Импульсный лазер на растворе красителя

 

Изобретение относится к области лазерной техники и может найти применение в устройствах, содержащих компактные импульсные лазеры с высокой частотой следования импульсов. Технический результат изобретения - создание надежного компактного лазера, обладающего большим ресурсом работы, имеющего высокую среднюю мощность излучения и допускающего оперативную перестройку частоты лазерного излучения. Лазер содержит импульсный лазер в качестве источника накачки, кювету с активной средой в виде раствора красителя, оптический резонатор, средство для циркуляции раствора красителя через рабочую зону генерации излучения, выполненное в виде помещенной в кювете круговой в плане шайбы с приводом вращения вокруг оси симметрии, ортогональной ее плоской поверхности. Целесообразно выполнение кюветы с образованием рабочей зоны генерации излучения зазором между стенкой кюветы, через которую введено излучение накачки, и боковой поверхностью шайбы, обращенной к этой стенке. Оптимальные показатели достигаются при ограничении рабочей зоны генерации излучения в плоскости каждого из торцов круговой шайбы соответственно частично прозрачным зеркалом оптического резонатора и прозрачным для излучения оптическим элементом. Предпочтительным является выполнение полости кюветы круговой в плане. 3 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области лазерной техники и может найти применение в устройствах, содержащих компактные импульсные лазеры на растворах красителей с высокой частотой следования генерируемых импульсов.

Важной из ряда приложений чертой лазеров на растворах красителей в отличие от большинства лазеров других типов является возможность получения непрерывно перестраиваемой генерации в относительно широком сегменте диапазона видимого оптического излучения. Накачка лазеров на растворах красителей производится излучением оптического диапазона длин волн, т.е. включает электромагнитную энергию не только видимой части, но и инфракрасную и ультрафиолетовую области спектра оптического диапазона. В качестве источников накачки используются либо импульсные лампы, либо лазеры.

Для лазеров с активной средой в виде раствора красителя характерен процесс накопления молекул красителя в метастабильном триплетном состоянии T₁, приводящий к поглощению генерируемого излучения и, следовательно, к снижению КПД лазера [1]. Для уменьшения поглощения прибегают, в частности, к прокачиванию раствора красителя через область накачки так, что молекулы красителя пересекают указанную область за время, меньшее времени τ_T заселения уровня T₁( τ_T ~ 10^-6 - 10^-7 с).

Известен [2] импульсный лазер на растворе красителя, содержащий оптический резонатор, выполненный в виде удлиненной кюветы с плоскопараллельными прозрачными для оптического излучения боковыми стенками, закрытой с продольно противоположных концов соответственно полностью отражающим и частично отражающим зеркалами, резервуар, скрепленный с указанной кюветой и сообщающийся с ней через каналы, расположенные вблизи ее концов, две импульсные лампы с рефлекторами, примыкающие соответственно к одной и другой боковым стенкам кюветы, размещенный в резервуаре ротор, а также заполняющий резервуар и кювету раствор красителя.

В предпочтительном воплощении изобретения вращение ротора в резервуаре вызывается электрическим мотором малой мощности, связанным с ротором с помощью магнитной муфты. Этим обеспечивается циркуляция раствора красителя, приводящая к медленной (со скоростью 5 см/с) смене раствора красителя в кювете и выравниванию разности в температурах раствора в кювете и в хранящем раствор резервуаре. При этом импульсные лампы служат источником накачки активной среды в виде раствора красителя, содержащегося в кювете, а частично отражающее зеркало выполняет также и функцию выходного окна лазера.

Недостатки этого лазера связаны с тем, что импульсные лампы вырабатывают импульсы с частотой повторения значительно меньше той, которая требуется для многих применений. Более того, попытка накачивать активную среду (раствор красителя), медленно прокачиваемую через кювету, импульсным излучением с более высокой частотой повторения приводит к тому, что циркулирующий в кювете раствор красителя будет недопустимо разогреваться до температуры, при которой проявляется химическое разрушение красителя.

Известен [3] импульсный лазер на растворе красителя, накачиваемый лазером на парах меди и способный работать с высокой частотой повторения импульсов. В этом лазере кювета выполнена треугольной в поперечном сечении и раствор красителя прокачивается через нее примерно со скоростью 5 м/с в поперечном по отношению к оптической оси лазера направлении. Импульсы накачивающего лазера имеют длительность 20-30 нс. При этом лазером генерируются импульсы излучения с частотой повторения 8 кГц.

