Байбородин Ю.В. Основы лазерной техники (1988) (1151949), страница 31
Текст из файла (страница 31)
Лазерный излучатель с вихревым ноздухохолодильииком: 1 — днффузор; 2 — патруоок нагретого потока воздуха; 3 — флзнец; 4 — электрод лампы накачкн; 3 — лампа; б — кристалл! 7 — радиатор; 3 — отражатель; у — наолятор.' 10 держатель лампы; 11 цангэ кристалла; !2 — сопле-улитка; И вЂ” штупер; 14 — корпус Вихревой воздухохолодильник. Это устройство позволяет создать систему охлаждения с минимальными массой и размерами. Прн 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) 17). 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 наорав* ленин 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 н температуры. Наличие диффузора способствует снижению температуры в этой зоне до — 100 'С.
Высокая турбулентность вихря обеспечивает большие значения коэффициента теплообмена: 200...550 Втйм' . 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 теплофнзических 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 прн давлении 9,81 !О' 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...0,07Р„ где Р, — диаметр вихревой трубки. Значения коэффициента тепло- обмена а и температуры охлаждения А7' зависят от давления р и отно- 8 !4! 129 Рис. 7.!О. Полупроводниковая система термостабилизаиии активной среды: 1 — ампуяьсная лампа наначкне 9 — кристаЛл; 8 — ссветнтсаь; 4 — медная шапа; 8 — ннднсвая подяемка; 4 — паастнны коясдаых спаса; 1 — термоэлсмент; 8 — пяастнны горячих спаса; 9 — радааюр; 1Π— ксрамнчсскне пластины; 11 — тсрмнстср; Ы вЂ” «ришка щения 4(//7, = 0,25...0,8 и составляют 360...525 Вт/(мз . К).
Системы термостабиг лизации, в которых используется вихревой эффект, надежны и конструктивно просты. Полупроводниковые системы термостабилизацич. В этих системах, работающих на эффекте Пельтье, совмещены в едином блоке осветитель излучателя лазера с термоэлектрическим холодильником (рис. 7.!0). Применение таких систем оправдано прн - У 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 более эти 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 оказываетнесимметричиая 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 4/, = !О...!5 Вт/см'. Коэффициент тепло- обмена 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 рпепла (вещество с низкой температурой плавления, хорошей теплопроводностью и большой скрытой теплотой плавления).
В этом случае используют галлий или его эвтсктические 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 ЛТ принимается разность между температурой кристаллизации сплава Ткр и минимальной температурой Т 1п, при которой сплав еще остается жидким (ЛТ =- = Ткр — Т 1,). При большой скорости отбора тепла максимальное аереохлажденне галлия, зависящее от температуры предварительного перегрева и от присутствия продуктов окисления, может достигнуть 45'С. Даже при малой скорости отбора тепла /1Т = 12...!5'С Сплавы эвтектического состава кристаллизуютпя обычно при меньшем пе. реохлаждении (ЛТ = 10 'С) 16!. У.У. Графоанапитический метод расчета конструктивных параметров твердотепьиого павара импупьсиого действия Инженеру-конструктору иногда необходимо быптро 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. Номограылеои 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 постараем. ся применять для определения различного рода характеристик и в дальнейшем. На рис.
7.!1 изображена номограмма конструктивных параметров (площади сечения 8 = пс(а/4, диаметра с( = 2 )1 5Ъ и длины кристалла ! = )//3), определяемых по кривым номограммы й, = йя (Е,„„й, та, т,) и коэффициенту отражения выходного зеркала гя = гя (б, й„ и„, т,) и шкалам Е„„„/8. 6 (р), г,. Номограмма построена для всех дсм йгм Еж~ У а /92 си 9,94 Г Я8У а 491 Рис. 7.11.
Номограмма для расчета конструктивных параметров твердотельного лазера импульсного действия (масштаб шкал 3, о, й гв — произвольный) 131 возможных вариантов типовых, выпускаемых промышленностью, кристаллов к 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 Х длина разрядного промежутка лампы) 5Х40 н 5Х36, ЗОХ130 см соответственно. Номограмма определяет зависимость плотности лазерного излучения Е„„я/Е и длительности импульса ти вынужденного излучения от длительности импульса вспышки т, н коэффициента нагрузки й, = Е,(Е, „лампы накачки. Коэффициент нагрузки для типовых трубчатых импульсных ламп отображен двумя значениями (0,3; 0,5). При заданных коэффициенте нагрузки лампы й„длительности импульса ти и энергии излучения лазера Е,„„двигаясь влево по номограмме, можно определить плотность выходной энергии излучения Е„„„(Б и далее размеры кристалла )у = = Я, Е = кг(з/4.
Теперь, зная длину 1, двигаясь вправо, получим коэффициент отражения выходного зеркала г, по значению эффектив( ( ного коэффициента усиления 6 (р) = — 1п — (коэффициент отраже- 2! г,г, ния первого, «глухого» зеркала принимается равным единице, т, е. г, = 1). Шкала коэффициента отражения может быть рассчитана по формуле г, = е-"о'"). Для иллюстрации построим номограмму и используем ее для выбора необходимого объема кристалла активной среды. Пусть необходимо получить на выходе лазера энергию 1О Дж при длительности импульса 0,8 мс и лампе накачки, работающей с коэффициентом нагрузки 0,4.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
