RU2202847C2 - Импульсно-периодический лазер - Google Patents
Импульсно-периодический лазер Download PDFInfo
- Publication number
- RU2202847C2 RU2202847C2 RU2001104865A RU2001104865A RU2202847C2 RU 2202847 C2 RU2202847 C2 RU 2202847C2 RU 2001104865 A RU2001104865 A RU 2001104865A RU 2001104865 A RU2001104865 A RU 2001104865A RU 2202847 C2 RU2202847 C2 RU 2202847C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- active element
- heat
- active
- plate
- illuminator
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Изобретение относится к лазерной технике, а именно к импульсно-периодическим твердотельным лазерам. Импульсно-периодический лазер содержит осветитель, внутри которого расположены активный элемент и лампа накачки. Верхняя часть осветителя содержит лампу накачки, а нижняя часть осветителя содержит активный элемент, теплоотводящую пластину, прозрачную для излучения накачки, прижимную пластину. Активный элемент выполнен пластинчатым и упруго прижат нижней частью осветителя по всей длине к теплопроводящей пластине. Коэффициенты теплопроводности активного элемента λ и прозрачной пластины λ1, коэффициенты теплопередачи α1 верхней части активного элемента, α2 нижней части активного элемента, контактирующего с прижимной пластиной, связаны следующими соотношениями: λ1≥2λ, 0,5<α2/α1<1. Технический результат изобретения - повышение эффективности охлаждения лазера. 2 ил.
Description
Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано в импульсно-периодических твердотельных лазерах с кондуктивным охлаждением, работающих как в режиме кратковременных циклов излучения (десятки секунд), так и в продолжительном режиме (несколько минут) со стабильной энергией излучения, повышенным КПД и высокой направленностью излучения при средних (100-300 Вт) мощностях накачки.
Известен твердотельный лазер (см. патент RU 2102824 от 02.08.96), осветитель которого, состоящий из отражателя, лампы накачки и активного элемента, упруго прижат к основанию корпуса лазера.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, относится то, что данное устройство, слабо подверженное влиянию вибрации, механических и термических деформаций корпуса, критично к перегреву и термическим искажениям активного элемента, возникающим из-за значительного градиента температуры между ближней к лампе накачки и соответственно более нагретой частью и противоположной, менее нагретой при работе с повышенными мощностями накачки.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков и выбранным за прототип является твердотельный лазер (Балашов И.Ф. и др. "Охлаждение активного тела ОКГ с помощью металлического теплопроводника". Оптико-механическая промышленность, 4, 1968, с. 5), в котором активный элемент нижней частью посажен на теплоотвод посредством теплопроводной прослойки. В результате этого обеспечивается отвод тепла от активного элемента, что позволяет использовать более высокие мощности накачки.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, относится нескомпенсированный симметричный градиент температуры в плоскости, проходящей через оси лампы накачки и активного элемента, приводящий к возникновению цилиндрической тепловой линзы, что приводит к снижению выходных параметров излучения.
Сущность изобретения заключается в повышении КПД, мощности излучения и направленности излучения твердотельного лазера с безжидкостной системой охлаждения как в режиме кратковременных циклов излучения (десятки секунд), так и в продолжительном режиме (несколько минут) в широком диапазоне мощностей накачек (от 100 до 300 Вт).
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что верхняя часть осветителя содержит лампу накачки, а нижняя часть осветителя содержит активный элемент, теплоотводящую пластину, прозрачную для излучения накачки, прижимную пластину, при этом активный элемент выполнен пластинчатым и упруго прижат по всей длине нижней частью осветителя к теплопроводящей пластине, причем коэффициенты теплопроводности активного элемента λ и прозрачной пластины λ1, коэффициенты теплопередачи α1 верхней части активного элемента и α2 нижней части активного элемента, контактирующего с прижимной подвижной частью осветителя, связаны следующими соотношениями:
λ1≥2λ, 0,5<α2/α1<1.
На фиг.1 схематически изображен лазер, на фиг.2 представлены графики зависимости энергии генерации от времени работы для различных коэффициентов теплопередачи между прижимной частью осветителя и активным элементом.
λ1≥2λ, 0,5<α2/α1<1.
На фиг.1 схематически изображен лазер, на фиг.2 представлены графики зависимости энергии генерации от времени работы для различных коэффициентов теплопередачи между прижимной частью осветителя и активным элементом.
Кривая 1 - для коэффициента теплопередачи α2, удовлетворяющего условию 0,5<α2/α1<1;
Кривая 2 - для случая, когда α2/α1>>1 (коэффициент теплопередачи α1 от верхней части активного элемента, контактирующего с прозрачной пластиной, значительно меньше α2 коэффициента теплопередачи от нижней части активного элемента);
Кривая 3 - для случая, когда α2/α1<0,5 (прижимная пластина выполнена из молочного стекла).