Несмотря на то, что такой лазер имеет достаточно удовлетворительные рабочие характеристики, существует необходимость получения импульсов излучения с более высокой частотой повторения, например, для целей лазерной спектроскопии. Кроме того, система прокачки раствора красителя через кювету с большим давлением сложна, недостаточно надежна, с увеличением скорости прокачки не обеспечивает требований, предъявляемых к потоку раствора красителя в кювете. Это проявляется в виде неоднородностей потока в кювете, обусловленных турбулентностью его течения, и приводит в первую очередь к нестабильности ширины полосы излучения лазера, а также к снижению его КПД.

Известен [4] наиболее близкий к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату импульсный лазер на растворе красителя. Лазер содержит две резонаторные ячейки, систему циркуляции раствора красителя и лазерное средство накачки. Первая резонаторная ячейка имеет две прозрачные для оптического излучения стенки, протяженные в направлении, перпендикулярном оси распространения лазерного луча, и узкий канал, размещенный между указанными стенками, вдоль указанной оси, и служащий для прокачки раствора красителя через ячейку. Размер упомянутого канала в направлении, перпендикулярном оси распространения лазерного луча, составляет 0,3 - 0,75 мм. Вторая резонаторная ячейка конструктивно выполнена аналогично первой ячейке. Она размещена после первой ячейки на оси распространения лазерного луча и ориентирована относительно этой оси так же, как и первая ячейка. Однако у второй ячейки размер канала в направлении, перпендикулярном оси распространения лазерного луча, равен 0,5 - 1,0 мм. Система циркуляции раствора красителя сообщает потокам раствора в каналах ячеек скорости примерно от 5 до 15 м/с. Лазерное средство накачки осуществляет импульсную накачку раствора красителя в первой и второй резонаторных ячейках с частотой повторения импульсов большей 5 кГц.

Этот лазер представляет в сущности усовершенствование лазера, описанного в [3] , за счет добавления второй резонаторной ячейки, усиливающей генерируемое лазерное излучение. Оптимизация размеров каналов в ячейках и скоростей протекающего по каналам раствора красителя обеспечивает возможность генерации импульсного лазерного излучения с частотой следования импульсов от 5 до 20 кГц при скоростях потока раствора красителя в ячейках от 5 до 15 м/с. При этом предпочтительными являются равная 10 кГц частота следования импульсов и равная 10 м/с скорость потока раствора красителя в ячейках. Конструкции лазера свойственны те же недостатки, что и у лазера из [3]: сложность системы циркуляции раствора красителя, недостаточная ее надежность.

Системы циркуляции раствора красителя, реализованные в известных аналогах и прототипе, не позволяют осуществлять оперативный переход из одного сегмента длин волн генерируемого излучения в другой, т.к. это требует либо установки другой кюветы, снабженной системой циркуляции раствора красителя другого вида, либо удаления используемого раствора красителя из кюветы и системы циркуляции раствора, тщательного их промывания и заполнения новым раствором красителя. При этом, как правило, требуется дополнительная точная юстировка лазера, доступная лишь специалистам в области лазерной техники.

Таким образом, несмотря на достаточно широкое использование лазеров на растворах красителей в устройствах различного назначения на сегодняшний день не решена задача создания компактного лазера, сочетающего коммерческую доступность, способность работать с высокой выходной мощностью (высокой частотой повторения импульсов), рационально выполненную систему циркуляции раствора красителя (минимальная конструктивная сложность и высокая надежность), позволяющего при этом оперативно, без сложного процесса юстировки, переходить из одного сегмента длин волн генерируемого оптического излучения к другому, сохраняя возможность плавной перестройки по частоте в каждом из указанных сегментов.

Задачей изобретения является создание надежного компактного лазера на растворе красителя, обладающего большим ресурсом работы, имеющего высокую среднюю мощность генерируемого излучения и допускающего оперативную, исключающую процесс дополнительной юстировки перестройку частоты лазерного излучения.

