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

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

Известны газовые лазеры с накачкой солнечным излучением [1-2] содержащие концентратор солнечного излучения, газовую активную среду с системой ее охлаждения и теплоизоляции и устройство для преобразования солнечного излучения в тепловое.

Все названные лазеры имеют следующие недостатки, присущие им в совокупности или по отдельности:
малый объем активной среды при заданной длине и вследствие этого, малый уровень интегральной выходной мощности;
низкий КПД активной среды, обуславливающий предельный КПД лазеров на уровне 0,5-1,5%
нагрев активной среды, приводящий к уменьшению коэффициента усиления лазерного излучения и, как следствие к снижению мощности генерации и КПД лазера.

Наиболее близким из известных к заявляемому является газовый лазер с накачкой солнечным излучением, описанный в [3]
Известное устройство содержит камеру с активной средой, имеющую стенку прозрачную для излучения накачки, и камеру, оптически связанную с гелиоконцентратором, стенка которой выполнена из материала, поглощающего солнечное излучение. В этом устройстве накачка активной среды производится преобразованным из солнечного излучения тепловым излучением, близким по спектру к излучению "черного тела".

Известное устройство обладает всеми перечисленными недостатками.

Например, известно, что нагрев активной среды CO₂ лазера свыше 500 K приводит к резкому снижению (в 10-20 раз) коэффициента усиления активной среды и, следовательно, к резкому падению выходной мощности. Вследствие того, что активная среда, помещенная в цилиндрическую камеру, расположена внутри камеры, связанной с гелиоконцентратором, непосредственно вдоль центральной оси симметрии, теплоотвод от нее затруднен.

Размеры активной среды в радиальном направлении ограничены условием оптимального поглощения излучения накачки молекул CO₂ в диапазоне 4,3 мкм и не могут быть значительными. Из-за этого единственной возможностью увеличения интегральной мощности выходного излучения такого устройства остается увеличение длины активной среды, что в свою очередь приводит к необходимости увеличения габаритов гелиоконцентратора, которые так же не беспредельны. Вследствие этого, такое техническое решение представляется не конструктивным и вряд ли может быть реализовано в серийном производстве. Эти же причины обуславливают возникновение ограничения на верхний предел лазерной мощности в непрерывном режиме на уровне в несколько десятков кВт.

Учитывая то обстоятельство, что эффективная степень концентрации излучения должна быть достаточно высокой ξ ⇒ 10³, из-за необходимости разогревать поверхность "черного тела" до температуры T T ⇒ 1200K 1200 K, чтобы попасть в область максимума спектральной кривой для λ 4,3 мкм, значительное увеличение габаритов гелиоконцентратора представляет собой сложную научно-техническую задачу. Производственная реализация установок с непрерывной мощностью более 1 МВт в настоящее время возможна, по-видимому, только в космическом пространстве.

Изобретение решает задачу компактного, мощного лазера, работающего в непрерывном режиме, с накачкой солнечным излучением с высоким КПД, за счет высокой концентрации солнечного излучения и повышения эффективности накачки активной лазерной среды.

Сущность изобретения заключается в том, что в лазере с солнечной накачкой, содержащем камеру с активной средой, имеющей стенку, прозрачную для излучения накачки и камеру, оптически связанную с гелиоконцентратором, стенка которой выполнена из материала, поглощающего солнечное излучение, камеры образованы стенками, выполненными в виде соосных цилиндрических поверхностей, установленных с зазором, причем внешняя поверхность внешней стенки камеры с активной средой выполнена из отражающего излучение накачки материала, при этом из материала, прозрачного для излучения накачки, выполнена внутренняя стенка этой камеры, а камера, оптически связанная с гелиоконцентратором, расположена внутри камеры с активной средой, причем из материала, поглощающего солнечное излучение, выполнена внутренняя поверхность камеры, связанной с гелиоконцентратором, а внешняя поверхность указанной камеры выполнена из материала, испускающего тепловое излучение.

При этом, зазор между внешней поверхностью камеры, связанной с гелиоконцентратором и камерой с активной средой, может быть выполнен герметичным и его объем вакуумирован.

Кроме того, внешняя стенка камеры с активной средой может быть выполнена из отражающего излучения накачки материала или может быть выполнена металлической и зеркальной, или может быть выполнена прозрачной для излучения накачки, а отражающее покрытие нанесено на внешнюю поверхность внешней стенки камеры.

Кроме того, размер камеры с активной средой в радиальном направлении Dr = r₂-r₁, давление активной среды P и ее коэффициент поглощения κ(σ) в диапазоне длин волн накачки, выбран из условия оптимальной накачки активной среды

где
r₁, r₂ радиальные расстояния от центральной оси до внутренних поверхностей камеры с активной средой.

Основной смысл этого условия состоит в полном поглощении излучения накачки при двукратном прохождении излучения накачки в радиальном направлении в активной среде, например трехатомными молекулами углекислого газа в диапазоне 4,3 мкм. Двукратное прохождение в радиальном направлении активной среды излучения накачки реализуется за счет применения отражающего покрытия на внешней стенке камеры с активной средой.

