21 20 to 18

/4 13 12 II

Рис. 7.7. Излучатель твердотельного лазера импульсного действия с водяным охлаждением:

1 - корпус; 2 - держатель; 3 - кристалл; 4 - импульсная лампа накачки; 5 - отражатель; 6 - втулка; 7 -- внутренняя втулка для крепления кристалла; 8 - герметнк; 9 - электродвигатель; 10 - призма полного внутреннего отражения; - датчик; 12 - постоянный магнит; 13 - шайба; 14 - резиновая прокладка; 15, П - штуцера: 16 - поролоновая втулка! 18 - насадка;/» - юстнровочный винт; 2Й - узел зеркал: 2/ - сапфировые пластины; 22 -• стопорная гайка

Рис. 7,8. Лазерный излучатель с коаксиальной импульсной лампой и жидкостной системой охлаждения:

/ - призма полного внутреннего отражения; 2 - сильфон; 3 - фланец; 4 - корпус; 5 - штуцер; 6 - импульсная лампа; 7 - кристалл; 8 - коронка; 9 - резонансный отражатель: 10 - юстировочный винт

передается наружному корпусу. Другая часть тепла, выделяющегося в осветителе, передается кондуктивно благодаря плотной посадке на корпус. Для увеличения теплообмена в корпусе сделано четыре винтовых паза, увеличивающих турбулентность потока и поверхность теплообмена. Такое конструктивное рещение дает возможность снизить массу и размеры, а отсутствие соединительных трубок и необходимой герметизации уплотнений обусловливает значительное повыщение эксплуатационной надежности лазерного излучателя и получение устойчивой генерации с частотой ~ 1 Гц,

Рис, 7.9. Лазерный излучатель с вихревым воздухохолодильником; ; - диффузор; 2 - патрубок нагретого потока воздуха; 3 - фланец; 4 - электрод лампы накачки; 5 - лампа; 6 -- кристалл; 7 - радиатор: 8 -- отражатель; 9 - изолятор; 10 -• держатель лампы; - цанга кристалла; 12 - сопло-улитка; 13 - штуцер; 14 - корпус

Вихревой воздухохолодильник. Это устройство позволяет создать систему охлаждения с минимальными массой и размерами. При этом эффективность охлаждения по сравнению с обычными газовыми системами возрастает в несколько раз.

Принцип охлаждения активной среды в этой системе основан на образовании воздушного вихря, движ.щегося с тангенциальным ускорением в сопло-улитку, имеющее форму спирали Архимеда (рис. 7,9) [7], Кристалл закрепляют цангами на оси вихревой трубки, изготовленной из прозрачного кварца. В корпусе вихревой трубки устанавливают сопло-улитку. На противоположном конце трубки находится диффузор. Сжатый воздух из внешней сети поступает через подводящий патрубок в сопло. Образующийся там вихрь движется в осевом направлении вдоль трубки к диффузору. Интенсивная закрутка воздушного потока создает градиент статического давления и высокую турбулентность. Вследствие этого в центральной части вихревой трубки создается зона пониженных давления и температуры. Наличие диффузора способствует снижению температуры в этой зоне до -100 °С. Высокая турбулентность вихря обеспечивает большие значения коэффициента теплообмена: 200...550 Вт/(м • К), Ось вихревой трубки совмещена с кристаллом активной среды. Отработанный воздух из диффузора поступает внутрь осветителя, охлаждает лампу и выходит наружу.

Отсутствие тепловой изоляции вихревой трубки от корпуса излучателя не сказывается на теплофизических характеристиках системы охлаждения, так как низкотемпературная зона в центре вихря отделяется от стенок трубки периферийными слоями, имеющими температуру, близкую к окружающей. Эта же особенность исключает запотевание наружных стенок кварцевой трубки. Оптимальная площадь сечения сопла при давлении 9,81 10* Па составляет одну десятую площади сечения вихревой трубки, а оптимальное отношение длины трубки к диаметру равно 3...5. Для наилучшего охлаждения кристалла зазор между дисками диффузора следует выбрать равным 0,05.,,0,07Db, где Db - диаметр вихревой трубки. Значения коэффициента теплообмена а и температуры охлаждения АГ зависят от давления р иотно-

шения d/De = 0,25...0,8 и составляют 360...525 Вт/(м • К). Системы термостабилизации, в которых используется вихревой эффект, надежны и конструктивно просты.