В соответствии с поставленной задачей заявляемый импульсный лазер на растворе красителя содержит, как и прототип, импульсный лазер в качестве источника накачки, кювету с активной средой в виде раствора красителя, часть объема которого использована в качестве рабочей зоны генерации излучения, снабженную средством для циркуляции раствора красителя, а также оптический резонатор. Лазер отличается от прототипа тем, что в нем средство для циркуляции раствора красителя через рабочую зону генерации излучения выполнено в виде помещенной в кювете круговой в плане шайбы с приводом вращения вокруг оси симметрии, ортогональной ее плоской поверхности.

При этом целесообразно выполнение кюветы с образованием указанной рабочей зоны генерации излучения зазором между стенкой кюветы, через которую введено излучение накачки, и боковой поверхностью указанной круговой в плане шайбы, обращенной к этой стенке.

Оптимальные качественные показатели достигаются в том случае, когда рабочая зона генерации излучения ограничена в плоскости каждого из торцов указанной круговой в плане шайбы соответственно частично прозрачным зеркалом упомянутого оптического резонатора и прозрачным для излучения оптическим элементом.

Предпочтительным является выполнение полости кюветы круговой в плане.

В заявляемом лазере решающее значение имеет выполнение средства перемещения раствора красителя через рабочую зону генерации в виде круговой в плане шайбы, размещенной непосредственно в полости заполненной раствором красителя кюветы, с возможностью вращения вокруг оси симметрии. При таком выполнении это средство обладает поворотной осью симметрии бесконечного порядка, т.е. переходит само в себя при повороте на любой угол. Вследствие этого и адгезионных свойств боковой поверхности шайбы при вращении шайбы в растворе красителя даже с очень большой угловой скоростью вблизи боковой поверхности образуется тонкий ламинарный поток раствора красителя. Этим потоком инициируются отрывные течения раствора красителя, обеспечивающие эффективное турбулентное перемешивание раствора красителя во всем занимаемом им объеме. Кроме того, возможность создания ламинарного потока раствора красителя, пересекающего рабочую зону генерации излучения, является необходимым условием достижения лазером высокого КПД. При образовании рабочей зоны генерации излучения зазором между стенкой кюветы, через которую введено излучение накачки, и боковой поверхностью шайбы, обращенной к этой стенке, обеспечивается пересечение указанной зоны именно указанным ламинарным потоком раствора красителя и исключается возможность пересечения рабочей зоны генерации турбулентным потоком раствора красителя, либо вовлечение в эту зону неоднородностей раствора красителя, формируемых при турбулентном перемешивании раствора красителя вне рабочей зоны генерации излучения.

Ограничение рабочей зоны генерации излучения в плоскости каждого из торцов круговой шайбы полупрозрачным зеркалом оптического резонатора и прозрачным для излучения оптическим элементом обеспечивает уменьшение длины пути проходимого генерируемым лазером излучения, а следовательно, уменьшение потерь излучения в растворе красителя. Этим достигаются оптимальные качественные показатели генерируемого излучения.

Выполнение полости кюветы круговой в плане исключает возможность появления дополнительных нерегулярных течений раствора красителя в полости кюветы, вызванных нерегулярностью ее формы, и способных оказать деструктивное воздействие на тонкий ламинарный поток раствора красителя, примыкающий к боковой поверхности шайбы.

В заявляемом лазере оптический резонатор частично интегрирован в кювету, а средства закрепления кюветы в лазере обеспечивают требуемую точность установки кюветы. Поэтому для обеспечения возможности генерирования лазером излучения в широком спектральном диапазоне достаточно иметь в распоряжении набор идентичных кювет, заполненных различными растворами красителя. Установку кюветы в лазер и их поочередную смену может осуществлять оператор, не имеющий навыков по юстировке оптических элементов лазеров, т.к. необходимость в этом отпадает. В результате достигается оперативный переход в различные сегменты длин волн генерируемого лазером излучения, большой ресурс работы лазера, расширяется область его применения и улучшается эргономичность функций.

Из предшествующего уровня техники, вообще говоря, известны используемые в лазерах на растворах красителя кюветы, содержащие средство циркуляции раствора красителя непосредственно во внутренней полости кюветы [5]. Однако циркуляция раствора красителя в кювете, описанной в [5], осуществляется в ином по отношению к пучку генерируемого излучения направлении, чем в заявляемом лазере. Более того, указанная кювета не может быть использована в заявляемом лазере, поскольку ею не может быть обеспечено протекание однородного потока раствора красителя через рабочую зону генерации излучения с требуемой скоростью.

