Приборы и техника эксперимента, 2020, № 3, стр. 158-159

Описана установка, позволяющая изучать лазерно-индуцированные процессы в воде и водных растворах вблизи торца лазерного волокна. Это необходимо, например, для оптимизации лазерного воздействия в ряде медицинских технологий и для изучения термокавитации [1].

Принципиальная схема и общий вид установки представлены на рис. 1. Основным элементом системы является прозрачная кювета из поликарбоната 1. В боковой стенке кюветы размещен ввод 2 для оптического волокна, выполненный из капиллярной трубки из нержавеющей стали, внутри которого установлено резиновое уплотнение. В  объем кюветы с водными растворами могут заводиться стандартные оптические волокна диаметром до 1 мм. В качестве источника излучения 3 используется набор волоконных лазеров умеренной мощности с длинами волн 0.97, 1.56 и 1.94 мкм, которые широко применяются в современных медицинских технологиях. При необходимости лазерное изучение заводится в кювету через оптический разветвитель 4, что позволяет получить дополнительный измерительный оптический канал 5. С его помощью регистрируется отраженный от рабочего торца оптического волокна сигнал. Амплитуда этого сигнала связана с показателем преломления среды на границе торца волокна, что позволяет контролировать плотность среды.

Рис. 1.

Принципиальная схема и внешний вид части установки. 1 – прозрачная кювета с водой; 2 – ввод для оптического волокна; 3 – волоконный лазер; 4 – оптический разветвитель; 5 – измерительный оптический канал; 6 – гелий-неоновый лазер; 7 – скоростной фотодиод; 8 – линзы; 9 – цифровая камера; 10 – широкополосный гидрофон; 11 – игольчатый гидрофон с предусилителем; 12 – осциллограф; 13 – компьютер. Стрелкой показана область вблизи торца лазерного волокна.

Регистрация быстропротекающих процессов вблизи торца лазерного волокна с разрешением в несколько наносекунд осуществляется с помощью одномодового гелий-неонового лазера 6, скоростного фотоприемника (7) OD-08AF/С (Авеста, РФ) и двух линз 8. Для оптической регистрации лазерно-индуцированных процессов, развивающихся вблизи торца волокна, используется камера (9) XCAM 1080 PHD (“ToupTek”, Китай) с микроскопическим объективом. Наличие камеры, помимо съемки гидродинамических процессов, позволяет обеспечить точную юстировку положения перетяжки луча гелий-неонового лазера вблизи торца лазерного волокна.

Для дополнительного контроля динамических процессов в жидкости используется оптоакустический метод [2, 3]. В свободном объеме кюветы с рабочей жидкостью размещается широкополосный гидрофон 8103 (B&K, Denmark) (10) с полосой 0.1 Гц–500 кГц, кроме того, под необходимым углом к торцу волокна устанавливается игольчатый гидрофон (Precision Acoustics, UK) (11) диаметром 1 мм с предусилителем с шириной полосы 10 кГц–50 МГц. Регистрация полученных акустических данных и сигнала с фотоприемника 7 осуществляется с помощью цифрового четырехканального осциллографа GOS 72304 (12) с полосой дискретизации 300 МГц. Вся конструкция собрана на раме из конструкционного алюминиевого профиля. Отдельные элементы, такие как кювета, скоростная камера и осветители, размещаются на подвижках с микрометрическими винтами.

В отличие от системы для изучения лазерно-индуцированных гидродинамических процессов [4], предложенная установка для регистрации высокоскоростных процессов использует не скоростную камеру, а оптический блок на основе гелий-неонового лазера 6 и фотоприемника 7. В результате разрешение по времени удалось улучшить с 10 мкс до 3 нс.