Láser de colorante en contínuo

Inicio proyecto 08-09-2010

Introducción:

A raíz de este hilo se va a tratar de replicar parte de la patente (ver bibliografía) usando los actuales láser de diodo de 1 watio a 445nm que se pueden adquirir por buenos precios para cualquier aficionado.

Este proyecto se va a realizar utilizando materiales de fácil acceso, y utilizando técnicas de deposición al vacío para fabricar los espejos necesarios. (no se van a usar espejos dieléctricos, por falta de recursos para poderlos fabricarlos)

Desarrollo:

Cabezal o medio resonante para el colorante:
Se ha pensado en el paso del liquido a alta velocidad por una cavidad resonante para hacer que el tiempo que el láser excita el colorante no sea superior a 300ns que es un tiempo máximo según la patente, pero depende mucho de cada colorante.

El cabezal se ha fabricado usando cristales porta-objetos de microscopio, intercalando un separador de plástico entre dos cristales, dando un grosor determinado y dando forma estrecha por donde se va a iluminar con el láser.

De laser semiconductor

Para las uniones entre todas las piezas, se ha usado epoxy dos componentes, uno metálico y otro transparentes. Los dos soportan disolventes orgánicos, tanto agua como alcohol.

La bomba de recirculación de colorante: Se ha empleado una simple bomba con deposito de un limpia-parabrisas de un coche cualquiera, buscando un modelo que fuera pequeño así la cantidad de colorante sería mínima, dentro de las limitaciones del deposito.

De laser semiconductor

Acto seguido se hace la prueba para saber el caudal que circula por el circuito, sabiendo que la bomba llega a dar 2,8 bares a una tensión de 12 voltios.

Para el cabezal con el separador de color verde:
Sección del paso estrecho: 3,8x0,39mm --> 1,482*10^-6 m^2
Tomamos la medida del caudal , 30mL en 2,52 segundos.
Haciendo una simple regla de tres buscamos las unidades en Litros/Segundo: (30mL/2,52s) * (1L/1000mL) * (1m^3 / 1000L= 1,19*10^-5 m^3/s

Ahora tomamos la equación de continuidad en fluidos ideales: Caudal entrada = Caudal de salida == Area 1 * velocidad 1 = Area 2 * velocidad 2
Elejimos los valores que nos interesa para saber la velocidad en el paso estrecho:
Q1=A2*v2 --> v2=Q1/A2 --> v2=1,19*10^-5 m^3/s / 1,482E-6 m^2 = 8,03m/s

Ahora el cabezal con separador de color blanco y epoxy metálico:
Sección del paso estrecho: 2,9*0,67mm --> 1,943*10^-6 m^2
Tomamos la medida del caudal y arreglando obtenemos un caudal de 1,61*10^-5 m^3/s

Según equaciones de continuidad en fluidos ideales:
v2'=1,61*10^-5 m^3/s / 1,943*10^-6 m^2 = 8,30 m/s

Parece que la velocidad no va a ser suficiente para conseguir los 300ns en el punto del láser.

Calcularemos el tiempo que estará el liquido iluminado por el láser, si tomamos el láser focalizado con un diámetro de 0,1mm:

Según la fórmula básica sobre el Movimiento Rectilineo Uniforme, sabemos que v=distancia/tiempo , despejamos el tiempo --> t=d/v
y calculamos para el caso de 8,03m/s:
t=1*10^-4/8,03 = 1,25*10^-5 == 12,5us un tiempo muy por encima de los 300ns, habrá que mejorarlo estrangulando el paso o reduciendo el punto enfocado del láser.

Para el caso 2 con una velocidad de 8,30 m/s:
t=1*10^-4/8,30 = 1,205*10^-5 == 12,0 us Igualmente un tiempo insuficiente.

Notas sobre la velocidad de paso del colorante:

No he encontrado documento ni tablas que digan el tiempo máximo que puede estar excitandose el colorante para que no aparezca el fenomeno de "triplete" para diferentes tipos.

Usando colorante liquido, la velocidad de circulación en la cubeta mostrada en las imagenes anteriores, difícilmente pasará de 10m/s, ya que las pérdidas en el circuito de liquido, y la presión necesaria hará inviable para este tipo de cubeta con tanta superficie.

 

19-02-2011 Resumen de progreso de los últimos meses:

El colorante juega un papel importante para absorver todo el láser y conseguir así una potencia que supere el umbral de pérdidas, por consiguiente una parte importante es escoger el correcto.

