцией порошка через сопло. Справа — Вихревые движения в ванне расплава при движении лазерного луча слева направо.

Публикации:

  1. V.Ya. Panchenko, V.G. Niziev, Laser-Information Systems and Technologies for Producing Gradient and Biocompatible Materials, Rare Materials, 28, 8, (2009)
  2. В.Г. Низьев, А.В. Колдоба, Ф.Х. Мирзаде, В.Я. Панченко, Ю.А. Повещенко, М.В. Попов, Численное моделирование плавления двухкомпонентных порошков при лазерном спекании, Мат. моделирование, 23(4), 90 (2011)
  3. В.Г. Низьев, Ф.Х. Мирзаде, В.Я. Панченко, В.М. Чечеткин, Г.В. Устюгова, Тепло-массоперенос при лазерном плавлении порошковой смеси, Математическое моделирование, 23(8), 75 (2011)
  4. Р.В. Гришаев, Ф.Х. Мирзаде, В.Г. Низьев, В.Я. Панченко, М.Д. Хоменко, Моделирование плавления и кристаллизации при селективном лазерном спекании с инжекцией металлических порошков, Физика и химия обработки материалов, 1, 12 (2013)
  5. V.G. Niziev, F.Kh. Mirzade, V.Ya. Panchenko, M.D. Khomenko, R.V. Grishaev, S. Pityana, C.V. Rooyen, Numerical study to represent non-isothermal melt-crystallization kinetics at laser-powder cladding, Modeling and Numerical Simulation of Material Science, 3(2), 61 (2013)
  6. F.Kh. Mirzade, V.G. Niziev, V.Ya. Panchenko, M.D. Khomenko, R.V. Grishaev, S. Pityana, Corney van Rooyen, Kinetic approach in numerical modeling of melting and crystallization at laser cladding with powder injection, Physica B: Condensed Matter, 423, 69 (2013)
  7. В.Г. Низьев, Ф.Х. Мирзаде, М.Д. Хоменко, Влияние свойств порошка на баланс энергии излучения при коаксиальной лазерной наплавке, Квант. электроника, 44(9), 885 (2014)
  8. В.Г. Низьев, Ф.Х. Мирзаде, Численное моделирование лазерного спекания металлических порошков, Вестник РФФИ, 3(83), 58 (2014)
  9. В.Г. Низьев, Ф.Х. Мирзаде, М.Д. Хоменко, «Влияние свойств порошка на баланс энергии излучения при коаксиальной лазерной наплавке», Квантовая электроника, 44 (9), 885 (2014)
  10. Ф.Х. Мирзаде, В.Г. Низьев, В.Я. Панченко Численное моделирование селективного лазерного спекания металлических порошков. В сб. «Современные лазерно-информационные технологии». Под ред. ак. В.Я. Панченко и проф. Ф.В. Лебедева. Интерконтакт Наука, Москва, 2015, 297.
  11. М.Д. Хоменко, В.Г. Низьев, Ф.Х. Мирзаде, Исследование влияния растворенного вещества на рекристаллизацию наплавленного слоя при лазерном сплавлении порошков жаропрочных никелевых сплавов, ФОТОНИКА, 5(59), 12 (2016)
  12. М.Д. Хоменко, В.Я. Панченко, В.Г. Низьев, Ф.Х. Мирзаде, P.В. Гришаев, Исследование микроструктуры наплавленного слоя при лазерном спекании с коаксиальной подачей порошков Известия РАН. Серия физическая, 80(4), 422 (2016)
  13. Kh. Mirzade, M.D. Khomenko, V.G. Niziev, Numerical simulation of solute evolution during laser cladding with nickel superalloy powder injection, Opt. Quant. Elect., 48, 513 (2016)
  14. В.Г.Низьев, М.Д. Хоменко, Ф.Х. Мирзаде, Планирование и оптимизация лазерной наплавки с учетом влияния гидродинамики и геометрии теплоотвода деталей, Квант. Элект., 48(8), 743 (2018)