Жидкостный теплоноситель-светофильтр твердотельных лазеров

01 3/042 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ(71) Заявитель Открытое акционерное общество Пеленг(73) Патентообладатель Открытое акционерное общество Пеленг(57) Жидкостный теплоноситель-светофильтр твердотельных лазеров, включающий воду, отличающийся тем, что дополнительно содержит 2,2, 4,4-тетраоксибензофенон, уксуснокислый натрий и пропиловый или изопропиловый спирт при следующем содержании компонентов, мас.2,2, 4,4-тетраоксибензофенон 0,03-0,07 уксуснокислый натрий 0,2-0,7 пропиловый или изопропиловый спирт 15-85 вода остальное.(56) Антипенко Б.М. и др. Гольмиевые лазеры на кристаллах ИАГ и ИСГГ в импульсно-периодическом режиме генерации//Квантовая электроника. - 1993. - Т. 20,12. - С. 1150. Белостоцкий Б.Р. и др. Основы лазерной техники. - М. Сов. Радио, 1972. - С. 273, 275.9602965 . 4241 1 Изобретение относится к лазерной технике, а конкретнее к жидкостным охлаждающим средам (теплоносителям) твердотельных лазеров (например, неодимовых или гольмиевых), являющихся одновременно светофильтром для ультрафиолетового (УФ) излучения лампы накачки лазера. Оно может применяться везде,где разрабатываются или применяются твердотельные лазеры, имеющие жидкостную систему охлаждения с фильтрацией УФ излучения лампы накачки. Известен жидкостный теплоноситель-светофильтр (ЖТС), применяющийся для охлаждения лазеров на рубине или стекле с неодимом и фильтрации УФ излучения ламп накачки, в качестве которого используется дистиллированная вода 1. Этот ЖТС прост в изготовлении, имеет большую теплоемкость. Недостатками его являются 1) высокая коррозионная активность 2) образование на оптических элементах системы накачки лазера налетов биологического происхождения (появляющихся в системах охлаждения лазеров, использующих чисто водные охлаждающие среды), уменьшающих энергетику и ресурс работы лазера 3) неоптимальные для получения максимальной эффективности лазера спектральные характеристики (граница полосы поглощения находится в диапазоне 0,2 - 0,3 мкм) 4) высокая температура замерзания, равная 0 С. Вследствие указанных причин вода в настоящее время практически не используется в качестве ЖТС лазеров. Более оптимальными спектральными характеристиками (граница полосы поглощения УФ излучения примерно 0,40,5 мкм) обладает известный ЖТС, представляющий собой водный раствор бихромата калия 2, являющийся наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату и выбранный в качестве прототипа. ЖТС представляет собой раствор 0,2 мас.бихромата калия в дистиллированной воде. Практика использования ЖТС на основе бихромата калия выявила ряд его существенных недостатков. Во-первых, указанный ЖТС имеет неоптимальные характеристики для накачки твердотельных лазеров,так как бихромат калия обеспечивает поглощение УФ излучения лампы накачки с длиной волны короче 0,5 мкм, в то время как, например, для лазеров на гранате с неодимом граница полосы поглощения должна быть около 370 нм для получения максимальной энергетики и достаточного ресурса работы. Во-вторых, в процессе эксплуатации этого ЖТС имеет место интенсивная коррозия металлических узлов системы охлаждения лазера, вследствие чего в ЖТС появляются продукты коррозии, поглощающие в спектральном диапазоне накачки и уменьшающие энергетику и ресурс работы лазера. Кроме того, при работе лампы накачки УФ излучение вызывает фотохимическое разложение продуктов коррозии и осаждение нерастворимых продуктов разложения на поверхности колбы лампы накачки, что также вызывает уменьшение энергетики и ресурса работы лазера. В-третьих, при эксплуатации водного ЖТС на оптических элементах системы накачки лазера (отражателе и лампе накачки) появляются налеты биологического происхождения, также вызывающие уменьшение энергетики и ресурса работы лазера. В-четвертых, существенным недостатком ЖТС, выбранного в качестве прототипа, является также невозможность эксплуатации его в холодное время года ввиду замерзания при температуре ниже 0 С. Задачей изобретения является создание ЖТС, обеспечивающего повышенный ресурс работы, оптимальные спектральные характеристики и возможность эксплуатации при температурах ниже 0 С. Поставленная задача решается тем, что жидкостный теплоноситель-светофильтр твердотельных лазеров,включающий воду, в отличие от прототипа, дополнительно содержит 2,2, 4,4 - тетраоксибензофенон, уксуснокислый натрий и пропиловый или изопропиловый спирт при следующем содержании компонентов,мас.2,2, 4,4 - тетраоксибензофенон 0,03 - 0,07 уксуснокислый натрий 0,2 - 0,7 пропиловый или изопропиловый спирт 15 - 85 вода остальное. Предлагаемый ЖТС имеет границу полосы пропускания в УФ диапазоне около 370 мкм и прозрачен вплоть до 1 мкм. Эта спектральная характеристика является оптимальной для накачки твердотельных лазеров на гранате, легированном неодимом. Излучение накачки с длиной волны более 370 нм практически не вызывает появления наведенного неактивного поглощения в активном элементе лазера, соответственно,не уменьшается энергетика и обеспечивается достаточный ресурс работы лазера. Так как коэффициент экстинкции красителя 2,2, 4,4-тетраоксибензофенона в УФ области существенно выше, чем у бихромата калия, для фильтрации УФ излучения и обеспечения необходимых спектральных характеристик ЖТС достаточно малой концентрации красителя 0,03-0,07 мас. . Увеличивать концентрацию красителя более 0,07 мас.