Автоматизация твердотельного лазера на красителях ЛКИ-301

Первоначально использовались лазеры на жидких растворах органических красителей. В качестве растворителя в них использовался этиловый спирт. Однако, лазерам на жидких растворах органических красителей присущи некоторые эксплуатационные недостатки, связанные с необходимостью прокачки красителя и возможностью испарения растворителя. Испарение растворителя может привести к взрыву, что особенно опасно в закрытых помещениях. Поэтому был проведен ряд исследований по внедрению органических красителей в твердотельные матрицы. Красители внедрялись в различные среды: в полиметилметакрилат, эпоксиполимеры, пористые стекла и т.д.

В 80-х годах ХХ века отечественная промышленность освоила выпуск твердотельного лазера на красителях ЛКИ–301 с матрицей из полиметилметакрилата в виде диска, оптическая схема которого приведена на рис.1[1]. Матрицы из полиметилметакрилата обладают рядом недостатков: у них низкая теплопроводность; недостаточно высокое значение твердости, что затрудняет механическую обработку; они сильно поглощают излучение в ближней УФ – области, что вызывает определенные трудности при накачке от азотного лазера и ксеноновых ламп; у них низкая фотостойкость и ресурс; невысокая теплостойкость, что вызывает необходимость сканирования при накачке пучком света по поверхности лазерного элемента [2,3]. Такой способ накачки из-за возможности неравномерного распределения красителя в матрице и ее не равномерному нагреву приводит к нестабильности излучения лазера. Для обеспечения большей стабильности излучения лазера, накачка должна производиться «в одну точку».

Рисунок 1 - Оптическая схема твердотельного лазера на красителях ЛКИ-301: 1 – зеркало оптического резонатора; 2 – интерферометр; 3 – активный лазерный элемент; 4 – линза; 5 – призма;

6 - выходное зеркало оптического резонатора.

Эпоксиполимеры относятся к реактопластам, поэтому матрицы, на их основе, обладают лучшей теплостойкостью по сравнению с полиметилметакрилатом, что расширяет интервал рабочих температур; большей теплопроводностью; большей твердостью. Эти свойства эпоксиполимеров позволили отказаться от сканирования лазерного элемента и проводить накачку «в одну точку» [2,3].

Для увеличения теплопроводности и твердости матриц органические красители внедрялись в пористые стекла [4].

В работах [1,2,4] было показано, что интенсивность люминесценции красителей зависит от температуры. С ростом температуры она уменьшается, рис. 2. Поэтому, для увеличения КПД лазера и увеличения ресурса активного лазерного элемента целесообразно применять меры по его охлаждению.

Рисунок 2 - Спектры люминесценции красителя родамина С в эпоксиолигомере ЭД-24 при разных температурах: 1 – при 39 0С; 2 – при 57 0С; 3 – при 115 0С

В работах [1,5] были представлены различные конструкции радиаторов для твердотельных лазерных элементов, выполненных в виде дисков. Общим недостатком этих конструкций является то, что они предназначены только для одного лазерного элемента. Поэтому, при смене диапазона работы лазера необходимо менять активный элемент, на что требуются определенные временные затраты. В работах [6,7] были представлены стойки-радиаторы для твердотельных лазерных элементов, выполненных в виде дисков с ручным и автоматическим управлением. Данные стойки, помимо охлаждения, позволяют более оперативно менять лазерные элементы, а, следовательно, изменять диапазон излучения лазера. Данные стойки могут использоваться для автоматизации лазера.

Изменение длинны волны генерации лазера ЛКИ-301 в пределах 64

диапазона осуществляется вручную с помощью интерферометра 2, рис.1, путем изменения расстояния между его торцевыми зеркалами. Эту операцию можно осуществлять автоматически с помощью подачи напряжения, если использовать перестраиваемые интерферометры с пьезоэлементами. С их устройством и принципом работы можно ознакомиться в [8,9, 10].

Цель и постановка задачи. Целью данной работы является уменьшение временных затрат по проведению анализа проб спектральными методами на содержание в них вредных веществ.

Достижение поставленной цели осуществляется путем автоматизации твердотельного лазера на красителях ЛКИ-301.

Основной раздел. Для уменьшения временных затрат на проведение анализов проб на наличие вредных веществ различными спектральными методами на рис.3 представлена функциональная схема автоматизированного твердотельного лазера на красителях. Данное устройство содержит: 1 –глухое зеркало; 2 – перестраиваемый интерферометр; 3 - стойка с активными лазерными элементами; 4 – линза; 5 – призма; 6 - выходное зеркало; 7 -светоделительное зеркало; 8 - фотопреобразователь; 9 – шаговый двигатель; 10 – светоделительное зеркало; 11 – фотоприемник; 12 – генератор пилообразных импульсов; 13 – электромагнитное реле; 14 – ключ; 15 – лазер накачки; 16 – счетчик импульсов; 17 – генератор прямоугольных импульсов; 18 – ключ; 19 – ключ; 20 – цифроаналоговый преобразователь (ЦАП); 21 – компьютер; 22 – аналогоцифровой преобразователь (АЦП).

Лазер работает следующим образом. Излучение от лазера накачки 15 через линзу 4 падает на активный лазерный элемент, находящийся в стойке 3. Под действием излучения накачки краситель в активном лазерном элементе люминесцирует. Глухое зеркало 1 и выходное зеркало 6 составляют оптический резонатор. Внутри него находится перестраиваемый интерферометр 2, который служит для выделения из широкополосного излучения люминесценции красителя, узкой линии выходного излучения лазера. Необходимое выходное излучение лазера внутри диапазона устанавливается за счет подачи на перестраиваемый интерферометр 2 с компьютера 21 через цифроаналоговый преобразователь 20 требуемого уровня напряжения.

