2.8. Методики измерения характеристик лазерного излучения

Измерение основных характеристик перестраиваемого лазера на красителях в твердотельной матрице – средней мощности лазерного излучения, максимальной мощности мипульса, ширины линии, длительности импульса, расходимости излучения, диапазона перестройки – проводится в полном соответствии с разработанными и утвержденными методиками.

Средняя мощность лазерного излучения измеряется с помощью ИМО-2Н или аналогичного прибора. Зависимость мощности лазерного излучения от длины волны (перестроечная кривая) определяется калориметрическим методом с одновременным измерением длины волны генерации при помощи монохроматора типа МДР23.

Форма и длительность излучения регистрируется фотоэлементами типа ФЭК-22ОПУ или ФК.000.П и широкополосным осциллографом типа С7-10Б.

Ширина линии лазерного излучения измеряется с помощью спектрографа СТЭ-1 или интерферометра ИТ28-30.

Измерение расходимости излучения лазера проводится в дальней зоне фотоэлектрическим методом с помощью фотодиода с пространственным разрешением 0,3 мм.

2.9. Результаты экспериментальных исследований.

Для проведения исследований был изготовлен, собран и настроен экспериментальный образец аппарата.

Вначале было проведено исследование харктеристик резонатора перестраиваемого лазера на красителях в твердотельной матрице. Были определены оптимальные значения фокусного расстояния линзы, расстояния от линзы до активной среды, а также концентрация красителей в твердотельной матрице полиметилметакрилата (ПММА). Основные результаты этих исследований приведены в табл. 2.3 и на рис. 2.14 и 2.15.

Таблица 2.3

Зависимость энергии генерации W_г от фокусного расстояния линзы F при фиксированном расстоянии l от активного элемента (родамин 6Ж в ПММА, W_нак= 14 мДж)

F,мм	Wг, мДж
	l=80 мм	l=70 мм
50	2.5	3.0
75	1.0*	2.0
110	3.5	3.8**
135	4.0	3.6
150	4.2	3.7
240	3.8	3.2

_{*- пробой в активном элементе}

_{**- пробой на оправе выходного зеркала}

Располагая активный элемент на расстоянии от линзы, равном ее фокусному расстоянию (l=F), получаем пробой в активной среде. Это снижает энергию генерации и срок службы активных элементов. При расфокусировке пучка накачки можно добиться устранения этих недостатков. Из приведенных результатов видно, что оптимальным является расстояние l=80 мм, при этом эффективность преобразования излучения накчки наибольшая, пробой в активном элементе не наблюдается, расходимость выходного пучка не превышает 2 мрад.

На рис. 2.15 приведена концентрационная зависимость энергии генерации активных элементов на основе родамина 6Ж, родамина С и оксазина 1 в ПММА при оптимальных значениях F и l.

Видно, что для родамина 6Ж существует оптимальное значение концентрации С, равные 2×10-4 моль/л, а для родамина С и оксазина 1 (более длинноволновых красителей) наблюдается увеличение энергии генерации при росте концентрации до 4×10-4 и 2×10-4 моль/л соответственно, после чего наступает насыщение.

Результаты исследований экспериментального образца приведены в таблице 2.4 и на рис 2.16 - 2.20.

Таблица 2.4

Параметры излучения экспериментального образца (W_н=9 мДж, l_н=532 нм)

№№ п/п	Активный элемент	Диапазон перестройки, нм	lмакс, нм	КПД, %
1	Родамин 6Ж-изобутират в ПММА	550-615	575	22
2	Родамин С в ПММА	575-660	610	16.7
3	Фенолемин 510 в ПММА	590-700	635	15.8
4	Оксазин 1 в ПММА	680-750	720	8.3
5	LiF(F2+)	840-1030	950	8.1

Из результатов эксперимента видно, что диапазон перестройки длин волн составляет 550¸750 нм (550¸1030 нм с использованием в качестве активного элемента LiF(F₂⁺)). Наибольшая эффективность преобразования излучения накачки достигнута на родамине 6Ж-изобутирате в ПММА (22%). Энергия импульса излучения при этом достигает 2 мДж.

Ширина линии излучения перестраиваемого лазера составила 1 нм. Длительность импульса излучения t=20 нс (по уровню 0.5 от максимального значения амплитуды) при длительности импульса накачки t_нак=25 нс.

Определение минимальной наработки на отказ проводилось на частоте 25 Гц с целью ускорения испытаний. С этой же целью испытания проводились без сканирования активного элемента, только при его вращении. Диаметр “рабочего” кольца на активном элементе равнялся 40 мм.

Испытание проводилось при W_н=5 мДж, номинальной для используемого типа лазера накачки, на родамине 6Ж-изобутирате в ПММА. За параметр “критерий годности” принималось снижение эффективности преобразование излучения накачки на 50% от его первоначального значения в процессе наработки.

Результаты испытаний показали (рис 2.19), что минимальная наработка на отказ составила 2×10⁵ импульсов.

Включениие механизма сканирования луча накачки по всей рабочей поверхности активного элемента, как показал расчет, увеличивает минимальную наработку на отказ не менее, чем на порядок, то есть до 1.3×106 импульсов, что составляет 120 часов работы на частоте 3 Гц без замены активного элемента.

При использовании лазерного излучения в медицинских целях важным показателем является доза излучения (энергетическая и лучистая экспозиция), определяемая как произвеление плотности мощности лазерного излучения на время экспозиции.

Излучение от лазера к облучаемой поверхности передается световодом. На рис. 2.21 приведена зависимость плотности мощности (плотности энергии) от расстояния выходного отверстия световода до облучаемой поверхности, а на рис 2.22 - поглощение энергии излучения при прохождении луча лазера через медицинский бинт со световодом и без него. Потери в световоде составили 50%, расходимость пучка после световода не превышала 30° в полном телесном угле.