Введение к работе
іктуальпость темы
К настоящему времени лазеры с использованием в качестве ктивной среды твердого тела получили широкое применение во ногих жизненно важных областях. Среди различных способов хлаждения элементов таких лазеров наиболее эффективными вляются: жпдкостпое, контактное и охлаждение потоком ізоовразного хладагента. При охлаждении элементов лазера эздушным потоком использовались различные режимы: от лественпого [1,2] до высокоинтенсивного (с коэффициентом гплооБмена сс<500 Вт/м2град), что ограничивало среднюю мощность акачки величиной порядка 600 Вт и определяло преимущественно астотно-импульсный режим равоты лазера. Большое число равот освящено исследованиям по интенсификации теплоовмена [3-6], апример, с помощью теплопроводящих пластин, падетых на шпзный элемент, по использованию промежуточного їплоноейтеля, находящегося в тепловом контакте с активным іементом; по увеличению его боковой поверхности за счет шесепия продольных канавок и т. д. Однако, эти способы не злучили широкого распространения в силу уменьшения рфективности оптической накачки из за частичной экранировки ставного элемента, а в целом и неоправданного усложнения энструкции лазера. В ряде равот требования на эффективность слаждения элементов лазера снижена в связи с применением їветптеля и оболочки лампы накачки лазера из лейкосапфира. В пак лазерах возможно использование естественного режима слаждения лампы накачки и осветителя, однако, провлема слаждения активного элемента остается нерешенной, их іергетические характеристики невысоки, а мощность накачки не >евышает 800 Вт. Наиволее близким к исследованному и ізравотанному нами лазеру по технической сущности является ізер, равотающий по методу создания зоны пошгженной мпературы в результате интенсивной закрутки газоовразного іадагепта вокруг активного элемента [7]. При использовании такого лода охлаждения максимальный коэффициент теплоовмена, >торый был реализован в канале охлаждения, равнялся 580
Вт/м2град, что недостаточно для равоты твердотельного лазера в непрерывном режиме.
Эффективность газоовразного охлаждения ниже эффективности широко распространенного жидкостного. Однако, лазеры с воздушным охлаждением овладают лучшими весо-гаваритньши характеристиками, в них отсутствует неовходимость тщательной герметизации каналов охлаждения и имеют возможность работы при отрицательных температурах, что существенно расширяет область их применения. Кроме того, газообразные хладагенты волее прозрачны, чем жидкости, для полос поглощения активного элемента из алюмоиттриевого граната. В связи с этим, представляет большой практический интерес определение условий равоты лазеров с воздушным охлаждением, по своим выходным характеристикам близким к лазерам с жидкостным охлаждением. Поскольку среди твердотельных лазеров широкое распространение получил лазер на алюмоиттриевом гранате, достоинствами которого являются его сравнительно высокий КПД, Большая выходная мощность в непрерывном режиме равоты, высокая механическая и лучевая прочность и широкая овласть применения, вопросы создания лазеров на алюмоиттриевом гранате с воздушным охлаждением являются весьма актуальными и имеют важное как научное, так и прикладное значение.
Целью диссертационной работы является:
исследование, разравотка и создание непрерывных твердотельных лазеров на алюмоиттриевом гранате с везжидкостным охлаждением с мощностью накачки до нескольких киловатт;
определение условий достижения максимальных коэффициентов теплообмена в каналах охлаждения элементов квантрона лазера;
исследование выходных характеристик лазеров и оптимизация режимов их равоты.
На учная новизна.
1. Впервые исследован тепловой режим равоты активного элемента при гибридном его охлаждении с помощью металлического радиатора и воздуха в лазере непрерывного действия, охлаждаемом воздушным потоком. Рассчитаны и изготовлены оптимальные
конструкции радиаторов, овеспеспечивающие паилучшее охлаждение
1КТИВНОГО элемента при ламшіарном и турБулентном течениях
шадагента в каналах.
Исследованы распределение плотности мощности накачки и
гермооптическне искажешія в активном элементе такого лазера и
юказана необходимость использования специальных резонаторов для
осуществления устойчивой генерации в лазерах непрерывного
действия.
>. Впервые исследован тепловой режим равоты непрерывного
пвердотельного лазера с воздушным охлаждением. Рассчитаны
оптимальные размеры каналов охлаждения такого лазера и величины
)еализуемых в них коэффициентов теплоовмена. Исследована
іависимость величины выходной мощности лазера с воздушным
охлаждением от величины диаметра активного элемента.
І. Впервые созданы непрерывные лазеры на алюмоитгриевом
ранате с гиврпдным и полностью воздушным охлаждениями их
шементов. Исследованы их энергетические, пространственные,
іременяьіе характеристики и проведена оптимизация режимов их
>авоты.
Чракгпческая ценность результатов.