Кривая 2 - для случая, когда α2/α1>>1 (коэффициент теплопередачи α1 от верхней части активного элемента, контактирующего с прозрачной пластиной, значительно меньше α2 коэффициента теплопередачи от нижней части активного элемента);
Кривая 3 - для случая, когда α2/α1<0,5 (прижимная пластина выполнена из молочного стекла).
Аргументы, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата, заключаются в следующем.
Активный элемент 1 пластинчатого типа наиболее нагретой стороной (фиг.1) упруго прижат к плоской прозрачной пластине 2 прижимной пластиной 3 с отражающим покрытием. Верхняя часть осветителя с лампой накачки 4 изолирована тонкими теплоизоляционными фторопластовыми прокладками 5 от нижней части осветителя, содержащей активный элемент 1, пластину 2 и прижимную пластину 3. Пружинный механизм 6 осуществляет упругий прижим активного элемента 1 к прозрачной теплоотводящей пластине 2, имеющей хороший тепловой контакт с массивным алюминиевым корпусом 7 осветителя.
Устройство работает следующим образом,
В процессе работы лампы накачки активный элемент нагревается симметрично за счет притока тепла от баллона лампы накачки и поглощения излучения накачки, так как из-за различий в коэффициентах теплопроводности уравниваются температуры ближней к лампе накачки части активного элемента и противоположной. Одновременно с нагревом за счет контактирования ближней к лампе накачки грани активного элемента с прозрачной теплопроводной пластиной и противоположной грани с прижимной пластиной с меньшим коэффициентом теплопередачи тепло симметрично удаляется по данному пути на алюминиевый корпус осветителя и его ребрами рассеивается в наружную среду.
В процессе работы лампы накачки активный элемент нагревается симметрично за счет притока тепла от баллона лампы накачки и поглощения излучения накачки, так как из-за различий в коэффициентах теплопроводности уравниваются температуры ближней к лампе накачки части активного элемента и противоположной. Одновременно с нагревом за счет контактирования ближней к лампе накачки грани активного элемента с прозрачной теплопроводной пластиной и противоположной грани с прижимной пластиной с меньшим коэффициентом теплопередачи тепло симметрично удаляется по данному пути на алюминиевый корпус осветителя и его ребрами рассеивается в наружную среду.
Постоянный упругий поджим активного элемента обеспечивает надежный теплоотвод как от верхней части активного элемента, так и нижней. Упругость прижима выбрана таким образом, чтобы для предельно допустимых мощностей накачек внутренние напряжения, возникшие в активном элементе, не вызвали его разрушения, а привели только к клиновой деформации активного элемента.
Так как верхняя часть активного элемента нагревается больше из-за близости к баллону лампы накачки по сравнению с противоположной, теплопроводность материала прозрачной пластины, с которой контактирует данная часть активного элемента, должна быть больше теплопроводности материала прижимной части и соответствовать соотношению λ1≥2λ. При этом коэффициент теплопередачи α1 от верхней части активного элемента, контактирующего с прозрачной пластиной, и коэффициент теплопередачи α2 от нижней части активного элемента, контактирующего с прижимной пластиной, должны соответствовать соотношению 0,5<α2/α1<1.
В противном случае, как показали экспериментальные исследования (см. фиг. 2, кривые 2, 3) в активном элементе из-за значительного градиента температуры возникают значительные термооптические искажения, что вызывает резкое падение энергии генерации, соответственно, и КПД устройства. При уравнении скорости отвода тепла от активного элемента (кривая 1, фиг.2) удалось минимизировать термооптические искажения в активном элементе и получить стабильную энергию излучения при минимальном (не более несколько секунд) переходном процессе.
В противном случае, как показали экспериментальные исследования (см. фиг. 2, кривые 2, 3) в активном элементе из-за значительного градиента температуры возникают значительные термооптические искажения, что вызывает резкое падение энергии генерации, соответственно, и КПД устройства. При уравнении скорости отвода тепла от активного элемента (кривая 1, фиг.2) удалось минимизировать термооптические искажения в активном элементе и получить стабильную энергию излучения при минимальном (не более несколько секунд) переходном процессе.
Сравнительные испытания лазеров, выполненных по прототипу и изобретению, показали, что при работе в циклическом режиме с частотой следования импульсов 20 Гц и энергией накачки 4-5 Дж лазер, выполненный по изобретению, по сравнению с прототипом, обеспечивал стабильную работу в течение 1-1,5 мин в плоскопараллельном резонаторе длиной 29 см, в то время как у прототипа для компенсации симметричной термооптической составляющей в активном элементе применялся устойчивый резонатор, что в конечном счете приводило к повышению расходимости излучения.