Se puede ver en este enlace diferentes colorantes fluorescentes con sus espectros de absorción y emisión, muy útil; http://omlc.ogi.edu/spectra/PhotochemCAD/html/index.html

Decidí hacer las pruebas con Rhodamina 6G , aun sabiendo que no era el mejor para absorver los 445nm del láser azul, , y también busqué otro colorante más adecuado que fue el "Coumarin 6" , encontré un distribuidor pero los precios fueron desorbitados, para 100mg (0,1 gramos) tuvo un coste de casi 100 euros, por lo que no iba a ser desperdiciado en pruebas sin estar del todo seguro.

Buscando cavidad resonante:

Para tener una cavidad de máxima ganancia para una zona muy pequeña , pues busqué unos espejos concavos, pero debido a la dificultad de encontrarlos pues los hice a medida usando lentes divergentes de una distancia focal de 10 cm (aprox) y usé Sputtering de Oro para recubrirlos.
Usé oro por problemas técnicos con el aluminio, todavía no tengo el sistema afinado y el oro es más fácil de depositar, además es lo que mejor transmite a partir del amarillo hasta el IR lejano

esquema laser CD

Usando el mismo esquema que en el documento , el montaje quedó como se muestra:

montaje 1

montaje 1

montaje 1

El colorante era Rodamina B , pero no absorvía bien el azul,, apenas un 20 o 30 %.

No hubo emisión láser de ninguna forma, ajustando bien espejos y dando el máximo de 1W en azul.

Cambiando el colorante, Coumarin 6:

Como este colorante es tan caro, decidí hacer como en el documento del principio donde pintan CDs con un barniz con el colorante disuelto.
Usé barniz para pintar coches, barniz con base disolvente y secante, la mezcla del colorante en el barniz no producía fluorescencia hasta que no se disolvía una parte de metanol, sobre el 5% de la mezcla final.

montaje 1

montaje 1

montaje 1

montaje 1

Este colorante absorve un 90% o más del láser azul, por lo que debería ser más fácil obtener emisión láser.
Ajustando espejos y probando hasta 1 watio enfocando en un punto más pequeño que se podía con un juego de dos lentes, no conseguí emisión láser del colorante.

montaje 1 Foto de arriba con un filtro amarillo.

montaje 1

Se puede apreciar que con 5 minutos en continuo se deteriora el colorante hasta dejarlo casi sin fluorescencia.

montaje 1

Y el resultado final, 15 o 20 minutos probando diferentes configuraciones y ajustes, dejaron el colorante estropeado por las lineas donde recibieron el láser.

Conclusiones:

- En el documento hablan de que además de hacer girar el disco, hacían mover en sentido perpendicular al eje de rotación. Como se aprecia en las fotos esto lo han hecho para que el colorante les dure más y así puedan hacer los experimentos.

- El resultado final ha sido un fracaso,, no he obtenido emisión láser tanto por falta de mejores espejos como de mayor potencia del láser. En el documento hablan de espejos dieléctricos y sospecho que con el oro no llego a reflejar bien el verde-amarillo que producía el colorante.

- Otro posible problema es la limitación a 1 Watio,, actualmente ya conseguí otro láser , por lo que haré alguna prueba con los 2 watios enfocados en un solo punto y ver si por unos momentos se puede obtener emisión láser.

- Como viabilidad o uso práctico, viendo el rápido deterioro del colorante, es un impedimento para el uso prolongado, pero no para apicaciones concretas donde la duración se podría compensar con la substitución del CD impreso, por lo que en un futuro no se puede descartar nada.

Bibliografía:

Patente sobre láser de baja potencia para excitar colorantes: http://www.google.es/patents?hl=es&lr=&vid=USPAT5530711&id=lqofAAAAEBAJ&oi=fnd&dq=diode+pumped+dye+lasers&printsec=abstract#v=onepage&q=diode%20pumped%20dye%20lasers&f=false

http://www.photonicsolutions.co.uk/dyes/dyeinfo.htm enlace a espectros de emisión-absorción de diversos colorantes.

http://www.photonics.com/Content/ReadArticle.aspx?ArticleID=26077 Artículo sobre colorantes en estado sólido emitiendo en continuo.

Enlace al álbum de fotos https://picasaweb.google.com/alfonatr0/LaserSemiconductor?feat=directlink

 

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