Оценка влияния температуры диодных матриц накачки на выходные характеристики лазерного генератора.

 

Наибольшее влияние на эффективность работы генератора оказывают изменения температуры диодных матриц. Дело в том, что длина волны излучаемого ими света изменяется в сторону изменения температуры. Стержень YAG-Nd имеет наибольший коэффициент поглощения на длине волны равной 808,6 нм и очень чувствителен даже к малейшим ее изменениям.

Рис.52. Спектральное распределение поглощения YAG-Nd.

 

На рис.52. изображена зависимость коэффициента поглощения YAG-Nd от длины поглощаемого света, из которой хорошо видно, что полоса наибольшего поглощения очень узка. Коэффициент температурного сдвига центра линии практически одинаков для всех диодов и составляет значение dλ/dT≈0,3 нм/⁰С.

Следовательно, изменение температуры лазерных диодов на несколько градусов приведет к существенному изменению коэффициента линейного поглощения. Этот факт необходимо учитывать при выборе диодных матриц для боковой и продольной накачки. При работе мощных диодных матриц их температура с течением времени обязательно повысится на несколько градусов, что приведет к сдвигу спектра генерации в более длинноволновую сторону (если не принимать существенных мер по стабилизации их температуры). Именно поэтому система контроля температуры диодных матриц предусматривает возможность поддержания необходимой температуры с точностью ± 0.5 ^оС. Для смягчения теплового режима работы диодных матриц надо выбирать матрицы, максимум спектра излучения которых при комнатной температуре приходится на длину волны ~806 нм. Теоретическая зависимость коэффициента линейного поглощения от температуры приведена на рисунке 53.

Рис.53. Зависимость коэффициента линейного поглощения от температуры

Анализ этой зависимости позволяет определить оптимальный диапазон рабочих температур диодных матриц (298-300⁰К).

Практическая оценка влияния температуры диодных матриц на выходные характеристики генератора будет дана ниже в виде экспериментальных данных снятых при работе с разработанной и реализованной на практике конструкцией лазера с накачкой диодными матрицами.

Экспериментальная часть.

5.1 Разработка эскизного варианта конструкции лазерного генератора.

 

    Разработанный эскизный вариант конструкции, изображенный на рис.54 смоделирован в системе AutoCad 2004.

 

Рис.54. Эскизный вариант конструкции лазерного генератора.

1 - стержень YAG-Nd, 2 - зеркала-радиаторы кристалла, 3 - цилиндрические линзы, 4 - диодные матрицы, 5 - патрубки охлаждения матриц, 6 - юстировочные винты для линз, 7 - уплотнения Вильсона, 8 - зеркала резонатора, 9 - держатели зеркал резонатора, 10 - юстировочные отверстия, 11 - основания зеркал резонатора, 12 – кулер, 13 – корпус, 14 - отверстия для ножек.

 

Кристалл YAG-Nd (1) зажат между двумя металлическими зеркалами (2), выполняющих также роль радиаторов. Между соприкасающимися поверхностями кристалла и зеркал нанесен тонкий слой резинового теплопроводящего клея, создающего хорошую термическую адгезию между кристаллом и металлом, а также позволяющий стержню «дышать» при тепловом расширении. Две диодные матрицы (4) расположены симметрично по обе стороны от кристалла. Излучение накачки диодных матриц на пути прохождения к кристаллу фокусируется цилиндрическими линзами (3), что помогает более эффективно вводить излучение в активную среду. Каждая линза закреплена в небольшом корпусе, снабженном резьбовыми отверстиями, сквозь которые проходят юстировочные винты (6). Юстировочные винты необходимы для перемещения линз и корректировки расходимости светового пучка накачки. Винты закреплены на корпусе генератора с помощью креплений Вильсона (7), суть работы которых проиллюстрирована на рис. 55.

Рис.55. Принцип крепления Вильсона.

 

    Исходящее из кристалла излучение усиливается в резонаторе, который состоит из двух зеркал (8) с коэффициентами отражения 100% и 80%. Зеркала закреплены в пластиковых держателях (9), в которых предусмотрены юстировочные отверстия (10) для регулировки направления отраженного излучения по горизонтали. Держатели крепятся к основанию резонатора (11), которые в свою очередь также снабжены юстировочными отверстиями (10) для регулировки направления излучения по вертикали. Между всеми подвижными частями резонатора проложены плотные резиновые кольца так, как это показано на рис. 56.

 

Рис.56. Иллюстрация юстировочного узла резонатора.

    На корпус установки (13), выполненный из 4х мм стали приклеены два кулера (12), охлаждающих радиаторы, которые играют роль зеркал –концентраторов излучения накачки. В корпусе предусмотрены четыре ответвления для монтажа ножек (14), либо для крепления установки на плоской поверхности.

 

    Конструкция генератора очень компактна. Ее габариты менее чем 160х120х30 мм без кулеров. Фотографии собранной конструкции с разных ракурсов представлены на рис. 57.

 

Рис.57. Внешний вид разработанного генератора лазерного излучения.