Полупроводниковые системы термостабилизации. В этих системах, работающих на эффекте Пельтье, совмещены в едином блоке осветитель излучателя лазера с термоэлектрическим холодильником (рис. 7.10). Применение таких систем оправдано при холодопроизводительности термобатарей 30...40 Вт и температуре окружающей среды до -+-50 °С. К достоинствам полупроводниковых систем следует отнести небольшие массу и размеры, сравнительно малую потребляемую мощность, возможность быстрого перехода от режима охлаждения к режиму нагрева, возможность работы в широком диапазоне окружающих температур, давлений, вибраций и ускорений. Однако при холодопроизводительности 150... ...200 Вт и болееэти системы по размерам и энергетическим параметрам уступают жидкостным системам. Импульсная лампа и кристалл, закрепленные в осветителе, кондуктивно охлаждаются шиной, изготовленной из красной меди. Кристалл крепится к шине через мягкую подложку из чистого индия, допускающую пластические деформации.

Перепады температуры на поверхности кристалла от вспышек лампы могут достигать 20 °С. Наибольшее влияние на добротность резонатора при данной системе термостабилизации оказывает несимметричная термическая деформация кристалла, имеющая характер оптического клина. Полупроводниковая система термостабилизации создана для лазеров, работающих с частотой повторения не более одной вспышки за 2...5 с при д., = 10... 15 Вт/см Коэффициент теплообмена таких систем мал и составляет 50... 100 Вт/(м К).

Теплопроводящий корпус термобатареи и подложку кристалла иногда помещают в охлаждающую среду определенного объема, так называемый пассивный аккумулятор тепла (вещество с низкой температурой плавления, хорошей теплопроводностью и большой скрытой теплотой плавления). В этом случае используют галлий или его эвтектические сплавы [температура плавления Т ~ 29,8 °С; теплопроводность 35 Вт/(м • К)].

Одним из существенных недостатков галлия и его сплавов является способность легко переохлаждаться в жидком состоянии до довольно низких температур. За степень переохлаждения AT принимается разность между температурой кристаллизации сплава Гкр и минимальной температурой Tmin, при которой сплав еще остается жидким {AT = = Ткр - Tmin)- При большой скорости отбора тепла максимальное

Рис. 7.10. Полупроводниковая система термостабилизации активной среды:

/ - импульсная лампа накачки} 2 - кристалл; 3 - осветитель; 4 - медная шнна; 5 - индиевая подложка: 6 - пластнны колодных спаев; 7 - термоэлемент; 8 - пластины горячих спаев; 9 - радиатор; 10 - керамические пластнны: tl - тер-мистор; 12 - крышка

переохлаждение галлия, зависящее от температуры предварительного оерегрева и от присутствия продуктов окисления, может достигнуть 45 °С. Даже при малой скорости отбора тепла AT = 12... 15 °С Сплавы эвтектического состава кристаллизуются обычно при меньшем переохлаждении {AT = 10 °С) [6].

7.7. Графоаналитический метод расчета конструктивных параметров твердотепьного пазера «мпупьсного действия

Инженеру-конструктору иногда необходимо быстро получить конкретные значения тех или иных параметров лазера. Для предварительной •оценки различных типов лазеров желательно иметь наглядную методику расчета их конструктивных параметров и основных характеристик вынужденного излучения. Наиболее простым, удобным и быстрым методом определения набора конструктивных параметров в зависимости от условий технического задания является номография. Номограммой называется графическое изображение функциональной зависимости между несколькими переменными, позволяющими находить приближенные численные значения одной переменной по заданным значениям других. Погрешность при получении правильного ответа обычно составляет 2...5 %, что вполне достаточно для инженерных расчетов, определения взаимного влияния различных переменных, получения новых результатов в случае исследования экстремальных свойств процессов и анализа сложных формул и таблиц. Графическое изображение функциональных зависимостей, формул, систем уравнений постараемся применять для определения различного рода характеристик и в дальнейшем.

На рис. 7.11 изображена номограмма конструктивных параметров <площади сечения 5 = диаметра d = 2 и длины кристалла

I = V/S), определяемых по кривым номограммы k„ = {EaJS, Ти, Тд) И коэффициенту отражения выходного зеркала = (G, k„,

xj и шкалам Явых/З. G (v), /-j. Номограмма построена для всех

d,cM

Рис. 7.11. Номограмма для расчета конструктивных параметров твердотельного лазера импульсного действия (масштаб шкал S, d, I, - произвольный)

возможных вариантов типовых, выпускаемых промышленностью, кристаллов и импульсных ламп накачки, которые по стандартам имеют размеры: кристаллы рубина, гранаты и неодимовые стекла - диаметры от 0,3 до 2 см, длины от 3 до 25 см. У ламп типов ИСП и ИФП размеры светящейся части (диаметр колбы X длина разрядного промежутка лампы) 5X40 и 5x36, 30x130 см соответственно. Номограмма определяет зависимость плотности лазерного излучения EbJS и длительности импульса т„ вынужденного излучения от длительности импульса вспышки и коэффициента нагрузки k„ = EjEnm лампы накачки.

