СВЕТОВОДНЫЙ ЛАЗЕР С НАКАЧКОЙ СОЛНЕЧНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ Российский патент 1997 года по МПК H01S3/09 

Изобретение относится к лазерной технике, конкретнее к твердотельным лазерам с накачкой солнечным излучением, и может быть использовано в энергетических лазерных установках, лазерной химии, в лазерной медицине, металлургии и других лазерных технологических процессах.

Известны твердотельные световодные лазеры с накачкой солнечным излучением [1,2] содержащие концентратор солнечного излучения, твердотельную световодную активную среду и систему ее охлаждения.

Все названные лазеры имеют следующие недостатки, присущие им в совокупности или по отдельности:
низкую отражательную эффективность гелиоконцентраторов, обусловленную их составной (двух- или трехзеркальной) конструкцией, приводящей к потерям излучения накачки в результате его последовательных отражений от каждого из зеркал;
нагрев активной среды, приводящий к уменьшению коэффициента усиления лазерного излучения и, как следствие, к снижению мощности генерации и КПД лазера;
низкий спектральный КПД активной среды, обусловливающий предельный КПД лазеров на уровне 3 4%
Наиболее близким из известных к заявляемому является твердотельный лазер с накачкой солнечным излучением, описанный в [3] Известное устройство содержит гелиоконцентратор и световодную активную среду, имеющие общую ось симметрии и оптически связанные между собой, устройство для размещения активной среды и систему охлаждения, включающую панели радиационного охлаждения, расположенные в теневой части гелиоконцентратора.

Устройство позволяет осуществить накачку световодов через их боковую поверхность и получить непрерывную лазерную генерацию при охлаждении лазерной среды.

Известное устройство обладает всеми вышеперечисленными недостатками.

Например, при коэффициенте отражения зеркал К 0,9, эффективность трехзеркального гелиоконцентратора составляет η К³ 0,73. Спектральный КПД активной среды составляет около 10% Повышение спектрального КПД привело бы к дополнительному нагреву активной среды и, как следствие, к уменьшению эффективности преобразования излучения накачки в лазерное излучение, а в худшем случае к терморазрушению части активной среды. В качестве иллюстрации к сказанному оценим нагрев активной среды при следующих допущениях. Жгут световодов имеет прямоугольное поперечное сечение шириной l и толщиной h (l > h 0,1 см). Накачка жгута световодов солнечным излучением осуществляется со стороны одной из его широких стенок, а охлаждение с другой. Объемное энерговыделение Q постоянно по сечению жгута и равно Q 0,5•I•x/h, где I солнечная постоянная (I 0,1 Вт/см ), ξ 10³. Пространство между световодами заполнено средой, теплопроводность которой равна теплопроводности материала световодов.

При сделанных допущениях нагрев световодов на освещаемой солнечным излучением поверхности жгута относительно световодов на его охлаждаемой поверхности составляет 250^oC.

Предлагаемое изобретение решает задачу создания мощного лазера с накачкой солнечным излучением с высоким КПД.

Сущность изобретения заключается в том, что в твердотельном световодном лазере с солнечной накачкой, содержащем гелиоконцентратор и световодную активную среду, имеющие общую ось симметрии и оптически сопряженные между собой, устройство для размещения активной среды и систему охлаждения, включающую панели радиационного охлаждения, гелиоконцентратор выполнен в виде однозеркального фокусирующего устройства, представляющего собой устройство образованное вращением участка L параболы вокруг оси симметрии гелиоконцентратора, параллельной оси параболы и расположенной от нее на расстоянии R со стороны, противоположной стороне, на которой находится вращаемый участок параболы, причем параметры L и R выбраны из условия соответствия площади поверхности активной среды, обращенной к солнечному излучению, и площади кольцевого фокального пятна фокусирующего устройства, устройство для размещения активной среды выполнено из теплопроводящего материала в виде усеченного конуса, обращенного своим меньшим основанием к гелиоконцентратору и имеющего с ним общую ось симметрии, при этом устройство для размещения активной среды закрыто со стороны солнца отражающим солнечное излучение экраном, а в систему охлаждения включены тепловые трубы, которые установлены в устройстве для размещения активной среды, проложены через отверстие, выполненное в центральной части концентратора, и соединены с панелями радиационного охлаждения.

Активная среда может быть размещена в пазах с зеркальным покрытием поверхностей. Пазы выполнены в устройстве для размещения активной среды со стороны конической поверхности перпендикулярно ее образующей, при этом активная среда находится в тепловом контакте со стенками паза.

Кроме того, активная среда может быть выполнена из набора лазерных световодов различного типа, каждый из которых является солнечно-лазерным преобразователем своего отдельного участка солнечного спектра.

