Стойка-радиатор для твердотельного лазера на красителях

Перестраивыемые лазеры в спектроскопии получили широкое распростронение т.к. расширяют возможности различных методов контроля веществ и материалов. Особое значение занимают лазеры на органических красителях. Широкий набор красителей, выпускаемых промышленностью, позволяет охватить всю видимую область длин волн от ближней инфракрасной до ближнего ультрафиолета, рис.1. Наиболее важные характеристики распространенных красителей приведены в таблице1.

Рисунок 1 - Органические лазерные красители

Таблица 1 - Основные характеристики лазерных красителей.

Краситель	Центр линии люминесценции нм	Рабочая область лазера нм	Область накачки нм	Приемлемая концентрация 10-3 моль/л
Карбостирил 165	445	419-485	350-365	2,5
Кумарин 2	450	435-485	340-365	3
Кумарин 1	470	450-495	350-365	3
Кумарин 102	495	470-515	400-420	1
Кумарин 30	515	495-545	400-420	1
Кумарин 7	535	505-565	400-420	5
Кумарин 6	538	521-551	458-514	12,5
Флюоресцин	552	538-573	458-514	2,7
Родамин 110 (R110)	570	540-600	458-514	12,5
Родамин 6Ж (R6G)	590	570-650	458-514	2
Родамин Б (RB)	630	601-675	458-514	2
R110/(RB)	645	620-690	458-514	1,5R1011,5R6G
Крезил-виолет R6G	695	675-708	458-514	2,4
Нильский голубой	750	710-790	647-672	1
Оксазин 1(4)	750	695-801	647-672	0,6
DEOTC - P(4)	795	765-875	647-672	0,6
HITC - P(4)	775	840-940	647-672	0,74

Первоначально использовались лазеры на жидких растворах органических красителей (рисунок2). 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.

Рисунок 2 - Перестраиваемый лазер на жидких растворах органических красителей

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.3.[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 приводит к нестабильности излучения лазера. Для обеспечения большей стабильности излучения лазера, накачка должна производиться «в одну точку».

Рисунок 3.

Оптическая схема твердотельного лазера на

красителях ЛКИ-301: 1 – зеркало оптического резонатора; 2 –

интерферометр; 3 – активный лазерный элемент; 4 – линза; 5 – призма; 6 -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].

Лазерные элементы на основе эпоксиполимеров выполняются различной формы, например, в виде дисков, рис.4.

Рисунок 4 -Твердотельный лазер на красителях с лазерными элементами

В работах [1,2,4] было показано, что интенсивность люминесценции красителей зависит от температуры. С ростом температуры она уменьшается, рис. 5. Поэтому, для увеличения КПД лазера и увеличения ресурса активного лазерного элемента целесообразно применять меры по его охлаждению.

Рисунок 5 - 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 настоящей статье предлагается стойка-радиатор, предназначенная сразу для нескольких активных лазерных элементов, выполненных в виде дисков, которая позволяет перестраивать диапазон длин волн работы лазера путем их переключения. Данное устройство представлено на рис. 6. Оно состоит из стойки 1, выполненной из теплопроводящего материала. В стойке 1 укреплена втулка 5, выполняющая роль подшипника скольжения. Ее целесообразно изготовить из бронзы, которая обладает низким коэффициентом трения и высокой теплопроводностью, таблица 2, взятая из [1,6] . На стойке 1 посредством оси 6 размещены зубчатое колесо 3 и барабан 9. Зубчатое колесо 3 крепится на оси 6 с помощью винта 4. Для избегания трения и износа стоики 1 и барабана 9 между ними находится шайба 7 из бронзы. Барабан 9 так же крепится на стойке с помощью винта 8. Барабан 9 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]. В барабане 9 размещаются активные лазерные элементы 10 из эпоксиполимеров или пористых стекол, активированных органическими красителями в виде дисков. На данном рисунке их три. Они фиксируются в барабане 9 с помощью мембранной крышки 11 и винтов 2. Мембранная крышка 11 должна обладать высокой теплопроводностью и упругими свойствами. Поэтому и ее целесообразно выполнить из бескислородной меди марки М006. Внутренний диаметр отверстий в барабане 9 выбирается на 0.1-0.2 мм больше чем диаметр активных лазерных элементов 10. Барабан 9 и мембранная крышка 11 имеют так же отверстия для попадания на активные лазерные элементы 10 излучения накачки и выхода излучения люминесценции.

Рисунок 6 - Стойка-радиатор для твердотельного лазера на красителях: 1 – стойка; 2 – винт; 3 – зубчатое колесо; 4 – винт; 5 – втулка; 6 – ось; 7 – шайба; 8 – винт; 9 – барабан; 10 – активный лазерный элемент; 11 – крышка-мембрана.

Таблица 2 - Теплопроводность некоторых металлов

Теплопроводность λ Вт∙К-1м-1 при температуре 300 К
Алюминий	Бронза	Железо	Латунь	Медь
237	105	80	110	401

Излучение накачки падает на активный лазерный элемент 10 в результате чего краситель люминесцирует, а сам активный лазерный элемент нагревается. Барабан 9 и мембранная крышка 11 проводят тепло от активного лазерного элемента 10. Через ось 6, шайбу 7 и втулку 5 тепло будет передаваться на стойку 1 и зубчатое колесо 3. Стойка 1 крепится к металлическому днищу лазера. Таким образом, согласно закону Фурье, вся конструкция, включая днище и металлический кожух твердотельного лазера, будут являться радиатором, рассеивающим тепло в окружающую среду.

Благодаря упругости мембранной крышки 11 устраняются осевые деформации, возникающие в активном лазерном элементе 10. Благодаря зазору, между отверстием в барабане 9 и активным лазерным элементом 10 устраняется возможность его радиальных деформаций, обусловленных нагревом. Зубчатое колесо 3 позволяет осуществить смену активных лазерных элементов 10 путем поворота барабана 9 на требуемый угол. Таким образом осуществляется изменение длинны волны генерации лазера. Поворот барабана 9, а следовательно и изменение длины волны генерации лазера, можно осуществить в ручную, используя, например, фиксатор с зубчатым колесом, рис.7., либо с применением электропривода.

Рисунок 7 - Стойка-радиатор с ручным переключением: 1-стойка; 2-зубчатое колесо; 3-фиксатор; 4-зубчатое колесо; 5 - барабан с лазерными элементами; 6-стойка

Представленная в данной работе стойка-радиатор позволит увеличить ресурс работы активных лазерных элементов на красителях, а также повысить КПД лазера за счет снижения их температуры. Кроме того, предлагаемая конструкция позволит более оперативно изменять диапазон длин волн генерации лазера за счет переключения активных лазерных элементов, которое можно осуществлять как в ручную, так и с помощью электропривода.

Filippov Vadim - associate of the Orel State Agrarian University.

Russia, 302019, Orel, ul. General Rodin, 69. E-mail: