Исследование системы накачки лазера на красителях

АННОТАЦИЯ

Рассмотрена конструкция лазера на красителях имеющей систему накачки с применением полупроводниковых лазеров. Краситель был изготовлен растворением отломков от CD-диска на ацетоне. Для системы накачки использовали 10 параллельно подключенных полупроводниковых лазерных диодов CdS. Измерения показали, что предлагаемая конструкция может дать стабильное лазерное излучение с мощностью до 30 Вт.

ABSTRACT

Dye laser having pumping systems using semiconductor lasers have been considered. The dye after dissolution of CD disk fragments in acetone has been made. For dumpingsystem we use 10 parallel connected semiconductor laser diodes CDs. The carrying out measurements showed that the proposed ourselves construction allows reaching laser radiation power up to 30 Vt.

Ключевые слова: лазер, краситель, ацетон, конструкция, накачка, мощность.

Keywords: laser, dye, acetone, construction, pump, power

Введение

Среди лазеров видимого и инфракрасного диапазонов полупроводниковые лазеры занимают особое место по ряду своих характеристик. Полупроводниковые инжекционные лазеры характеризуются очень высоким КПД преобразования электрической энергии в когерентное излучение (близким к 100%) и могут работать в непрерывном режиме. Другими практически важными особенностями полупроводниковых лазеров являются:

• высокая эффективность преобразования электрической энергии в энергию когерентного излучения (до 30-50%);
• малая инерционность, обусловливающая широкую полосу частот прямой модуляции (более 109 Ггц);
• простота конструкции;
• возможность перестройки длины волны излучения l и наличие большого числа полупроводников, непрерывно перекрывающих интервал длин волн от 0,32 до 32 мкм.

Полупроводниковые лазеры используются с наибольшей эффективностью в тех случаях, когда требования к когерентности и направленности не очень велики, но необходимы малые габариты и высокий КПД. Они превосходят лазеры всех остальных типов плотностью энергии излучения и величиной КПД. Важным качеством полупроводниковых лазеров является возможность перестройки частоты излучения и управления световым пучком, т.е. модуляция интенсивности света с постоянной времени ~ 10-11 сек [6, с. 5].

В связи с этим полупроводниковые лазеры широко применяются для накачки лазеров других типов [2, с. 745]. Например, в работе [4, с. 25] было предложено усовершенствовать электроразрядный полупроводниковый лазер на соединениях А^IIВ^VI использованием световода переменного сечения.

В работе [5, с. 44] исследована схема твердотельного дискового лазера с трехзонной диодной накачкой, в которой все области инверсной населенности активного элемента связаны между собой единым пучком, замкнутым через цикл облетов резонатора и имеющим единственный канал выхода из резонатора. Использованием специально изготовленных зеркал с переменным по поверхности коэффициентом отражения былапоказана возможность генерации излучения высокого качества с КПД, не уступающим простым многомодовым резонаторам.

В работе [3, с. 35] был приведен сравнительный анализ различных способов формирования внешней оптической обратной связи в полупроводниковых лазерах, где были рассмотрены схемы с зеркально и диффузно отражающими объектами и поляризационными элементамив канале внешней обратной связи.

В работе [1, с. 1000] было показано, что применение гипертеплопроводящих пластин совместно с алгоритмом широтно-импульсной модуляции позволяет обеспечить стабилизацию температуры подложек линеек лазерных диодов с точностью ±0,1 °С и, одновременно выравнивать распределения температуры по ее поверхности с отклонением менее 1 °С. Оптическая схема резонатора лазера позволяет сохранить угловую расходимость излучения, превышающую дифракционный предел не более чем в два раза, при мощности накачки до 100 Вт. Было показано, что для повышения эффективности световой накачки и коэффициента полезного действия лазера в целом необходимо использовать многослойные покрытия широких оптических поверхностей слэба на основе чередующихся слоев SiO₂ и ZrO₂.

В настоящей работе полупроводниковый лазер использовался для накачки лазера на красителях.

Методы эксперимента

Раствор красителя изготавливали в следующем порядке. Сначала взяли чистую стеклянную посуду, налили туда ацетон, разломали футляр от CD-диска на мелкие кусочки и положили их в ацетон. После того, как пластик расворился в ацетоне, слили с посуды ацетон и налили чистый. Далее хорошо перемешивали в свеже налитом ацетоне пластик и опять слили его. Данную процедуру повторили несколько раз до тех пор, пока не получился чистый пластик, свободный от различных примесей.

Далее взяли другую прозрачную посуду, залили флуоресцентный краситель красного цвета и разводили его в ацетоне до получения темного бордового цвета. Раствор довели до такого состояния, чтобы только на просвет была видна его темно-рубиновая прозрачность.

Полученный раствор красителя отфильтровали через плотноскрученный ватный тампон. Из заранее подготовленного растворенного пластика полностью слили ацетон. Вместо него залили полученный очищенный краситель и очень тщательно перемешивали его с пластиком. После чего, слили остатки красителя и залили снова чистый краситель, тщательно перемешивали. Процедуру повторили несколько раз и оставили пластик в растворе красителя на несколько дней в неподвижном состоянии. После того, как пластик просел и стал прозрачным, слили остатки красителя, ополаскивали содержимое чистым красителем. Затем еще раз налили чистый краситель и оставили.