Далее изобретение поясняется фигурами графических изображений.

На фиг. 1 схематически представлен в целом импульсный лазер на растворе красителя согласно предлагаемому изобретению.

Фиг. 2 представляет собой поперечный разрез по линии А-А на фиг. 1 кюветы с раствором красителя при ее предпочтительном воплощении.

Фиг. 3 поясняет способ закрепления кюветы в рабочем положении.

Лазер содержит герметичную кювету 1, внутренняя полость 2 которой в предпочтительном воплощении выполнена круговой в плане и заполнена раствором красителя. Внутри полости 2 на оси 3, концы которой входят в выполненные в теле кюветы фторопластовые подшипники скольжения 4, закреплена круговая в плане шайба 5, радиусом около 3 см. Кювета включает три оптических окна 6, 7, 8, изготовленных из кварцевого стекла и имеющих цилиндрическую форму. Между торцами цилиндрических оптических окон 6, 7, 8 и боковой поверхностью круговой шайбы 5 заключена рабочая зона генерации излучения 19. Зазор между торцом окна 6 и примыкающей к нему части боковой поверхности шайбы 5 составляет 0,5-1 мм. При этом окно 6 служит для ввода в рабочую зону генерации излучения накачки, генерируемого источником 9 накачки и преобразуемого цилиндрической линзой 10 в сходящийся пучок 11, а окна 7 и 8 - для вывода пучка 12 генерируемого лазером излучения. Оптический резонатор лазера образован частично прозрачным зеркалом 13, напыленным на торце цилиндрического оптического окна 7, линзой 14 и дифракционной решеткой 15. Приводом вращения круговой шайбы 5, закрепленной на оси 3, служит электрический мотор 16, на оси которого закреплена полумуфта 17 магнитной муфты, которой отвечает закрепленная на оси 3 полумуфта 18 этой муфты. Кювета 1 конструктивно выполнена разъемной, состоящей из корпуса 20 и крышки 21. Герметизация достигается использованием кольцевой силиконовой прокладки 22.

На фиг. 2 показан поперечный разрез кюветы по линии А-А на фиг. 1. В корпусе 20 выполнена профилированная канавка 24, соединенная с резьбовым каналом 23, предназначенным для заправки кюветы 1 раствором красителя, а также шесть резьбовых отверстий для закрепления с помощью стандартных винтов крышки 21 на корпусе 20. Полость 2 кюветы 1 имеет круговую в плане форму объемом около 300 см³. Между обращенной к выполненному в кювете 1 цилиндрическому оптическому окну 6 боковой поверхностью шайбы 5 и торцом окна 6 имеется узкий зазор, заполненный раствором красителя и образующий рабочую зону генерации излучения 19.

Фиг. 3 поясняет способ закрепления кюветы. Кювета 1 выполнена с возможностью жесткого закрепления на несущей раме 25, фрагмент которой в виде пластины 26 изображен на фиг. 3. В пластине 26 закреплены штифты 27 и болты 28. В корпусе 20 кюветы 1 имеются отвечающие штифтам 27 отверстия. В собранном виде кювета 1 устанавливается на штифты 27 в промежутке между болтами 28, затем на болты 28 профилированными пазами 30 накидывается перемычка 29 и перемещением винта 31 до упора в крышку 21 кюветы 1 производится ее закрепление на пластине 26 несущей рамы.

Все элементы и узлы заявляемого лазера являются коммерчески доступными. Так, в качестве прототипа накачки может быть использован серийно выпускаемый импульсный лазер на парах меди типа "Малахит-М". Оптические окна и линзы могут быть легко изготовлены из кварцевого стекла, технология их производства хорошо отработана. В качестве дифракционной решетки может использоваться изготовленная по стандартной технологии решетка размером 10 х 10 мм, имеющая 1200 штрихов на мм. Частично-прозрачное зеркало 13, выполненное на торце оптического окна 7, имеет коэффициент отражения порядка 40% и изготовлено путем напыления алюминия. Корпус кюветы, ее крышку, круговую в плане шайбу предпочтительно изготавливать из нержавеющей стали. При этом функциональное назначение выполненной в корпусе кюветы канавки 24 заключается в том, чтобы исключить попадание пузырьков воздуха внутрь кюветы при ее заправке раствором красителя. В качестве электродвигателя можно использовать любой серийно выпускаемый мотор мощностью ~ 5 Вт, например, типа ДПР-52.

