ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА
УДК 772.962
ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СОВРЕМЕННОЙ ТЕПЛОВИЗИОННОЙ ТЕХНИКИ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ОБЛАСТИ ГЕНЕРАЦИИ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ЛАЗЕРОВ ПРИ МОЩНОЙ Л.Д.-НАКАЧКЕ
© 2010 г. В. П. Данилов, Н. Н. Ильичев, В. П. Калинушкин, М. И. Студеникин, В. А. Юрьев, А. В. Пронин*
Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН Россия, 119991, Москва, ул. Вавилова, 38 * ООО "Тепловизионные системы", Москва Поступила в редакцию 26.05.2009 г.
Сообщается о применении современной тепловизионной техники для исследования температурных полей и тепловых нагрузок на лазерные кристаллы БпУАО в условиях оптической накачки последних мощным (20 Вт) излучением диодных линеек с волоконным выходом. Показано, что современные тепловизоры, работающие в диапазоне 8—14 мкм, могут быть эффективно использованы для контроля приповерхностных температур в области генерации твердотельных лазеров при мощной диодной накачке. Продемонстрированы возможности современных тепловизоров для оценки нагрева области генерации в лазерном кристалле, распределения в этой области температуры, эффективности работы охлаждающих систем, а также для предварительной отбраковки активных элементов лазеров.
ВВЕДЕНИЕ
В последние годы большое внимание уделяется разработке мощных малогабаритных твердотельных лазеров, в которых в качестве источника накачки используются матрицы мощных полупроводниковых лазерных диодов (л.д.-накачка). Использование л.д.-накачки позволяет существенно повышать к.п.д. лазеров и создавать высокие плотности мощности накачки в области генерации. Благодаря этому в настоящее время создаются лазерные системы, позволяющие получать мощности излучения в десятки и сотни ватт при размерах областей генерации в несколько мм3 [1, 2].
Естественно, что при таких параметрах вопросы температурного режима этих систем становятся крайне важными. Простые оценки показывают, что при отсутствии эффективной системы теплосъема перегревы областей генерации могут составлять сотни градусов. Это будет приводить как к ухудшению генерационных характеристик кристаллов (в большинстве лазерных материалов они ухудшаются с повышением температуры), так и разъюстировке лазерной системы за счет образования тепловых линз. Другой проблемой является то, что лазерные кристаллы могут содержать неоднородности, которые будут приводить к возникновению областей локального перегрева. Появление же таких «дефектов» является причи-
ной деградации кристаллов и снижения их лучевой прочности.
Для решения указанных выше проблем разрабатываются различные системы охлаждения лазерных кристаллов. Естественно, что как для определения величины перегревов, так и для оценки эффективности работы систем охлаждения желательно иметь методы измерения температуры областей генерации непосредственно в процессе накачки кристаллов. Кроме того, желательно, чтобы эти методы позволяли регистрировать и распределение температуры в областях генерации. Понятно, что использование стандартных контактных методов для этой цели либо затруднено, либо просто исключено. В данной работе излагаются возможности использования для решения этой задачи современной теплови-зионной техники.
ОПИСАНИЕ МЕТОДИК И СХЕМЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Современные тепловизоры представляют собой аналоги видеокамер, работающие в инфракрасном, а не в видимом диапазоне. Их основу составляют матрицы фотоприемников, работающих в и.к.-диапазоне (обычно 3—5 или 8—12 мкм) [3]. Так как основная часть теплового излучения при температуре 300—600 К сосредоточена в указанных выше диапазонах, эти приборы могут
131
9*
Рис. 1. Блок-схема экспериментальной установки. 1 — блок диодной накачки; 2 — тепловизионная камера в различных положениях (а, Ь и с) относительно лазерного кристалла; 3 — оптоволокно; 4 — система фокусировки пучка накачки; 5 — лазерный кристалл УАО:Ег .
быть использованы как для визуализации нагретых предметов, так и измерения их температуры.
Современные тепловизоры имеют формат 256 х 256, 320 х 240, 512 х 512 и более элементов, чувствительность в несколько сотых долей градуса, работают в телевизионном режиме (с частотой съема информации в десятки герц). Приборы этого класса укомплектованы математическим обеспечением, позволяющим проводить измерения температуры с точностью в десятые доли градуса.
При проведении этой работы использовались тепловизоры двух типов: отечественный тепловизор ЛИК-2, работающий в диапазоне длин волн 3—5 мкм, и приборы фирмы NEC (серии ТН-9100 и ТН-7800), Япония, работающие в диапазоне длин волн 8—14 мкм. Обе камеры имели примерно одинаковые формат (256 х 256 элементов ЛИК-2 и 320 х 240 — NEC) и чувствительность (в несколько сотых градуса). Камеры работали в телевизионном режиме с частотой съема информации 25 и 60 Гц соответственно. В качестве объекта исследований был взят кристалл YAG:Er3+ (концентрация ионов эрбия С = 50%), который накачивался лазерной диодной линейкой LIM032-F400-DL980 с волоконным выходом излучения (длина волны X = 975 нм, мощность Р = 20 Вт).