Равенство интеграла (1) значению 0,9 и его превышение вплоть до единицы означает, что практически все излучение накачки может поглотиться в активной среде при однократном ее прохождении в радиальном направлении, то-есть оказывается не оптимальным в этом устройстве. Кроме того, трудно обеспечить точное выполнение равенства интеграла (1) единице. Это обусловлено тем, что отсутствуют как точные расчетные, так и точные импирические значения коэффициента поглощения κ(σ) во всем диапазоне волн накачки, а они известны с некоторой погрешностью Δκ
При значениях определенного интеграла (1), меньших 0,7, часть излучения накачки (более 9%) в соответствие с законом Бугера, дважды прошедшее через активную среду в радиальном направлении, может в ней не поглотиться полностью, то есть, эта величина оказывается так же не оптимальной с точки зрения эффективности накачки.

Таким образом, оптимальную накачку активной среды в предлагаемом устройстве можно обеспечить только при выполнении соотношения (1).

Кроме того, гелиоконцентратор может быть оптически связан с камерой, нагреваемой солнечным излучением, световодами, например волоконными, что позволяет ввести гибкую оптическую связь между гелиоконцентратором и камерой, при этом облегчается решение круга проблем, возникающих при необходимости введения автоматической перестройки ориентации гелиоконцентратора при слежении за Солнцем, без его жесткой связи с камерами предлагаемого лазера.

Все перечисленные усовершенствования в предлагаемом лазере направлены в конечном счете на повышение эффективности накачки активной среды.

Такое выполнение устройства позволяет работать при высокой степени концентрации солнечного излучения, около ξ = 10³ в области рабочих температур активной среды, при ее оптимальной накачке, что приводит к увеличению мощности генерации и КПД предлагаемого лазера.

На чертеже схематически изображена конструкция предлагаемого лазера.

Лазер содержит гелиоконцентратор 1, концентрирующий поток солнечного излучения 2, камеру 3 с внешней стенкой 4 и внутренней стенкой 5, содержащую активную среду 6, и камеру 7, оптически связанную с гелиоконцентратором 1 с внешней 8 и внутренней 9 стенками. Камеры 3 и 7 образованы стенками, выполненными в виде соосных цилиндрических поверхностей, установленных с зазором 10, внешняя поверхность 4 камеры 3 с активной средой 6 выполнена из отражающего, излучение накачки материала, например из меди, сплавов алюминия или пленки тантала, при этом, из материала прозрачного для излучения накачки, например из кварца или сапфира, выполнена внутренняя стенка 5 камеры 3, а камера 7, оптически связанная с гелиоконцентратором 1, расположена внутри камеры 3 с активной средой 6, причем из материала, поглощающего солнечное излучение, например карбида кремния, графита или нитрида, выполнена внутренняя поверхность 9 камеры 7, а внешняя поверхность 8 камеры 7 выполнена из материала испускающего тепловое излучение, например из окислов металлов, пиролитического графита или смеси Нернста. Камеры 3 и 7 установлены в общем корпусе 11 лазера и жестко в нем закреплены.

Для уменьшения дополнительного нагрева активной среды 6, вызываемого неизлучательной теплопередачей от внешней поверхности 8 камеры 7 зазор 10 между внешней поверхностью 8 камеры 7, оптически связанной с гелиоконцентратором 1 и внутренней поверхностью 5 камеры 3 с активной средой 6, выполнен герметичным и его объем вакуумирован.

Для увеличения эффективности использования излучения накачки активной среды вся внешняя стенка камеры 3 с активной средой 6 может быть выполнена из отражающего излучения накачки материала.

Для выполнения этой же задачи внешняя стенка 4 камеры 3 с активной средой 6 может быть выполнена металлической и зеркальной.

Решения такой же задачи можно достигнуть и в случае, когда внешняя стенка 4 камеры 3 с активной средой 6 выполнена прозрачной для излучения накачки, а отражающее покрытие нанесено на внешнюю поверхность внешней стенки 4 камеры 3 с активной средой 6.

При разработке конструкции рассматриваемого лазера, обладающего цилиндрической симметрией, с заданным уровнем мощности излучения исходными параметрами могут служить размер камеры 3 с активной средой в радиальном направлении r, ее коэффициент поглощении κ(σ) в диапазоне длин волн накачки и давление активной среды p. Реализовать уровень оптимальной накачки активной среды в предлагаемом устройстве можно только при выполнении условия (1):

Для введения гибкой оптической связи между гелиоконцентратором 1 и камерой 7, нагреваемой солнечным излучением, гелиоконцентратор 1 может быть оптически связан с камерой 7 волоконными световодами.

Необходимо отметить, что в предложенном устройстве могут использоваться разнообразные среды: газовые смеси разного компонентного состава, разные среды в жидком состоянии, парогазовые смеси, аэрозольные и аэрогельные композиции, разные порошковые материалы и т.д.