Результаты проведенных в диссертационной равоте исследований ущественно расширяют область применения твердотельных іазеров и, в частности, могут выть использованы при разработках азеров с воздушным охлаждением при мощностях накачек до ескольких киловатт. Такие лазеры представляют практический нтерес при использовании их в науке, медицине, технологии и, собенно, в летательной технике.
{ручные положения, выносимые па защиту.
. Активный элемент непрерывного лазера на кристалле AHT:Nd + ожет эффективно охлаждаться с помощью металлического гшюобменника-радиатора, имеющего тепловой контакт с одной из оковых граней активного элемента (или частью его боковой оверхности). При использовании в качестве хладагента воздушного отока с расходом 0,011-0,016 м3/сек величина теплосъема с ктявного элемента может достигать порядка 4% от мощности
электрической накачки. При этом среднее значение температуры в активном элементе с поперечными размерами в несколько миллиметров составляет величину порядка 60-70 С при накачке 2,5 кВт.
2. При использовании потока газообразного хладагента для
охлаждения элементов лазера оптимальный режим охлаждения
достигается в случаях:
-вывора размеров каналов охлаждения таким образом, чтобы возникающий при прохождении хладагента через каналы перепад давления совпадал бы с максимальным давлением в пневмосети, а расход хладагента был бы наибольшим для указанного давления; -последовательного соединения между собой каналов охлаждений активного элемента и лампы накачки;
-использования активного элемента оптимальных размеров, зависящих от величины реализуемого в канале охлаждения коэффициента теплоовмена, величины эффективности накачки, диаметра лампы-источника оптической накачки.
-
Использование потока газообразного хладагента позволяет отводить от активного элемента тепловые мощности порядка 150 Вт, овеспечивать эффективное охлаждение лампы накачки при подаваемой на нее мощности более трех киловатт и реализовывать в каналах охлаждения длиной порядка 0,1 м среднее значение коэффициента теплоовмена до 1400 Вт/м2град.
-
При охлаждении потоком газообразного хладагента твердотельного непрерывного лазера на алюмоитгриевом гранате при расходе воздуха до 0,021м3/сек. и использовании лампы типа ДНП-6/75-1А возможно получение выходной мощности порядка 25 Вт на длине волны Я=1,06 мкм при мощности накачки до 3,5 кВт.
А ттровация равоты.
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: заседании Всесоюзной секции по кристаллам, Ульяновск, 1978г.; Республиканском совещании по кристаллам для квантовой электроники, Аштарак, 1979г. и 1980г.; Второй Всесоюзной научно-технической конференции "Применение лазеров в прИБОростроении и медицинской технике", Москва, 1979г.; Второй Всесоюзной конференции "Оптика лазеров", Ленинград, 1980г.;
Всесоюзном семинаре секции квантовой радиооптики ЦМНТО РЭС им. Попова "Методы математического моделирования и машинного проектирования лазеров", Севастополь, 1981г.; Всесоюзной научно-технической конференции "Твердотельные лазеры и системы накачки", Москва, 1983г.; Всесоюзной научно-технической конференции "Твердотельные лазеры и системы накачки. Состояние разравоток и перспектива их применения", Москва, 1984г.; РеспуБлпканской конференции "Лазерная Фнзика-96", Аштарак, 1996г., Международной конференции CLEO/Europe-EQEC'96, ФРГ, 1996г.; Реснувликанской конференции "Лазерная Физика-98", Аштарак, Армения, 1998г.
ПуБлжации.
По теме диссертационной равоты опувлшеовано 10 научных равот.
Лттый вклад.
Расчет и исследование тепловых режимов, находящихся в тепловом контакте активного элемента прямоугольного сечения и радиатора, охлаждаемых воздушным потоком; конструирование лазера с кондуктивным охлаждением его активного элемента и воздушным охлаждением источшжа оптической накачки и осветителя квашрона; исследование режимов равоты лампы накачки с кондуктивным охлаждением активного элемента с неустойчивым резонатором; конструирование лазера с воздушным охлаждением; исследование энергетических, пространственных и временных характеристик разравотанных лазеров, огггимнзация параметров двух типов лазеров.
Расчет энергетических параметров лазера с воздупшым охлаждением от температуры активного элемента, расчет оптимального канала охлаждения и коэффициента теплоовмепа в нем проводились совместно с к.ф.-м.н. Кошеверским Е.В. Обсуждения и интерпретации полученных результатов проводились совместно с д-э.т.н. Турковым Ю.Г. и д-р.ф.-м.н. Костаняпом Р.Б.
Структура и овъемраБоты.
Диссертационная равота состоит из введения, литературного овзора, трех глав, заключения, приложения и списка цитированной литературы. Содержание диссертации изложено на 112 страницах печатного текста, включая 37 рисунков и 102 библиографических ссылок..