В конкретном варианте твердотельного лазера использовался активный элемент из КГВ: Nd3+ толщиной и шириной 3 мм, длиной 50 мм, коэффициентом теплопроводности λ= 2,8 Вт•м-1 град-1. Плоскость поляризации излучения активного элемента проходила через плоскость, содержащую активный элемент и лампу накачки типа ИНПЗ-35. В качестве прозрачного теплоотвода от ближней к лампе части активного элемента использовалась лейкосапфировая пластина толщиной 1 мм, шириной 10 мм и длиной 70 мм с коэффициентом теплопроводности λ= 35 Вт•м-1 град-1. В качестве теплоотвода для нижней части активного элемента использовалась алюминиевая пластина толщиной 5 мм, длиной 50 мм и высотой 15 мм. При использовании зеркального осветителя в виде отражающего покрытия на прижимной пластине использовалась посеребренная полоска, изолированная от прижимной пластины тонким (~0,1-0,2 мм) слоем герметика ВГО-1 для выполнения соотношения 0,5<α2/α1<1. Для осветителя с диффузно-отражающим покрытием на прижимную пластину со стороны контакта с активным элементом наносилось диффузно-отражающее покрытие из окиси цинка. Размеры пластины, количество слоев и тип покрытия выбирались с расчетом уравнения скорости теплоотвода от верхней и нижней части активного элемента.
Claims (1)
- Импульсно-периодический лазер, содержащий осветитель, внутри которого расположены активный элемент и лампа накачки, отличающийся тем, что верхняя часть осветителя содержит лампу накачки, а нижняя часть осветителя содержит активный элемент, теплоотводящую пластину, прозрачную для излучения накачки, прижимную пластину, при этом активный элемент выполнен пластинчатым и упруго прижат по всей длине нижней частью осветителя к теплопроводящей пластине, причем коэффициенты теплопроводности активного элемента λ и прозрачной пластины λ1, коэффициенты теплопередачи α1 верхней части активного элемента и α2 нижней части активного элемента, контактирующего с прижимной пластиной осветителя, связаны следующими соотношениями λ1≥2λ, 0,5<α2/α1<1.о
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2001104865A RU2202847C2 (ru) | 2001-02-22 | 2001-02-22 | Импульсно-периодический лазер |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2001104865A RU2202847C2 (ru) | 2001-02-22 | 2001-02-22 | Импульсно-периодический лазер |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2001104865A RU2001104865A (ru) | 2003-04-10 |
| RU2202847C2 true RU2202847C2 (ru) | 2003-04-20 |
Family
ID=20246326
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2001104865A RU2202847C2 (ru) | 2001-02-22 | 2001-02-22 | Импульсно-периодический лазер |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2202847C2 (ru) |
-
2001
- 2001-02-22 RU RU2001104865A patent/RU2202847C2/ru not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Балашов И.О. и др. Охлаждение активного тела ОКГ с помощью металлического теплопроводника. Оптико-механическая промышленность, № 4, 1968, с.5. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4949346A (en) | Conductively cooled, diode-pumped solid-state slab laser | |
| US5790752A (en) | Efficient in-line fluid heater | |
| KR940002413B1 (ko) | 집적 펌프 공동 레이저 장치 | |
| JP2000091672A (ja) | 熱制御のための相転移物質を使用するレ―ザ―システム | |
| JP4741707B2 (ja) | 光学クリスタル、または、レーザクリスタル、それぞれ、のための冷却装置 | |
| US6826916B2 (en) | Laser module, Peltier module, and Peltier module integrated heat spreader | |
| KR102071338B1 (ko) | 광원으로부터의 열을 전달하기 위한 반사기를 갖는 전기 램프 | |
| US3679999A (en) | Laser cooling method and apparatus | |
| US20020110166A1 (en) | Method and system for cooling a laser gain medium | |
| US3555449A (en) | Liquid cooled laser system | |
| CN104078824B (zh) | 一种全腔水冷固体激光器 | |
| US4495782A (en) | Transmissive Dewar cooling chamber for optically pumped semiconductor ring lasers | |
| RU2202847C2 (ru) | Импульсно-периодический лазер | |
| US5299213A (en) | Solid state laser apparatus | |
| JP6695901B2 (ja) | 冷却要素を有する発光デバイス | |
| KR970063520A (ko) | 이중 벽 마이크로파 플라즈마 기초 어플리케이터 | |
| US3471801A (en) | Thermally controlled solid-state laser | |
| JP2006013415A (ja) | 赤外線放射素子およびそれを用いたガスセンサ | |
| US3399359A (en) | Solid-state laser | |
| CN201576886U (zh) | 半导体激光器的散热装置 | |
| US4594716A (en) | Conduction cooled solid state laser | |
| WO1993013556A1 (fr) | Systeme de refroidissement pour module 'multi-puces' | |
| JP2010021224A (ja) | レーザ装置 | |
| US3475697A (en) | Laser employing semielliptical pump cavity | |
| KR100369811B1 (ko) | 상변화를 이용한 열 전달 매체를 구비한 광소자 모듈 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PD4A | Correction of name of patent owner | ||
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190223 |