нежелательно, так как в этом случае уменьшается толщина слоя ЖТС, в котором поглощается УФ излучение. Соответственно, при этом растет температура ЖТС в этом слое и ухудшается охлаждение лампы накачки, что приводит к уменьшению энергетики и ресурса работы лазера. Концентрация красителя менее 0,03 мас.не позволяет обеспечить достаточную фильтрацию УФ излучения накачки лазера, соответственно, при этом уменьшаются энергетика и ресурс работы лазера. 4241 1 Краситель менее реакционноспособен, чем бихромат калия, что в сочетании с малой концентрацией красителя вызывает уменьшение коррозионной активности ЖТС, а соответственно, уменьшаются скорость появления продуктов коррозии в ЖТС и скорость образования налета на оптических элементах системы накачки лазера. При этом увеличивается ресурс работы лазера. Наличие уксуснокислого натрия увеличивает растворимость красителя и уменьшает коррозионную активность ЖТС. Минимальная концентрация уксуснокислого натрия для увеличения растворимости красителя составляет 0,2 мас. . При увеличении концентрации уксуснокислого натрия выше 0,7 мас.возможно появление на колбе лампы накачки налета, что вызывает уменьшение ресурса работы и энергетики лазера. Наличие пропилового или изопропилового спирта (ПС) позволяет получить менее коррозионноактивный,с отсутствием налетов биологического происхождения, морозостойкий ЖТС. Минимальная концентрация ПС в 15 мас.и более устраняет появление налетов биологического происхождения (которые обычно образовываются в системах охлаждения лазеров, использующих чисто водные растворы), создает возможность растворения красителя и обеспечивает морозоустойчивость ЖТС (температура замерзания от -18 С). Устранение появления налетов увеличивает энергетику и ресурс работы лазера. Максимальная концентрация ПС ограничена 85 мас. , так как большая концентрация ПС вызывает существенное уменьшение теплоемкости ЖТС по сравнению с водными растворами и, соответственно, перегрев ЖТС при работе лампы накачки, что в свою очередь ведет к уменьшению энергетики и ресурса работы лазера. Наличие воды позволяет получить большую теплоемкость и плотность ЖТС. Минимальная концентрация воды (15 мас. ) ограничена необходимостью получения приемлемой теплоемкости и плотности ЖТС (на 30 больше теплоемкости чисто спиртовых растворов), обеспечивающей отсутствие перегрева ЖТС и достаточный ресурс работы лазера. Максимальная концентрация воды (85 мас. ) ограничена растворимостью красителя и необходимостью работы ЖТС при температурах ниже 0 С (температура замерзания составляет-18 С при наличии воды в концентрации 85 мас. ). Таким образом, спектральные характеристики предлагаемого ЖТС близки к оптимальным. ЖТС имеет большую теплоемкость и плотность ввиду наличия воды. ЖТС позволяет получить повышенный ресурс работы за счет стабильности спектральных характеристик путем уменьшения коррозионной активности и устранения биологических налетов. ЖТС имеет температуру замерзания ниже -18 С, что позволяет эксплуатировать его на открытых площадках в холодное время года. На фиг. 1 представлен спектр коэффициента пропусканияЖТС с толщиной слоя 1 мм. На фиг. 2 изображена зависимость относительной мощности излучения Р/Р 0 (где Р - текущая мощность, а Р 0 - начальная мощность излучения непрерывного твердотельного лазера на гранате с неодимом) от общего временипри использовании предлагаемого ЖТС. В конкретном исполнении ЖТС изготавливался и использовался в следующих составах, мас.Компоненты Варианты исполнения 1 2 3 4 5 2,2,4,4 - тетраоксибензофенон 0,03 0,07 0,05 0,03 0,03 Уксуснокислый натрий 0,2 0,7 0,3 0,5 0,3 Спирт пропиловый (изопропиловый) 15 85 40 60 75 Вода дистиллированная 84,77 14,23 59,65 39,47 24,67 ЖТС использовался для охлаждения непрерывных лазеров на гранате с неодимом, активные элементы которых нельзя подвергать воздействию УФ излучения. Накачка лазеров осуществлялась излучением криптоновой газоразрядной лампы ДНП 2-5/38 А при электрической мощности накачки 12001400 Вт. Мощность непрерывного излучения лазера составляла при этом не менее 10 Вт. Система охлаждения включала в себя бак из нержавеющей стали, корпус излучателя и конструктивные элементы излучателя, изготовленные из нержавеющей стали и титана. Толщина слоя между лампой накачки и активным элементом составляла не менее 2 мм. Спектр коэффициента пропускания слоя ЖТС толщиной 1 мм приведен на фиг. 1. Лазер работал в непрерывном режиме. Зависимость относительной мощности Р/Р 0 от времени, приведенная на фиг. 2 для 5-го варианта ЖТС, показывает достаточную стабильность характеристик ЖТС. Помещение лазера с системой охлаждения (для 5-го варианта ЖТС) в камеру мороза при температуре минус 50 С показало его работоспособность при отрицательных температурах. Таким образом, испытания предложенного ЖТС показали, что ЖТС обеспечивает оптимальные спектральные характеристики, повышенный ресурс работы и возможность эксплуатации в холодное время при низких температурах. Источники информации 3- С. 372, 375. 2. Антипенко Б.М. и др. Гольмиевые лазеры на кристаллах ИАГ и ИСГГ в импульсно-периодическом режиме генерации//Квантовая электроника. - 1993. - Т. 20,12. - С. 1150 (прототип). Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66. 4