Кристаллы YAG:Er3+ прозрачны в области 35 мкм (коэффициент поглощения в этой области а « (2—5) • 10-4 см-1 [4]) и практически непрозрачны в области 8-12 мкм. Поэтому приборы, работающие в диапазоне 8-12 мкм, могут регистрировать излучение и измерять температуру только областей генерации, прилагающих к поверхности кристалла. Использование же приборов, чувствительных в диапазоне 3-5 мкм, позволяет регистрировать тепловое излучение и из объема образца и в принципе исследовать температуру по всей области генерации. Однако в этом случае
определение значений абсолютной температуры будет затруднено.
Действительно, образцы с малым поглощением будут соответственно иметь малый коэффициент черноты. Это ухудшает точность измерения температуры практически в любом случае. В данной же ситуации задача усложняется тем, что поглощение канала генерации и соответственно значение коэффициента черноты в диапазоне 3— 5 мкм будут зависеть от мощности накачки. Это делает задачу измерения абсолютных значений температур очень сложной. Поэтому данный спектральный интервал, скорее всего, может быть использован только для исследования распределения температуры в области генерации. Это существенно, например, для выявления в кристаллах УАО:Ег3+ дефектов, приводящих к аномально сильному поглощению.
Для экспрессной же оценки температуры области генерации непосредственно в экспериментальной установке лучше использовать диапазон 8—12 мкм. В этом случае изменения коэффициента черноты, связанные с возбуждением ионов эрбия, будут мало влиять на суммарный коэффициент черноты, что позволит проводить достаточно точные измерения температур приповерхностных областей генерации.
В данной работе коэффициент черноты исследуемых образцов определялся по стандартной методике — путем подгонки значения температуры, измеряемой тепловизором, к значению температуры, измеряемой обычными контактными методами на образце без фотовозбуждения. Для кристаллов УАО:Ег3+ он оказался равным 0.98 для диапазона 8—14 мкм, в то время как в диапазоне 3—5 мкм он составляет несколько сотых.
Именно с этими обстоятельствами связано использование в данной работе тепловизоров, работающих в двух спектральных диапазонах. Соответственно, несколько отличались и схемы экспериментальных установок.
На рис. 1 приведена схема эксперимента с использованием тепловизора ЛИК-2 (диапазон 3— 5 мкм). Размеры кристалла УАО:Ег3+ составляли 10 х 5 х 1 мм. Излучение л.д.-накачки фокусировалось цилиндрической линзой в полоску размерами 0.4 х 5 мм примерно в середину кристалла. Тепловизор располагался на оптической скамье на расстоянии - 25 см от образца (положение с). Примерно 50% мощности накачки поглощалось кристаллом УАО:Ег3+. После прохождения через образец излучение л.д.-накачки расфокусировалось, а его часть, попавшая на тепловизор, поглощалась и. к.-фильтрами прибора и не влияла на результаты исследования.
Несколько отличная схема эксперимента использовалась для термографических исследований в диапазоне 8—12 мкм. Исследования проводились
Линия 1 MIN: 18.7°C MAX: 48.9°C
Линия 2 MIN: 18.0°C MAX: 48.6°C
и
св
£
Ei
ce ft <D
С
<D
Т
50 40 30 20
50 40 30 20
MAX: 48.9°C MIN: 18.7°C
Контур — Линия 1
10
15
20
25
30 33
MAX: 48.6°C MIN: 18.0°C
Контур — Линия 2
40 50 Пикселы
125 100 75 50 25
125 100 75 50 25
MAX: *129.8°C MIN: 19.2°C
Контур — Линия 1
I 10 20 30 40 50 60 70 80 90
MAX: *130.0°C __ Контур - Линия 2
MIN: 19.0°C
30 40 Пикселы
60
Рис. 2. Термограммы кристаллов YAG: Er3+ при различных уровнях мощности накачки, снятые в геометрии а.
0
5
непосредственно в процессе экспериментов по л.д.-накачке активных элементов с различными системами охлаждения. В случае, если система охлаждения оставляла открытой сторону кристалла, с которой производится его накачка, можно было регистрировать термограммы двух плоскостей образца (положения а и Ь). Если система охлаждения закрывала обе плоскости кристалла (в этом случае накачка производится обычно через пластинку сапфира, непрозрачную в области 8—12 мкм), регистрировалось излучение только с "рабочей" поверхности кристалла (положение Ь).
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Вначале рассмотрим результаты экспериментов с использованием приборов, работающих в диапазоне длин волн 8—14 мкм.
На рис. 2 и рис. 3 приведены термограммы кристаллов УАО:Ег3+ при разных уровнях мощности накачки, снятых в геометрии а и Ь соответственно. Лазерные кристаллы были закреплены
на радиаторах, охлаждаемых проточной водой. Видно, что области повышенной температуры, возникающие в кристаллах в результате их облучения лазерной диодной линейкой, хорошо визуализируются с помощью используемой тепло-визионной техники (тепловизоры NEC ТН-9100 и ТН-7800). Измерение температуры в отдельных точках (например, на рис. 2 и рис. 3 выведены максимальные и минимальные значения температуры области генерации) можно проводить непосредственно во время снятия термограммы. На этих же рисунках приведены графики распределения температуры в кристаллах и на охлаждающих радиаторах (по профилям, отмеченным на рисунках штр
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.