СИСТЕМА ЦИРКУЛЯЦИИ РАСТВОРА КРАСИТЕЛЯ В ЛАЗЕРАХ НА КРАСИТЕЛЯХ
SYSTEM FOR CIRCULATING DYE SOLUTION IN DYE LASERS

Изобретение относится к средствам обеспечения циркуляции активной среды жидкостных лазеров и может быть использовано преимущественно в непрерывных струйных лазерах на красителях.
Лазеры на красителях - лазеры, использующие в качестве лазерного материала органические красители, обычно в форме жидкого раствора. Для получения струи активной среды в струйных лазерах на красителях наибольшее распространение получили системы циркуляции раствора красителя на основе шестеренчатых насосов, способных создавать при относительно малом протоке раствора красителя 1-10 л/мин давление порядка 1-10 ат, необходимое для скорости истечения струи порядка 10 м/с. Для того чтобы при высокой выходной мощности излучение лазера имело также и узкий частотный спектр, необходимо иметь высокое оптическое качество струи, в частности истечение должно быть ламинарным и в струе не должно быть газовых пузырьков и микрочастиц. Параметры излучения жидкостного лазера сложным образом зависят от давления на формирователе струи (сопле), это давление необходимо регулировать, чтобы получить оптимальный режим работы лазера. В известных системах циркуляции регулировка давления производится краном, который перепускает часть потока по обводному каналу обратно в резервуар с раствором красителя. При этом, если в обводном канале не используется фильтры для задерживания газовых пузырьков, возникающих в насосе из-за кавитации, и частиц износа шестерен насоса, раствор красителя в резервуаре насыщается этими паразитными образованиями, что негативно сказывается на времени службы фильтров основного потока. Использование фильтров в обводном канале удорожает затраты на эксплуатацию системы циркуляции. Скорость образования кавитационных пузырьков можно уменьшить охлаждением раствора красителя, однако это вызывает увеличение вязкости раствора и увеличение нагрузки на насос.
Так, известна система циркуляции жидкости непрерывного струйного лазера [Бондарев Б.В., Кобцев С.М., Сорокин В.Б. «Система циркуляции жидкости непрерывного струйного лазера на красителе», Приборы и техника эксперимента, №1, 1986 г., стр. 176-178], содержащая шестеренчатый насос, электродвигатель шестеренчатого насоса, емкость с раствором красителя, формирователь струи раствора красителя (сопло), приемник струи раствора красителя, демпфер, теплообменник, фильтр, манометр выходного давления насоса, манометр давления перед формирователем струи, перепускной кран.
Система работает следующим образом.
Электродвигатель приводит в движение шестерни насоса, что приводит к понижению давления на его входе и поступлению раствора красителя из емкости на вход насоса. Из насоса раствор красителя поступает в первый демпфер, теплообменник и фильтр. Часть потока раствора красителя из первого демпфера по обводному каналу через регулировочный кран поступает обратно в резервуар. Основной поток красителя, прошедший через теплообменник и фильтр, поступает во второй демпфер и далее на сопло, установленное в лазере на красителе. Истекающий из сопла раствор красителя в форме плоской струи проходит через место фокусировки лазерных пучков и стекает по трубке в резервуар.
Данная система циркуляции раствора красителя является ближайшим аналогом заявляемой системы и принята за прототип изобретения.
Недостатком прототипа является отсутствие регулировки частоты вращения шестеренчатого насоса с приводом от асинхронного электродвигателя, непрерывно работающего на постоянной частоте вращения около 50 Гц. Для регулировки скорости истечения струи в системе циркуляции используется обводной канал с краном, причем в резервуар по этому каналу отводится раствор, не прошедший фильтр очистки. По этой причине газовые пузырьки, образующиеся в результате кавитации в насосе, попадают в емкость с раствором красителя, а из него - снова на вход шестеренчатого насоса. Наличие газовых пузырьков на входе в шестеренчатый насос увеличивает скорость их образования. Избыточно высокая постоянная скорость вращения шестеренчатого насоса также способствует загрязнению раствора красителя микрочастицами материала шестерен насоса. В результате возрастает нагрузка на фильтр очистки от пузырьков и микрочастиц раствора красителя, направляемого в струю, а срок службы фильтра сокращается. При этом раствор красителя из-за наличия в нем газовых пузырьков и микрочастиц материала шестерен насоса становится оптически неоднородным, что приводит к ухудшению характеристик работы лазера.
Изобретение решает задачу получения узкого частотного спектра и высокой мощности излучения струйного лазера на красителе путем исключения из схемы циркуляции раствора красителя обводного канала с краном. Предлагается вместо этого осуществлять регулировку скорости истечения струи раствора красителя изменением частоты вращения шестеренчатого насоса.
Поставленная задача решается тем, что предлагается система циркуляции раствора красителя в лазерах на красителях, включающая емкость, содержащую раствор красителя, формирователь струи раствора красителя и приемник струи раствора красителя, связанные с названной емкостью соответственно подающей магистралью и сливной трубкой, а также шестеренчатый насос, снабженный электродвигателем, которая также содержит:
- муфту на постоянных магнитах, соединяющую шестеренчатый насос с электродвигателем,
- датчик Холла, установленный вблизи названной муфты на постоянных магнитах, детектирующий импульсы ее магнитного поля и преобразующий их в электрические сигналы той же частоты,
- электронный стабилизатор, который получает электрические сигналы от датчика Холла, преобразует их в постоянное напряжение, величина которого пропорциональна частоте названных электрических сигналов, осуществляет сравнение его с опорным напряжением и формирует управляющий сигнал,
- электронный ключ, которому передается управляющий сигнал от электронного стабилизатора,
- балластное сопротивление, которое включается последовательно в цепь питания электродвигателя путем замыкания названного электронного ключа по управляющему сигналу электронного стабилизатора.
