Байбородин Ю.В. Основы лазерной техники (1988) (1151949), страница 30
Текст из файла (страница 30)
Вследствие этого в кристалле от вспышки к вспышке происходит накапливание внутренних напряжений и деформаций, вызванных накачкой. Поэтому вопрос выбора оптимальной частоты следования импульсов играет немаловажную роль при проектировании лазеров. В качестве примера расчета на рис. 7.5 представлено температурное поле для ((/2-ес(,„/2 (е(, с(,„— соответственно текущее и максимальное значения диаметра кристалла рубина). П риведенные зависимости получены при типовых параметрах кристалла рубина и охлаждающей среды: 1 = 8 см; с( „= 0,8 см; Е„= = 400 Дж; коэффициенттемпературопроводности а ж 1,4 1О ' м'/с; й = 45 Вт/(м К); а( 4 10' Вт/(м' К); Т, = 300 К в зависимости от дискретного времени.
По приведенной методике до значения допустимой температуры нагрева построены графики (см. рис. 7.5). Допустимал температура нагрева — значение температуры охлаждаемого в определенных конструктивных и эксплуатационных условиях кристалла активной среды, имеющего наименьшее допустимое значение квантового выхода, равное т),„= 0,3, при котором наблюдается устойчивый срыв генерации !6!. 124 Кривые на рис, 7.5, соответствующие работе кристалла рубина при частотах 1, 10, 20, 50 Гц, построены для коэффициента теплопередачи а 4 104 Вт/(м' К).
Такой теплообмен создается при охлаждении рубина водой. В этих условиях за каждую вспышку лампы накачки температура поверхности активной среды увеличивается в среднем на 2...4 К, что согласуется с экспериментальными результатами 16!. С увеличением частоты накачки растет значение температуры установившегося теплового режима нагрева и при значении Т„,„= 70'С происходит устойчивый срыв генерации. В этом случае достигается мак« симальная частота следования импульсов излучения рубинового лазера, охлаждаемого водой: / „= 50 Гц (см.
рис. 7.4, б). При допустимой температуре нагрева Т„= 70 'С генерация импульсов с частотой /„=- !О Гц возможна при охлаждении рубина жидкостью, содержащей кремний и имеющей коэффициент теплообмена а 4 ° 10з Вт/(м' ° К) !6!. Анализируя температурное поле, можно установить, что температура в кристалле Т ((, т() зависит от тепловых характеристик следующим образом: Т ((, е() = Т, + ЛТ„+ сзТ, где Т, — температура теплоносителя (среды, окружающей кристалл); ЛТ„= д,((е/2 — скачок температуры на поверхности кристалла за счет нагрева импульсом накачки; ЛТ = д,/(с,Ь,) — скачок изменения температуры по сечению кристалла радиуса ((з/2; Ь, — коэффициент рассеяния мощности накачки, см — '; д/ — удельный тепловой поток, Дж см — ', с, — удельт ! ная теплоемкость кристалла, Дж кг- .
Скачок температуры на поверхности кристалла ЬТ„ зависит от коэффициента теплообмена, значение которого меняется в широких пределах при различных способах охлаждения, а также от тепловыде- 125 (27 ления (количества тепла в единице объема). Для п мальной эне гии изл ч а . ля получения максир ии излучения необходимо выбрать оптимальный кристалла. Из равенства АТи = г( /2 ый радиус „= б),,„/2 следует, что температура на ности при прочих равных условиях растет пропорционально радиусу кристалла. Однако на практике в кристалла р удается создать одинаковую плотность эне ов не а сталлах разных диамет- п иво и ст энергии накачки. Это у овин охлаждения, излучают меньшую эне сл р д т к тому, что кристаллы малого размера, , несмотря на л чшие У погло ни ую э ергию из-за недостаточного щения энергии накачки так как тепловы еле счет уменьшения сечения поглощения а пе ехо д ние в кристалле за с мощностью накачки. „ перехода нелинейно связано р, д аждого лазера можно найти оптимальный а- диус кристалла, который будет определять я, ат ны ться, с одной стороны, темпе- р урным скачком на поверхности кристалла, а с г " качеством фок си ов , а с другой стороны,— выполн ф усировки энергии накачки.
Последнее услови б овне о ычно яется, если диаметры кристалла и лампы на качки примерно рави разра отке лазера с большой частотой импульсов излуче- ния следует применять лампы типа ИСП-250, ИФГ1-800, ИФП-1200 с внутренним диаметром колбы 0,5...0,7 . О ы, ..., см. птимальный диамет к и- сталла при этом колеблется в пределах 0,6...0,8 ва системы те х, ..., см и зависит от качесттермостабилизации. Для тонких ламп нак бирать тонкие кристаллы, которые лег н качки нужно поко охлаждать даже п и малых нк д- скоростях потока охлаждающей жидк . О диаметром колбы рассчитаны на более н " эфф ости.
днако лампы с малым Р низкий коэффициент нагр зки, асчеты частоты генерации сложны; для пол ° у иых данных, считая п ; для получения ориентировочи х, считая процесс оптической накачки адиабатическим можно использовать приближенную фо м л 161. Ча т импульсов в этом случае рмулу . астота посылки 32 В(а (Н (2)н (4 — В!) (и (! — (/йа) (7.23) — для критерия Био, изменяющегося от где коэффициент 6 = 1,01...! 1 активи ованном н и Расчеты по формуле (7.23) показывают, что в геиерато е р еодимом, с водяным охлаждением при Т, = 300 К, и агоре на стекле, радиусестержня б(/2 = 3,25 10 и энерг и, энергии накачки Е,„ = 400 Дж, сб = 7,5 10' Вт/(м' ° К), а = 2,56 10 м'/с, 6 = 1,01 ч следования импульсов /„= 14 Г . Д ц.