Кроме того, отражающий солнечное излучение экран может быть выполнен в виде параболоидного зеркала, обращенного к концентратору своей выпуклой стороной, в фокусе которого расположен преобразователь солнечного излучения в электрическую энергию, используемую для энергообеспечения эксплуатации лазера.

Такое выполнение лазера позволяет, во-первых, обеспечить необходимую степень концентрации солнечного излучения с помощью однозеркального концентратора, сводя тем самым потери солнечного излучения на отражение до минимума, во-вторых, избежать нагрева активной среды, приводящего к снижению мощности генерации лазера.

Расположение световодов в пазах в теплопроводящем материале усиливает теплоотвод от активной среды, приводя к уменьшению ее нагрева и, следовательно, к росту КПД и мощности генерации лазера. В качестве теплопроводящего материала могут быть использованы металлы, например медь и ее сплавы, или керамики, например нитрид бора.

Выполнение активной среды в виде набора световодов различных типов расширяет спектральную область солнечного излучения, преобразуемое в лазерное, и, тем самым, обеспечивает увеличение КПД и мощности лазера.

Кроме того, глубина h отдельного паза для размещения активной среды и величина коэффициента поглощения света в световодах k(z) в зависимости от координаты z вдоль паза связаны соотношением

Это условие обеспечивает однородную накачку отдельных световодов на уровне, необходимом для возбуждения в них генерации, и исключает тем самым возможность потерь солнечного излучения в световодах, уровень излучения накачки в которых будет не достаточен для возбуждения генерации.

Такое выполнение устройства позволяет работать при степенях концентрации солнечного излучения ξ около 10³, спектральных КПД активной среды 20 40% и в области рабочих температур активных сред, что приводит к увеличению мощности генерации и КПД лазера.

На фиг. 1 схематически изображено продольное сечение предлагаемого лазера; на фиг.2 продольное сечение устройства для размещения активной среды.

Световодный лазер содержит гелиоконцентратор 1 и световодную активную среду 2, установленную в устройстве 3 для размещения активной среды 2, и систему охлаждения, причем гелиоконцентратор 1 и устройство 3 для размещения активной среды 2, имеют общую ось симметрии и оптически связаны между собой. Гелиоконцентратор 1 выполнен в виде однозеркального фокусирующего устройства, образованного вращением участка параболы АВ вокруг оси симметрии гелиоконцентратора, параллельной оси параболы и расположенной от нее на расстоянии R со стороны, противоположной стороне, на которой находится вращаемый участок параболы. При этом параметры L и R выбраны из условия соответствия площади поверхности активной среды, обращенной к солнечному излучению, и площади кольцевого фокального пятна фокусирующего устройства.

Устройство 3 для размещения активной среды 2 выполнено из теплопроводного материала с поверхностью 4, представляющей собой боковую поверхность усеченного конуса, обращенного своим меньшим основанием к вогнутой поверхности гелиоконцентратора 1. Активная среда 2, расположена на боковой поверхности 4 усеченного конуса. Устройство 3 для размещения активной среды 2 закрыто со стороны солнца отражающим солнечное излучение экраном 5. Система охлаждения лазера выполнена в виде тепловых труб 6, соединяющих устройство 3 размещения активной среды 2 с задней (не зеркальной) поверхностью концентратора 1 и с расположенными в его тени панелями 7 радиационного охлаждения и проложенными через отверстие, выполненное в центральной части концентратора 1.

Для уменьшения нагрева активной среды она может располагаться в пазах 8 (фиг. 2), выполненных в устройстве 3 для размещения активной среды 2 со стороны конической поверхности 4 перпендикулярно ее образующей и имеющих зеркальное покрытие, и находится в тепловом контакте со стенками паза 9. Активная среда 2 выполнена из набора лазерных световодов различного типа, отличающихся, например, материалом сердцевины световода, каждый из которых является солнечно-лазерным преобразователем своего участка солнечного спектра.