Заявляемый импульсный лазер на растворе красителя работает следующим образом. Излучение накачки, генерируемое источником 9 накачки, фокусируется цилиндрической линзой 10 в окрестности находящегося в кювете 1 торца оптического окна 6. Сфокусированное излучение поглощается раствором красителя в рабочей зоне генерации излучения находящейся между торцами оптических окон 6, 7, 8 и боковой поверхностью круговой в плане шайбы 5. При поглощении происходит возбуждение раствора красителя в рабочей зоне генерации излучения. Возбужденный объем красителя имеет форму близкую к цилиндрической. Длина этого объема определяется диаметром пучка накачки, и поперечный размер зависит от энергии накачки и концентрации раствора красителя. Ориентация оси симметрии возбужденного цилиндрического объема раствора красителя определяет при юстировке лазера оптическую ось резонатора, а следовательно, и ось 12 генерируемого лазером пучка излучения. Длительность импульса накачки составляет 20-30 нс, частота повторения импульсов 10-15 кГц, средняя мощность накачки 0,5-5 Вт.

Для работы лазера в частотном режиме требуется частичная или полная смена красителя за межимпульсный период в рабочей зоне генерации. Для этого частота смены раствора красителя в указанной зоне должна быть близка к частоте повторения импульсов накачки, т.е. составлять величину порядка 15 кГц. Это достигается вращением с помощью электрического мотора 16 через посредство магнитной муфты 17, 18 круговой в плане шайбы 5 со скоростью 3-5 тыс.об/мин. При этом за счет адгезии (прилипания) раствора красителя к боковой поверхности шайбы образуется тонкий ламинарный поток раствора красителя, пересекающий рабочую зону генерации со скоростью порядка 15 м/с.

Плавная перестройка длины волны генерируемого излучения в пределах полосы усиления данного раствора красителя осуществляется путем вращения дифракционной решетки 15. Для перехода в другой сегмент спектрального диапазона производится замена кюветы на кювету с другим раствором красителя, обеспечивающим генерацию излучения в нужном спектральном сегменте. Благодаря тому, что оптические окна 6, 7, 8 интегрированы в кювету, обеспечена возможность предварительной юстировки отдельных кювет, заполненных отличающимися растворами красителя. Тем самым перестройка лазера из одного сегмента генерируемого излучения сводится к простой замене кювет, без осуществления какой-либо дополнительной юстировки лазера.

Источники информации, принятые во внимание при составлении описания изобретения: 1. Шефер Ф.П. Лазеры на красителях. - М.: Мир, 1976.

2. Патент США N 4013978, H 01 S 3/092, 1977.

3. Duarte F.J., Piper J.A. Narrow line-width, high prf copper laser-pumped dye-laser oscillators. Applied Optics. - 1984. - V. 23. - N 9. - P. 1391-1394.

4. Патент США N 4891817, H 01 S 3/20, 1990.

5. Патент ГДР N 0153286, H 01 S 3/02, 1981.

Формула изобретения

1. Импульсный лазер на растворе красителя, содержащий импульсный лазер в качестве источника накачки, кювету с активной средой в виде раствора красителя, часть объема которого использована в качестве рабочей зоны генерации излучения, снабженную средством для циркуляции раствора красителя, а также оптический резонатор, отличающийся тем, что в нем средство для циркуляции раствора красителя через рабочую зону генерации излучения выполнено в виде помещенной в кювете круговой в плане шайбы с приводом вращения вокруг оси симметрии, ортогональной ее плоской поверхности.

2. Лазер по п.1, отличающийся тем, что в нем указанная рабочая зона генерации излучения образована зазором между стенкой кюветы, через которую введено излучение накачки, и боковой поверхностью указанной круговой в плане шайбы, обращенной к этой стенке.

3. Лазер по п.2, отличающийся тем, что в нем рабочая зона генерации излучения ограничена в плоскости каждого из торцов указанной круговой в плане шайбы соответственно частично прозрачным зеркалом упомянутого оптического резонатора и прозрачным для излучения оптическим элементом.

4. Лазер по п.3, отличающийся тем, что в нем полость кюветы выполнена круговой в плане.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3