Призма 5 случит для поворота выходного излучения на требуемый угол.

Мощность выходного излучения лазера зависит от многих факторов: от типа красителя в активном лазерном элементе, от его температуры, типа лазера накачки и других параметров. Поэтому, при эксплуатации, целесообразно измерять его выходную мощность. Для этого предусмотрено светоделительное зеркало 7. С его помощь часть выходного излучения (около 1%) подается на фотопреобразователь 8 и преобразуется в напряжение, которое через аналого-цифровой преобразователь 20 поступает на компьютер 21.

Рисунок 3 - Функциональная схема автоматизированного твердотельного лазера на красителях: 1 –глухое зеркало; 2 – перестраиваемый интерферометр; 3 - стойка с активными лазерными элементами; 4 – линза; 5 – призма; 6 - выходное зеркало 7 -светоделительное зеркало; 8 - фотопреобразователь; 9 – шаговый двигатель; 10 – светоделительное зеркало; 11 – фотоприемник; 12 – генератор пилообразных импульсов; 13 – электромагнитное реле; 14 – ключ; 15 – лазер накачки; 16 – счетчик импульсов; 17 – генератор прямоугольных импульсов; 18 – ключ; 19 – ключ; 20 – цифроаналоговый преобразователь (ЦАП); 21 – компьютер; 22 – аналого- цифровой преобразователь (АЦП)

Для быстрого изменения длины волны в пределах диапазона с компьютера 21 через ЦАП 20 на генератор пилообразных импульсов 12 подается требуемый уровень напряжения. Для синхронизации по времени работы генератора пилообразных импульсов 12 с лазером накачки 15, часть излучения накачки (около 1%) с помощью светоделительного зеркала 10 подается на фотопреобразователь 11, который преобразует его в напряжение. Напряжение с фотопреобразователя 11 подается на ключ 18 с целью включения генератора пилообразных импульсов 12. Пилообразные импульсы с генератора 12 поступают на перестраиваемый интерферометр 2, в результате чего выходное излучение лазера за один импульс изменяется во всем диапазоне. Для контроля текущего значения длины волны выходного излучения лазера, с генератора 12 через ЦАП 22 на компьютер 21 поступает сигнал, соответствующий текущему значению напряжения пилообразного импульса.

Изменение диапазона длин волн генерации лазера осуществляется путем смены его активного элемента. Это может быть осуществлено за счет поворота барабана стойки 3 на требуемый угол. С устройством данных стоек можно ознакомиться в работах [6,7]. Поворот барабана стойки 3 происходит за счет вращения шагового двигателя 9. Для этого, с компьютера 21 подается сигнал через цифроаналоговый преобразователь 20 на ключ 19 с целью его открытия. Ключ 19 включает генератор прямоугольных импульсов 17. Импульсы с генератора 17 поступают на контакты электромагнитного реле постоянного тока 13, к которому подключены выводы шагового двигателя 9. Будем считать, что для вращения шагового двигателя 9 по часовой стрелке выводы генератора импульсов 17 и шагового двигателя 9 подключены на нормально замкнутые контакты электромагнитного реле 13, рис.4.

Под действием импульсов генератора 17, шаговый двигатель 9 начинает осуществлять вращение барабана стойки 3. К генератору прямоугольных импульсов 17 подключен счетчик импульсов 16, с помощью которого можно контролировать угол поворота шагового двигателя 9. Данные со счетчика импульсов 16 поступают на компьютер 21. При повороте шагового двигателя 9 на требуемый угол, с компьютера 21 через цифро-аналоговый преобразователь 20 поступает сигнал на ключ 19 с целью его закрытия и выключения генератора 17, а так же на счетчик импульсов 16, для его обнуления.

При необходимости вращения шагового двигателя 9 против часовой стрелки с компьютера 21 через цифро-аналоговый преобразователь 20 поступает сигнал на ключ 14, который замыкает цепь катушки электромагнитного реле 13. В результате чего электромагнитное реле 13 срабатывает. При этом нормально замкнутые контакты размыкаются, а нормально разомкнутые замыкаются. Далее с помощью компьютера 21 через цифроаналоговый преобразователь 20 открывается ключ 19, который включает генератор прямоугольных импульсов 17. Теперь импульсы от генератора 17 поступают на нормально разомкнутые контакты электромагнитного реле 13, к которым подключается шаговый двигатель 9, рис. 4. Таким образом, меняется полярность импульсов поступающих на шаговый двигатель 9 и он начинает вращаться против часовой стрелки, осуществляя поворот барабана стойки 3. Для контроля угла поворота шагового двигателя 9 служит счетчик импульсов 16, подключенный к генератору прямоугольных импульсов 17. Данные со счетчика импульсов 16 поступают на компьютер 21. При повороте шагового двигателя 9 на требуемый угол с компьютера 21 через цифро-аналоговый преобразователь 20 поступает сигнал на ключ 19 с целью выключения генератора прямоугольных импульсов 17 и на ключ 14, который размыкает цепь катушки электромагнитного реле постоянного тока 13. Далее с компьютера 21 поступает сигнал на счетчик импульсов 16 с целью его обнуления.

Кл - ключ; К - катушка электромагнитного реле; М - шаговый двигатель; Ген - генератор импульсов

Рисунок 4 - Подключение шагового двигателя к генератору импульсов через электромагнитное реле

Выводы.     Представленный в данной работе автоматизированный твердотельный лазер на красителях позволяет быстро изменять длину волны выходного излучения внутри диапазона, а так же изменять его диапазон в автоматическом режиме, что дает возможность ускорить проведение анализа проб на наличие в них искомых веществ различными спектральными методами.

• 1.    Данное устройство может применяться самостоятельно или

• как составная часть приборов для спектрального анализа.

Деулин Борис Иванович