ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Температурные искажения оптического пути в активных элементах твердотельных лазеров из "Термооптика твердотельных лазеров " Изучение особенностей работы твердотельного лазера, связанных с его термооптикой, требует знания процессов преобразования подводимой к лазеру энергии и закономерностей формирования тепловых полей в лазерных активных элементах. Решения задач по определению распределения энергии по различных каналам ее преобразования и тепловых полей в элементах излучателя конкретного лазера сложны и должны проводиться для каждой системы в отдельности. Общие методики расчетов тепловыделения в активных элементах и тепловых полей в них изложены в работах [9, 77]. Ниже приводятся характерные для промышленных неодимовых лазеров составляющие энергетического баланса излучателя и формулы для расчета полей температуры, напряжений и деформаций в активных элементах наиболее типичных форм. Эти сведения могут быть полезными для инженеров-разработчиков при проведении оценочных расчетов. [c.9] Тепловыделение в излучателе лазера. Излучатель твердотельного лазера включает в свой состав активный элемент, резонатор и осветитель. Осветитель в общем случае содержит источник оптической накачки, в качестве которого в большинстве конструкций промышленных лазеров применяются газоразрядные лампы отражатель, концентрирующий излучение накачки на активный элемент, и элементы спектральной фильтрации излучения накачки. Основной процесс в твердотельном лазере — преобразование световой энергии накачки в энергию генерируемого излучения — сопровождается потерями значительной части энергии на тепловыделение в элементах излучателя. Диаграмма характерного для промышленных неодимовых лазеров распределения энергии (мощности) накачки по последовательным ступеням ее преобразования в излучателе лазера приведена на рис, 1.1. [c.9] Подводимая к излучателю лазера энергия накачки (или мощность Рн) оценивается электрической энергией или мощностью, непосредственно затрачиваемой на питание лампы. [c.9] Потери энергии на нагревание электродов и колбы лампы зависят от их конструкции, подводимой энергии, временного режима работы [46] и для ламп накачки составляют 25—30 % РОтальцая ч сть подводимой энергии преобразуется в излучение. [c.9] Непосредственно в активном элементе неодимового лазера может поглощаться до 40 % энергии накачки. Значительное снижение тепловой нагрузки на активный элемент достигается применением в осветителе светофильтров, отсекающих ту или иную часть спектра излучения накачки, не совпадающую с областью полос поглощения активатора тепловыделение в поглощающем светофильтре может составлять от 10 до 30 % энергии или мощности накачки [23, 132]. [c.11] На область полос поглощения активатора приходится сравнительно небольшая часть спектра излучения ламп накачки суммарный КПД импульсных ламп с удельной мощностью порядка 10 Вт/см для полос поглощения ионов неодима составляет около 10 % (распределение КПД но полосам поглощения характеризуется данными табл. 1) [67]. Преобразование этой части поглощенной активным элементом энергии в тепло в генерирующем лазере определяется в основном стоксовыми потерями (отношением частоты излучения лазера Vh к частоте излз ения накачки Vh). Тепловыделение в активном элементе составляет 3—8 % от энергии накачки. [c.11] Таким образом, большая часть подводимой к лампе накачки энергии превращается в элементах излучателя в тепло доля энергии накачки, идущей на создание лазерного излучения, составляет лишь 2—5 % в режиме свободной генерации и около 1 % в моноимпульсном режиме. [c.12] Тепловыделение в активной среде и в других элементах резонатора (кроме некоторых типов затворов) в результате поглощения части генерируемого излучения обычно мало. Однако, несмотря на свою малость, оно способно в некоторых случаях существенно повлиять на динамику работы лазера, так как вносит в резонатор дополнительную нелинейность (тепловыделение зависит от циркулирующей в резонаторе мощности, а вызванные им искажения резонатора, в свою очередь, влияют на эту мощность), которая и может привести к резкому изменению режима генерирования (появление бистабильных режимов, срыв генерации) [47]. [c.12] Динамика теплового режима активного элемента. Распределение температуры по объему активной среды и его изменение во времени зависят от характера тепловыделения, вида и эффективности теплоотвода. В твердотельных лазерах, применяемых в технологических установках, охлаждение элементов излучателя чаще всего осуществляется путем конвективного теплообмена с охлаждающей жидкостью. Вследствие большой эффективности передачи тепла хладагенту (коэффициент теплообмена ат = = 0,1 -4-1 Вт/(см -К)) в системах накачки с жидкостным охлаждением тепловой режим активного элемента не зависит от температуры других элементов и определяется внутренним тепловыделением. [c.12] Если в режиме периодически