С целью уменьшения потерь солнечного излучения, обусловленных особенностями конструкции лазера, и обеспечения автономности его работы отражающий солнечное излучение экран 5 (фиг. 2) выполнен в виде параболоидного зеркала, обращенного к концентратору 1 своей выпуклой стороной, в фокусе которого расположен преобразователь 10 солнечного излучения в электрическую энергию, используемую для энергообеспечения эксплуатации лазера и слежения лазера за солнцем.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Гелиоконцентратор 1 (фиг. 1) фокусирует падающее на него солнечное излучение на активную среду 2 (фиг. 1), состоящую из световодов одного или нескольких типов. Лазерные световоды поглощают солнечное и генерируют лазерное излучение, распространяющееся вдоль них. Каждый тип световодов поглощает солнечное излучение в своем участке спектра и генерирует на своей длине волны. Отметим, что полученное таким образом многоволновое лазерное излучение может быть сведено в один или несколько световодов и передаваться на значительные расстояния практически без потерь. Тепло, выделяющееся в активной среде 2 (фиг. 1) во время работы лазера, передается устройству 3 (фиг. 1, 2) для размещения активной среды, а от него посредством тепловых труб 6 (фиг. 1, 2) к задней (не зеркальной) поверхности гелиоконцентратора 1 (фиг. 1) и к расположенным в его тени панелям 7 (фиг. 1) радиационного охлаждения. Солнечное излучение, отраженное экраном 5 (фиг. 2), выполненным в виде параболоидного зеркала, направляется на преобразователь 10 (фиг. 2) солнечного излучения в электрическую энергию, которая используется для энергообеспечения эксплуатации лазера и слежения лазера за солнцем.

Использование: изобретение относится к лазерной технике, конкретнее к твердотельным лазерам с накачкой солнечным излучением, и может быть использовано в энергетических лазерных установках, лазерной химии, в лазерной медицине, металлургии и других лазерных технологических процессах. Сущность изобретения: в твердотельном световодном лазере с солнечной накачкой, содержащем гелиоконцентратор и световодную активную среду, имеющие общую ось симметрии и оптически сопряженные между собой, устройство для размещения активной среды и систему охлаждения, включающую панели радиационного охлаждения, гелиоконцентратор выполнен в виде однозеркального фокусирующего устройства, представляющего собой устройство, образованное вращением участка L параболы вокруг оси симметрии гелиоконцентратора, параллельной оси параболы и расположенной от нее на расстоянии R со стороны, противоположной стороне, на которой находится вращаемый участок параболы, причем параметры L и R выбраны из условия соответствия площади поверхности активной среды, обращенной к солнечному излучению, и площади кольцевого фокального пятна фокусирующего устройства, устройство для размещения активной среды выполнено из теплопроводящего материала в виде усеченного конуса, обращенного своим меньшим основанием к гелиоконцентратору и имеющего с ним общую ось симметрии, при этом устройство для размещения активной среды закрыто со стороны солнца отражающим солнечное излучение экраном, а в систему охлаждения включены тепловые трубы, которые установлены в устройстве для размещения активной среды, проложены через отверстие, выполненное в центральной части концентратора, и соединены с панелями радиационного охлаждения. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Световодный лазер с накачкой солнечным излучением, содержащий гелиоконцентратор и световодную активную среду, имеющие общую ось симметрии и оптически связанные между собой, устройство для размещения активной среды и систему охлаждения, включающую панели радиационного охлаждения, расположенные в теневой части гелиоконцентратора, отличающийся тем, что устройство для размещения активной среды выполнено из теплопроводящего материала в виде усеченного конуса, на боковой поверхности которого расположена активная среда, при этом усеченный конус обращен своим меньшим основанием к вогнутой поверхности гелиоконцентратора, выполненного в виде фокусирующего устройства, представляющего собой устройство, образованное вращением участка параболы длиной L вокруг оси симметрии гелиоконцентратора, параллельной оси параболы и расположенной от этой оси на расстоянии R со стороны, противоположной стороне, на которой расположен вращаемый участок параболы, причем параметры L и R выбраны из условия равенства площади поверхности активной среды, обращенной к солнечному излучению и площади кольцевого фокального пятна фокусирующего устройства, при этом устройство для размещения активной среды закрыто со стороны падающего солнечного излучения отражающим экраном, а система охлаждения содержит тепловые трубы, которые установлены в устройстве для размещения активной среды, проложены через отверстие, выполненное в центральной части концентратора, и соединены с панелями радиационного охлаждения. 2. Лазер по п.1, отличающийся тем, что активная среда размещена в пазах, выполненных в устройстве для размещения активной среды на боковой конической поверхности перпендикулярно ее образующей, причем пазы имеют зеркальное покрытие, а световодная среда размещена в пазах с тепловым контактом. 3. Лазер по пп.1 и 2, отличающийся тем, что активная среда состоит из набора лазерных световодов различного типа, каждый из которых выполнен в виде солнечно-лазерного преобразователя своего отдельного участка солнечного спектра. 4. Лазер по п.1, отличающийся тем, что экран, отражающий солнечное излучение, выполнен в виде параболоидного зеркала, обращенного к концентратору своей выпуклой стороной, в фокусе которого расположен преобразователь солнечного излучения в электрическую энергию.