Коэффициент нагрузки для типовых трубчатых импульсных ламп отображен двумя значениями (0,3; 0,5). При заданных коэффициенте нагрузки лампы k, длительности импульса т„ и энергии излучения лазера £аых, двигаясь влево по номограмме, можно определить плотность выходной энергии излучения EaJS и далее размеры кристалла V == = SI, S = псР/А. Теперь, зная длину /, двигаясь вправо, получим коэффициент отражения выходного зеркала по значению эффективного коэффициента усиления G (v) = In - (коэффициент отраже-

ния первого, «глухого» зеркала принимается равным единице, т. е. г1 = 1). Шкала коэффициента отражения может быть рассчитана по формуле /"2 = е-2°>.

Для иллюстрации построим номограмму и используем ее для выбора необходимого объема кристалла активной среды. Пусть необходимо получить на выходе лазера энергию 10 Дж при длительности импульса 0,8 мс и лампе накачки, работающей с коэс)фициентом нагрузки 0,4. На рис. 7.11 указанным значениям соответствует плотность энергии излучения лазера 3 Дж/см и, следовательно, объем кристалла V = = 5/ = 3,33 см*. Зная нормированные размеры типовых кристаллов, выбираем нужное соотношение п(Р1/4 3,33 см*.

Если желательно увеличить срок службы лампы, то следует принять меньший коэффициент нагрузки. Например, при k„ = 0,3 можно получить на выходе плотность излучения 1,4 Дж/см* и соответственно объем требуемого кристалла около 7,2 см*. Используя другую кривую, определяющую связь между эффективным коэффициентом усиления на резонансной частоте Go и длительностью импульса излучения лазера t„, коэффициентом нагрузки и длительностью импульса лампы накачки тд, можно выбрать коэффициент отражения выходного зеркала Га, настроенного на оптимальное значение положительной обратной связи лазера (первым отражателем является призма внутреннего отражения с коэффициентом = 1). Например, для = 0,8 мс и fe = 0,4 эффективный коэффициент усиления Go = 0,025. Подставляя длину стержня активной среды в уравнение для эффективного коэффициента

усиления G (v) = Go + In получаем требуемый коэффициент

отражения выходного зеркала = 0,5.

При выборе лампы исходным параметром является площадь ее поверхности. Лампа накачки, устанавливаемая в осветитель лазера, должна иметь несколько большую поверхность, чем кристалл активной среды. Внутренний объем колбы импульсной лампы выбирается чуть

большим объема активной среды ndllJ4 5/. Если кристалл охлаждается водой, то необходимо использовать лампу, диаметр которой должен быть увеличен в 1,33 раза (показатель преломления воды 1,33).

7.8. Расчет энергетических характеристик

Эффективность и техническое совершенство энергетических систем, в частности квантовых приборов, принято оценивать значениями выходной энергии, мощности, к. п. д. и квантовой эффективности. Если твердотельные лазеры оценивать по к. п. д., не учитывая их уникальные физические свойства, то они покажутся малоэффективными системами (к. п. д. лучшего рубинового или неодимового лазера не превышает-1,5 %). Образно говоря, огромная река входной энергии оптической накачки превращается в хилый ручеек вынужденного излучения (рис. 7.12, а).

Для предварительной оценки энергетических характеристик проектируемых твердотельных лазеров можно использовать методику расчета мощности лазеров, работающих в режиме свободной генерации при температуре 300 К с усреднением значений мощности по отдельным пич-кам спектра излучения. Энергия импульса вынужденного излучения с длительностью импульса Ти для лазера, имеющего активную среду объемом V = SI, равна Явых = РыхУх.

Для оценки выходной энергии, излучаемой лазером, желательно, чтобы она была выражена через известные или измеряемые экспериментально параметры. Например, количество ионов хрома, перешедших на уровень Е с частотой перехода V32 при энергии оптической накачки Е и квантовой эффективности (квантовом выходе люминесценции) т)эф, равно [23]

Лз5з2» £„Tlзф/(/IVз2).

Число излученных фотонов в рабочем переходе при Л ~ 02 равно £иTlэф/(/IVз2) - Ло2, выходная энергия

Потери дразрядном, контуре и импульсной лампе

Потери на излучение Вне лож поглощения

Энергия накопителя

Энергия излучения

Энергия

дынумденного

излечений

Рис. 7.12. Потери входной энергии в лазере (а) и схема системы оптической накачки активной среды (б):

I - устройство питания; 2 - лампа; 3 - кристалл; 4 «. отражатель