Автоматизированная стойка для твердотельных лазерных элементов с мембранными радиаторами

Перестраивыемые лазеры на красителях, получили широкое распростронение т.к. они позволяют охватить всю видимую область длин волн от ближней инфракрасной до ближнего ультрафиолета, что расширяет возможности различных методов контроля различных веществ и материалов.

В 80-х годах ХХ века отечественная промышленность освоила выпуск твердотельного лазера на красителях ЛКИ–301 с матрицей из полиметилметакрилата, оптическая схема которого приведена на рис.1.[1]. Матрицы из полиметилметакрилата обладают рядом недостатков: их низкая фото – и теплостойкость вызывает необходимость сканирования по поверхности лазерного элемента пучком света при накачке [2,3]. Такой способ накачки из-за возможности неравномерного распределения красителя в матрице и ее неравномерного нагрева приводит к нестабильности излучения лазера. Для обеспечения большей стабильности излучения, накачка должна производиться «в одну точку».

С этой целью, красители внедрялись в целый ряд других материалов, например, в эпоксиполимеры и пористые стекла [2,3,4].

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

В работе [5] была представлена конструкция мембранного радиатора для твердотельных лазерных элементов в виде дисков , Агротехника и энергообеспечение. – 2015. – № 5 (9)                         93

рис.2. Он состоит из активного лазерного элемента, активированного красителями 1, выполненного в виде диска; кольца 2; гофрированных мембран с трапецеидальным профилем 3; винтов 4; шайб 5; гаек 6.

Существующие стойки для крепления таких конструкций предназначены только для одного лазерного элемента. Поэтому, при смене диапазона работы лазера необходимо вручную менять активный элемент, на что требуются определенные временные затраты.

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

Рисунок 2 - Активный лазерный элемент с мембранным радиатором: 1 – активный лазерный элемент, активированный красителями; 2 – кольцо; 3 – мембрана с трапецеидальным профилем; 4 – винт; 5 – шайба; 6 – гайка

В настоящей статье предлагается стойка, предназначенная для крепления нескольких конструкций, которая позволяет перестраивать диапазон длин волн работы лазера путем их переключения. Данное устройство, предназначенное для крепления четырех таких устройств, представлено на рис. 3. Оно состоит из стойки 2, выполненной из теплопроводящего материала. В стойке 2 укреплена втулка 5, выполняющая роль подшипника скольжения. Ее целесообразно изготовить из бронзы, которая обладает низким коэффициентом трения и высокой теплопроводностью. На стойке 2 посредством оси 6 размещены зубчатое колесо 3 и барабан 2. Зубчатое колесо 3 крепится на оси 6 с помощью винта 4. Для избегания трения и износа стоики 2 и барабана 1 между ними находится шайба 7 из бронзы. Барабан 2 так же крепится на оси 6 с помощью винта 8. Барабан 1 выполнен из материала с высокой теплопроводностью, например из бескислородной меди марки М006, которая имеет высокую теплопроводность и сопротивлению разрыву близкое к стали марки Ст 3, одновременно медный лист обладает необходимой пластичностью для штамповки [6]. Барабан 1 имеет круговые вырезы с отверстиями для установки и крепления активных лазерных элементов с мембранным радиатором, которые на нем крепятся с помощью винтов и гаек, рис.3. На данном рисунке их четыре.

Рисунок 3 - Стойка для активных лазерных элементов с мембранным радиатором: 1-барабан; 2-стойка; 3-зубчатое колесо; 4-винт; 5-втулка; 6 ось; 7-шайба; 8-винт

Поворот барабана 1, а, следовательно, и изменение длины волны генерации лазера, можно осуществить в ручную, либо с применением электропривода.

В данной работе предлагается для вращения барабана, а, следовательно, и для изменения рабочего диапазона длин волн лазера использовать шаговый двигатель.

На рисунке 4 представлена функциональная схема автоматизированного управления данной стойкой с приводом от шагового двигателя.

Устройство автоматизированного управления стойкой-радиатором состоит шагового двигателя 1; стойки 2; электромагнитного реле постоянного тока 3; генератора прямоугольных импульсов 4; счетчика импульсов 5; электронных ключей 6 и 7 и компьютера 8.

Рисунок 4 - Функциональная схема автоматизированного управления стойкой-радиатором с приводом от шагового двигателя: 1-шаговый двигатель; 2- стойка; 3-электромагнитное реле постоянного тока; 4-генератор прямоугольных импульсов; 5-счетчик импульсов; 6-электронный ключ; 7-электронный ключ; 8-компьютер.

Изменение диапазона длин волн генерации лазера на красителях осуществляется путем смены его активных лазерных элементов. Это может быть осуществлено за счет поворота барабана стойки 2 на требуемый угол. Поворот барабана стойки 2 происходит за счет вращения шагового двигателя 1 на требуемый угол. Для этого, с компьютера 8 подается сигнал на ключ 6 с целью его открытия. Ключ 6 включает генератор прямоугольных импульсов 4. Импульсы с генератора 4 поступают на контакты электромагнитного реле постоянного тока 3, к которому подключены выводы шагового двигателя 1. Будем считать, что для вращения шагового двигателя 1 по часовой стрелке выводы генератора импульсов 4 и шагового двигателя 1 подключены на нормально замкнутые контакты электромагнитного реле 3, рис.5.

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

Рисунок 5 - Подключение шагового двигателя к генератору импульсов через электромагнитное реле

Под действием импульсов генератора 4, шаговый двигатель 1 начинает осуществлять вращение барабана стойки 2. К генератору прямоугольных импульсов 4 подключен счетчик импульсов 5, с помощью которого можно контролировать угол поворота шагового двигателя 1. Данные со счетчика импульсов 5 поступают на компьютер 8. При повороте шагового двигателя 1 на требуемый угол, с компьютера 8 поступает сигнал на ключ 6 с целью его закрытия и выключения генератора 4, а так же на счетчик импульсов 5, для его обнуления.

При необходимости вращения шагового двигателя 1 против часовой стрелки с компьютера 8 поступает сигнал на ключ 7, который замыкает цепь катушки электромагнитного реле 3. В результате чего электромагнитное реле 3 срабатывает. При этом нормально замкнутые контакты размыкаются, а нормально разомкнутые замыкаются. Далее с помощью компьютера 8 открывается ключ 6, который включает генератор прямоугольных импульсов 4. Теперь импульсы от генератора 4 поступают на нормально разомкнутые контакты электромагнитного реле 3, к которым подключается шаговый двигатель 1, рис. 5. Таким образом, меняется полярность импульсов поступающих на шаговый двигатель 1 и он начинает вращаться против часовой стрелки, осуществляя поворот барабана стойки 2. Для контроля угла поворота шагового двигателя 1 служит счетчик импульсов 5, подключенный к генератору прямоугольных импульсов 4. Данные со счетчика импульсов 5 поступают на компьютер 8. При повороте шагового двигателя 1 на требуемый угол с компьютера 8 поступает сигнал на ключ 6 с целью выключения генератора прямоугольных импульсов 4 и на ключ 7, который размыкает цепь катушки электромагнитного реле постоянного тока 3. Далее с компьютера 8 поступает сигнал на счетчик импульсов 5 с целью его обнуления.

Представленная в данной работе стойка позволит более оперативно изменять диапазон длин волн генерации лазера за счет переключения активных лазерных элементов. Данное устройство может быть составной частью автоматизированных твердотельных лазеров на органических красителях и различных устройств на их основе.