Для повышения частоты следо- вания импульсов необхо им димо понижать температуру хладоагента. 7.6. Конструкции системы охлаждения и термостабилизации лазерных излучателей П и р конструировании систем охлаждения лазе ов и п действия с частотой генерации /„( 1 Г п р е и полупроводниковые системы термостабилизации. Для лазеров с частотой генерации импульсов / ) 1 Г ко костные системы охлаждения. ц рекомендуются жиде едыи Рациональная конструкция узлов креплени р лампы накачки, а также оптимальный в бо я стержня активной вы р зазоров и сечений '! 26 Рис. 7.6.
Регенеративаый микрохолодильнак комбиинрованиой системы охлаждения. ! — стеклянный сосуд Дьюара: 7 — кристалл активной среды; а — держатель «ристалла; б — регеиеративвый теплообменнни; б — корнуо микрохолоднльвика; б — электрический термометр; 7 — входной штудер каналов теплоотводов позволяют повысить эффективность теплообмена, уменьшить перепад температуры в кристалле, сократить расход хладоагента. Фотохимическая устойчивость, агрессивность и коррозирующее действие хладоагента иа материалы конструкции могут явиться причиной нарушения нормальной работы даже самой надежной системы охлаждения. Системы глубокого охлаждения.
Для спектроскопических исследований характеристик различных активных веществ лазеров, а'также с целью получения оптимальных режимов выходной энергии и частоты излучения применяют криостаты. Для быстрого охлаждения активной среды используется малогабаритная двухконтурная система с раздельным охлаждением (рис. 7.6). Излучатель этой системы представляет собой герметичный цилиндр эллиптического сечения с высокой степенью чистоты обработки внутренней поверхности. В одном из сопряженных фокусов цилиндра находится микрохолодильник с активной средой, а в другом — импульсная лампа накачки. Лампа охлаждается оптически прозрачной фторо- или кремнийсодержащей жидкостью, тепло от которой отбирается в специальном теплообменнике жидким азотом, выходящим из микрохолодильника.
Жидкостный контур охлаждения — замкнутого типа. Активная среда подвергается глубокому охлаждению в микрохолодильнике. Жидкий азот из сосуда вместимостью 0,015 м' под давлением 1 Па подается в теплообменннк. ,Чтобы избежать закипания на поверхности активного вещества, азот в теплообменнике переохлаждается и затем омывает кристалл. Весь комплекс системы охлаждения представляет собой стационарную установку, обеспечиваю!цую генерацию излучения лазера с частотой следования импульсов !0...100 Гц при изменении температуры окружающей среды на ~50 'С [6).
Замкнутые жидкостные системы охлаждения. Для лазеров, применяемых в малогабаритной аппаратуре, разработаны жидкостная система охлаждения (рис. 7.7) и жидкостная система термостабилизации с коаксиальной лампой накачки (рис. 7.8). Внутренний объем излучателя лазера разделен коронками на две полости. Импульсная лампа накачки и кристалл омываются охлаждающей жидкостью, заполняющей весь внутренний объем герметичного корпуса. Тепло от кристалла, импульсной лампы и часть тепла от осветителя отбираются хладоагентом, перекачиваемым насосом из одной полости в другую, а затем б за 7б 2! 20 Ю И !7 74 75 72 П Рис.
7.7. 71злучатель твердотельного лазера импульсного действия с водяным охлаждением: 1 — «орпуе; 2 — держатель; 3 — крясталл! 4 — импульсная лампа накачка; б — отРажатель; б — втулка; 7 внутренняя втулка для крепления кристалла; 8 — герметик; у — электро- двигатель; 1Π— призма полного внутреннего отражен н»; 1! — датчик; 12 — постоянный маг- нит; И вЂ” шзйсаг!4 реаяповая прокладка; !б, 17 — штуцера; !б — поролсновая втуана! 13 — насадка! 1У вЂ” шстнровочный винт; 20 — узел зеркал; 21 — сапфнровые пластины: И стопорив» гайка 7б 7б Рис. 7.8. Лазерный излучатель с коаксиальной импульсной лампой и жидкост- ной системой охлаждения: 1 — ярнэма полного внутреннегс отрвжеяня: 2 снльфон; 3 фланец; 4 — корпус; б штуцер; б — импульсная лампа; 7 кристалл; 8 — коронка; у резонансяый отражателш 10 шсткровочный винт передается наружному корпусу.
Другая часть тепла, выделяющегося в осветителе, передается кондуктивно благодаря плотной посадке на корпус. Для увеличения теплообмена в корпусесделаночетыревинтовых паза, увеличивающих турбулентность потока и поверхность теплообмена. Такое конструктивное решение дает возможность снизить массу и размеры, а отсутствие соединительных трубок и необходимой герметизации уплотнений обусловливает значительное повышение эксплуатационной надежности лазерного излучателя и получение устойчивой генерации с частотой 7„1 Гц. 128 Риш 7,9.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