В настоящем материале рассматривается более подробно лазер с накачкой солнечным излучением с газовой активной средой на основе диоксида углерода, которая выбрана в качестве удобного примера, для лучшего выявления сущности предлагаемого устройства.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Гелиоконцентратор 1 фокусирует поток солнечного излучения 2 на поверхность внутренней стенки 9 камеры накачки 7, оптически связанной с гелиоконцентратором. Эта внутренняя поверхность стенки 9 выполнена из поглощающего солнечное излучение материала, поэтому весь поток солнечного излучения 2, сконцентрированный гелиоконцентратором 1 на нее, поглощается внутри камеры 7 и нагревают камеру 7 до температуры T_н порядка 1200К. При такой температуре, соответствующей максимуму спектрального диапазона 4,3 мкм излучения "черного тела", внешняя стенка 8 камеры 7, испускает излучение вдоль радиуса, в направлении камеры с активной средой 3.

Вследствие цилиндрической симметрии обеих камер излучение накачки, испущенное поверхностью 8 камеры 7, попадает в активную среду 6 камеры с активной средой 3, производя накачку лазерной активной среды. Часть излучения накачки, прошедшее активную среду однократно в радиальном направлении, в направлении от центра к периферии и не поглотившееся в ней, испытывает переотражение на внешней поверхности стенки 4 камеры 3 с активной средой 6 и повторно проходит активную среду 6 в радиальном направлении, хотя при этом и в противоположном направлении от периферии к центральной оси всего устройства, производя накачку лазерной активной среды 6. В накаченной таким оптимальным способом активной среде 6 генерируется лазерное излучение высокой мощности, которое выводится из предлагаемого устройства, например, с помощью одного из зеркал лазерного резонатора.

Использование: изобретение относится к лазерной технике, конкретнее к лазерам с накачкой солнечным излучением, и может быть использовано в энергетических лазерных установках, лазерной химии, лазерной медицине, металлургии и других лазерных технологических процессах на Земле и в космическом пространстве. Сущность изобретения. В лазере с солнечной накачкой, содержащем камеру с активной средой, имеющей стенку, прозрачную для излучения накачки и камеру, оптически связанную с гелиоконцентратором, стенка которой выполнена из материала поглощающего солнечное излучение, камеры образованы стенками, выполненными в виде соосных цилиндрических поверхностей, установленных с зазором, причем внешняя поверхность внешней стенки камеры с активной средой из отражающего излучение накачки материала, при этом, из материала прозрачного для излучения накачки выполнена внутренняя стенка этой камеры, а камера, оптически связанная с гелиоконцентратором, расположена внутри камеры с активной средой, причем из материала поглощающего солнечное излучение выполнена внутренняя поверхность камеры, связанной с гелиоконцентратором, а внешняя поверхность указанной камеры выполнена из материала, испускающего тепловое излучение. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Лазер с накачкой солнечным излучением, включающий в себя камеру с активной средой, имеющую стенку, прозрачную для излучения накачки, и камеру, оптически связанную с гелиоконцентратором, стенка которой выполнена из материала, поглощающего солнечное излучение, отличающийся тем, что камеры образованы стенками, выполненными в виде соосных цилиндрических поверхностей, установленных с зазором, причем внешняя поверхность внешней стенки камеры с активной средой выполнена из отражающего излучение накачки материала, при этом из материала, прозрачного для излучения накачки, выполнена внутренняя стенка этой камеры, а камера, оптически связанная с гелиоконцентратором, расположена внутри камеры с активной средой, причем из материала, поглощающего солнечное излучение, выполнена внутренняя поверхность камеры, связанной с гелиоконцентратором, а внешняя поверхность указанной камеры выполнена из материала, испускающего тепловое излучение. 2. Лазер по п.1, отличающийся тем, что зазор между внешней поверхностью камеры, связанной с гелиоконцентратором и камерой с активной средой, выполнен герметичным и его объем вакуумирован. 3. Лазер по п.1, отличающийся тем, что внешняя стенка камеры с активной средой выполнена из отражающего излучение накачки материала. 4. Лазер по пп.1 и 3, отличающийся тем, что внешняя стенка камеры с активной средой выполнена металлической и зеркальной. 5. Лазер по пп.1 и 3, отличающийся тем, что внешняя стенка камеры с активной средой выполнена прозрачной для излучения накачки, а отражающее покрытие нанесено на внешнюю поверхность внешней стенки камеры. 6. Лазер по п.1, отличающийся тем, что размер камеры с активной средой в радиальном направлении r и ее коэффициент поглощения κ(σ) в диапазоне длин волн накачки выбраны из условия оптимальной накачки активной среды:

где Р давление активной среды;
r₁, r₂ радиальные расстояния от центральной оси до внутренних поверхностей камеры с активной средой. 7. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что гелиоконцентратор оптически связан с камерой, нагреваемой солнечным излучением, световодами.