повторяющихся импульсов (кривая 2) за время между двумя соседними импульсами не успевает произойти выравнивания температуры по объему элемента, то к началу последующего импульса температурное поле (Гог, Гоз) будет определяться суперпозицией двух составляющих, соответствующих распределению источников тепла и релаксационному тепловому полю. Результирующее распределение температуры в этом случае будет зависеть от распределения плотности энергии накачки, теплопроводности среды и интенсивности теплообмена с окружающей средой. По мере поступления последующих импульсов накачки относительный вклад релаксационного поля становится все более значительным и установившееся поле температуры будет весьма сильно отличаться от распределения источников тепла. После поступления некоторого числа импульсов наступает квазистационарный тепловой режим, в котором в сходственные моменты времени каждого последующего цикла воспроизводится температурное поле. Температурные перепады в элементе при этом значительно превосходят перепады температуры, обусловленные неравномерностью накачки в режиме одиночных импульсов. [c.14] При непрерывной накачке одновременно с выделением тепловой энергии в активном элементе происходит отвод тепла через его поверхность в результате этого через некоторое время после включения накачки устанавливается стационарное температурное поле (кривая 3 на рис. 1.4). Как и в режиме накачки с часто повторяющимися импульсами, можно различать три характерные стадии переходный режим после включения накачки, стационарный тепловой режим и режим охлаждения после выключения накачки. [c.14] Постановка конкретной задачи нахождения температурных полей активного элемента на основе решения дифференциального уравнения теплопроводности [9,71] требует рационального выбора допущений, начальных и граничных условий с учетом конфигурации элемента, теплофизических характеристик материала и характера теплообмена с окружающей средой. Для наиболее распространенных конфигураций активных элементов характерно, что длина элемента значительно превосходит его характерный поперечный размер (рис. 1.5). Это обстоятельство, а также обеспечение достаточно равномерного теплоотвода вдоль боковой поверхности элемента позволяют сводить объемную задачу теплопроводности к одномерной. [c.14] В соответствии с проведенным анализом возможных допущений уравнение теплопроводности для активного элемента можно записать в виде дТ/dt = / с р), где — оператор Лапласа ат = т/(СтР) — температуропроводность активной среды — коэффициент теплопроводности. [c.15] Граничные условия, накладываемые на решение уравнения теплопроводности, определяются законом взаимодействия элемента с окружающей средой и в технике твердотельных лазеров обычно выражаются тремя основными типами. [c.15] Граничное условие первого рода (задание температуры поверхности тела как функции координат и времени, например, Т = onst) соответствует интенсивному охлаждению, когда температура поверхности элемента близка к известной температуре хладагента Т . [c.15] Граничное условие второго рода (задание распределения плотности теплового потока по поверхности тела как функции времени, например, при постоянстве потока Х дТ/дп = onst, где п — обобщенная координата — нормаль к поверхности) может реализовываться при лучистом теплообмене и в режиме так называемых тепловой изоляции или охранного нагрева. [c.15] Граничное условие третьего рода обычно характеризует конвективный теплообмен между поверхностью тела и окружающей средой при постоянном тепловом потоке. Это условие записывается в виде равенства теплового потока изнутри тела к его поверхности тепловому потоку от поверхности тела в окружающую среду ХтдТ/дп = ат Та — Т ). Когда отношение a-t/Xj велико (более 10-2 м- ), условие третьего рода переходит в условие первого рода. [c.15] Примечание, d—характерный размер охлаждаемого тела, м приведенный диаметр канала охлаждения, м о—скорость потока хладагента, м/с V—коэффициент кинематической вязкости, м с а —коэффициенты теплопроводности и температуропроводности хладагента. [c.16] Начальное условие определяется заданием распределения температуры внутри тела в начальный по отношению к поставленной задаче момент времени. Используется оно при рассмотрении нестационарных процессов и оказывает влияние только на первой стадии процесса через некоторое время распределение температуры будет определяться граничными условиями и не будет зависеть от начальных. [c.17] При решении теплофизических задач широко используется способ описания процессов с помощью так называемых критериев подобия или безразмерных чисел. Введение этих безразмерных числовых комплексов физических величин позволяет упростить запись решений и облегчает сравнение и обобщение результатов экспериментов. Некоторые критерии подобия, используемые при расчете тепловых полей, и их физический смысл приведены в табл. 2. [c.17] Вернуться к основной статье