Далее перешли к изготовлению формы под пластик. Довели до получения кусочка пластика ровной цилиндрической формы длиною 5 сантиметров с квадратным сечением (размера 4´4 мм). Залили в форму полученный краситель, промыли им форму и слили краситель. Еще раз залили, затем в форму с красителем залили уже окрашенный пластик. Сверху на все это залили краситель и закрыли для предотвращения испарения ацетона, чтобы краситель не начал выпадать в осадок и не засорял пластик.

Изделие оставили на неделю. Затем, не шевеля форму, медленно прилили в нее чистый ацетон, чтобы краситель вылился через края и сверху был только чистый ацетон. Форму оставили открытой и оставили ее в морозилке. Через 3 дня ацетон полностью испарился и пластик засох.

Затем сломали саму форму и очистили полученное «рабочее тело» от остатков формы. Неровности и дефекты «рабочего тела», оставшиеся после высыхания, исправили подбором кусочек стекла, смачиванием его ацетоном и сдавливанием к нему ту сторону «рабочего тела», где есть дефект. Подождали до момента высыхания. Так делали со всеми дефектными сторонами до их полного устранения и получения идеально ровных граней и торцов, без царапин и дефектов.

После того, как «рабочее тело» было готово, его разместили на медной металлической основе, которую сверху покрыли клеем моментом и приклеивали аккуратно «рабочее тело» к нему. Далее со стороны одного из торцов установили полупроводниковую лазерную указку таким образом, чтобы лазер просвечивал насквозь «рабочее тело» по длине и на выходе четко сохранилось его маленькое пятнышко без каких-либо искажений.

Описание элементов эксперимента

В работе использовали 10 параллельно подключенных полупроводниковых лазерных диодов CdS, излучающих на длине волны 480 нм с мощностью по 2 Вт каждый. Диодные лазеры разместили сверху над «рабочим телом» равномерно вдоль его поверхности. Электрическую схему построили так, чтобы при включении, сначала загоралась лазерная указка, а затем диоды. Изготовили металлический корпус таким образом, чтобы вся световая энергия диодов отражалась на «рабочее тело» и не выходила во вне.

Использовали устройство только короткими импульсами, не более одной секунды, с перерывами по 510 секунд.

Измерение мощности излучения

Мощность выходного лазерного излучения измеряли двумя способами. В 1-способе использовали пондеромоторный метод. В связи с тем, что экспериментальные условия для проведения измерений по данному способу не позволяют более точно определить значения мощности (из-за коротких импульсов и перерывов), для проверки экспериментальных результатов, подключили также элементы для измерения по второму – калориметрическому способу. Для этого выходное излучение через отражательное зеркало направляли в калориметр, где находилась дистиллированная вода с термометром. Во избежание выхода излучения из калориметра ее внутренняя сторона покрывалась алюминиевой фольгой.

Считая, что практически вся излучаемая энергия поглотилась в теплоту, по изменениям температуры воды Dt и по времени задержки t определяли мощность выходного лазерного излучения P:

,

где c_w и c_Al – удельная теплоемкость воды и алюминиевой посуды, соответственно, m_w - масса воды в калориметре и m_Al – масса алюминиевой фольги.

Экспериментальные результаты

Как показал анализ результатов эксперимента, оба методы дают практически сопоставимые неразличимые значения. Зависимость мощности излучения при выходе от числа подключенных диодов представлена на рис.1, из которого видно, что предложенная установка позволяет получить мощность до 30 Вт.

Рисунок 1. Зависимость мощности излучения на выходе от числа подключенных лазерных диодов

Список литературы:
1. Архипов Д.А. и др. Оптимизация рабочих характеристик твердотельного лазера с диодной накачкой для космических применений // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. – 2015.- Том 15. - № 6. - С. 1000-1007.
2. Бурдукова О.А., Долотов С.М., Петухов В.А., Семенов М.А. Полимерный лазер на красителях с накачкой зелеными полупроводниковыми лазерами // Квантовая электроника, - 2019. - 49, - № 8. - С. 745-748.
3. Карих Е.Д. Полупроводниковый лазер с комбинированной внешней оптической обратной связью // Вестник БГУ, - 2015. - серия 1. -вып. 2. - С. 35-39.
4. Насибов А.С., Баграмов В.Г., Бережной К.В., Шапкин П.В. Электроразрядный полупроводниковый лазер на соединениях А2В6 с фоконной вставкой // Краткие сообщения по физике ФИАН. - 2013. - вып.4. - С. 25-34.
5. Николаев Д.А., Пивкина М.Н., Цветков В.Б. Дисковый Nd:GGG лазер с многопучковой оптической накачкой // Прикладная фотоника. - 2015. - Т.2. - № 1. - С. 44-52.
6. Павлов В.В., Семашко В.В. Оптический параметрический генератор. -Казань. Учебное пособие, 2014. – 68 с.