Электродвигатель может быть выполнен двухфазным асинхронным.
Система может содержать фильтры грубой и тонкой очистки раствора красителя.
На фиг. 1 показана схема предлагаемой системы циркуляции раствора красителя в лазере на красителе, где 1 - шестеренчатый насос, 2 - емкость с раствором красителя, 3 - кран, 4 - демпфер пульсаций давления, 5 - фильтр грубой очистки раствора красителя от газовых пузырьков и механических частиц, 6 - теплообменник, 7 - демпфер пульсаций давления, 8 - фильтр тонкой очистки раствора красителя от газовых пузырьков и механических частиц, 9 - формирователь струи раствора красителя, установленный в лазере, 10 - лазер на красителе, 11 - приемник струи раствора красителя, 12 - сливная трубка, 13 и 14 - манометры, 15 - электродвигатель шестеренчатого насоса, 16 - соединительная муфта на постоянных магнитах, 17 - датчик Холла, установленный вблизи муфты, 18 - электронный стабилизатор, содержащий преобразователь «частота-напряжение» и средство сравнения этого напряжения с регулируемым опорным напряжением, 19 - электронный ключ, 20 - балластное сопротивление, 21 - подающая магистраль.
Эта система циркуляции работает следующим образом.
В шестеренчатый насос 1 из емкости 2 по подающей магистрали 21 поступает раствор красителя. Через полностью открытый кран 3 раствор красителя прокачивается под давлением от шестеренчатого насоса 1 и поступает последовательно в демпфер 4, фильтр грубой очистки раствора красителя 5, теплообменник 6, демпфер 7, фильтр тонкой очистки раствора красителя 8 и далее - в формирователь струи раствора красителя 9, установленный в лазере на красителе 10. Из формирователя струи раствора красителя 9 раствор красителя в виде струи попадает в приемник струй раствора красителя 11 и стекает по сливной трубке 12 в емкость 2. Манометр 13 измеряет давление раствора красителя перед фильтром грубой очистки 5, а манометр 14 - перед формирователем струи раствора красителя 9. Шестеренчатый насос 1 приводится в движение электродвигателем 15 через соединительную муфту на постоянных магнитах 16. Датчик Холла 17, установленный вблизи соединительной муфты 16, преобразует импульсы вращающегося магнитного поля магнитных полюсов муфты 16 в электрические сигналы той же частоты и передает эти сигналы электронному стабилизатору 18, где частота электрического сигнала преобразуется в постоянное напряжение, величина которого пропорциональна частоте сигнала датчика Холла 17. Если это напряжение больше опорного, электронный стабилизатор 18 подает управляющий сигнал на электронный ключ 19, в результате чего подключает балластное сопротивление 20 последовательно с электродвигателем 15. При этом сила тока, проходящего через обмотки электродвигателя 15, уменьшается, и, следовательно, уменьшается частота вращения электродвигателя 15. Если напряжение меньше опорного, электронный стабилизатор 18 подает сигнал на замыкание контактов электронного ключа 19, в результате чего сила тока через обмотки электродвигателя 15 увеличивается, и увеличивается частота вращения электродвигателя 15. В результате частота вращения электродвигателя 15 колеблется в небольших пределах возле среднего значения. Возникающие при этом колебания выходного давления шестеренчатого насоса 1 подавляются демпфером 4. Следует отметить, что кран 3 не участвует в регулировании скорости истечения струи раствора красителя, а необходим только для предотвращения вытекания раствора красителя при выключенном шестеренчатом насосе 1. Таким образом, регулирование скорости истечения струи раствора красителя достигается изменением средней частоты вращения электродвигателя за счет регулировки опорного напряжения в электронном стабилизаторе.
Преимуществом предлагаемой системы циркуляции раствора красителя по сравнению с прототипом является то, что из схемы исключен обводной канал, функцией которого в прототипе является регулировка скорости истечения струи раствора красителя. Таким образом, в емкость с раствором красителя возвращается только основной поток, прошедший фильтры очистки, и нет необходимости в дополнительном фильтре для обводного потока. Шестеренчатый насос, по сравнению с прототипом, работает на более низких оборотах, что уменьшает кавитационное загрязнение раствора красителя пузырьками воздуха и микрочастицами материала шестерен насоса. В результате облегчается финишная тонкая фильтрация раствора красителя, поступающего в формирователь струи. Сам раствор красителя становится более оптически однородным, что повышает качество работы лазера. Дополнительно увеличивается срок службы насоса и экономится электроэнергия, уменьшается шум и вибрации насоса.
Были проведены испытания описанной системы циркуляции, при тех же типичных условиях, в которых ранее эксплуатировалась система циркуляции, аналогичная прототипу: давление по манометру 2 равно 3 ат, температура раствора красителя Родамин 6G в этиленгликоле 18°С. При этом средняя частота вращения двигателя составила 16 Гц, а амплитуда отклонений от среднего значения не превышала 1 Гц. Величина колебаний давления по манометру 2 составляла около 0.01 ат. Колебания выходной мощности лазера на красителе составили 0.3%, уровень флуктуации мощности, связанный с остаточными газовыми и механическими включениями в растворе красителя, был два раза меньше, чем в ранее эксплуатируемой системе, аналогичной прототипу. Таким образом, при исключении обводного канала из схемы циркуляции раствора красителя частота вращения шестеренчатого насоса была снижена в три раза, с 50 Гц до 16 Гц. Это позволило получить узкий частотный спектр и высокую мощность излучения струйного лазера на красителе.