ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР С ВОЗДУШНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ Российский патент 1999 года по МПК H01S3/41 

Область техники
Изобретение относится к области квантовой электроники, преимущественно к газовым лазерам, и может быть использовано в непрерывном электроразрядном CO₂-лазере.

Уровень техники.

Работа непрерывных газовых лазеров с накачкой электрическим разрядом относительно неэффективна с энергетической точки зрения (типичные значения КПД обычно не превосходят 10 - 20%). Это приводит к выделению большого количества тепла, которое, распределяется в конструкции лазера и вызывает нагрев компонентов лазерной среды. В результате из-за увеличения заселенности нижнего лазерного уровня происходит уменьшение коэффициента усиления активной лазерной среды и КПД лазера, а тепловое искривление и рассогласование элементов конструкции лазера существенно влияет на характеристики лазерного излучения. Таким образом, эффективность системы охлаждения может оказывать определяющее влияние на эффективность самого лазера. Особое место среди систем охлаждения, благодаря простоте конструкции и автономности, занимают воздушные системы охлаждения.

Известен газовый лазер с воздушным охлаждением, содержащий разрядную трубку, вентилятор и радиатор, выполненный в виде расположенных перпендикулярно трубке и скрепленных между собой ребер /1/. Для повышения эффективности охлаждения ребра радиатора могут быть помещены в кожух, выполненный в виде дозвукового сопла /2/. Подобные конструкции систем охлаждения активных элементов не позволяют добиться достаточно высокой эффективности газового лазера, т.к. имеют ограниченную длину охлаждения и приводят к большим температурным деформациям активного элемента, возникающим из-за различных условий его охлаждения. Для увеличения длины активного элемента (и увеличения выходной мощности) можно установить несколько вентиляторов, расположенных вдоль всей длины разрядной трубки. Но наряду с усложнением конструкции, увеличением шума и вибраций, температурные деформации еще более увеличатся из-за разных условий охлаждения различных зон активного элемента.

Наиболее близким по технической сущности является газовый лазер с воздушным охлаждением /3/. Лазер содержит разрядную трубку с электродами, внутренними зеркалами резонатора и установленным на ней воздушным радиатором, выполненным в виде продольно расположенных ребер в два яруса по радиусу трубки, вентилятор и кожух для ограничения сечения воздушного потока. Такой лазер обладает повышенной мощностью излучения, т. к. в нем обеспечивается эффективный отвод тепла от длинной разрядной трубки. Несмотря на высокую эффективность лазер имеет ряд недостатков. Во-первых, в лазере эффективно "работают" только внешние части ребер радиатора, т. к. воздушный поток плохо проникает в узкие промежутки между ребрами вблизи разрядной трубки. Поэтому в конструкции радиатора используются ребра достаточно большой толщины (≥125 дюйма) из материала с высокой теплопроводностью - меди. В результате масса такого радиатора, а вместе с ним и всего лазера, получается большой. Во-вторых, конструкция радиатора многоэлементная и достаточно сложная. Для его эффективной работы необходимо обеспечение хорошего теплового контакта между элементами радиатора, между радиатором и разрядной трубкой. Это требует крепления радиатора на разрядной трубке из высокотоксичного материала (BeO), например, с помощью пайки, что усложняет изготовление лазера, поскольку необходимо использовать специальные меры безопасности. В-третьих, предложенная схема радиатора требует использования вентилятора повышенной мощности, т. к. радиатор оказывает большое сопротивление воздушному потоку системы охлаждения. И наконец, в-четвертых, недостатком лазера является закрепление разрядной трубки внутри кожуха с помощью элементов радиатора, что приводит к недостаточной пространственной стабильности диаграммы направленности лазера из-за термических деформаций радиатора и его вибраций при работе вентилятора системы охлаждения.

Сущность изобретения.

Техническая задача предлагаемого изобретения состоит в повышении эффективности теплообмена между разрядной трубкой и радиатором, между радиатором и охлаждающим воздушным потоком, а также в организации схемы лазера, диаграмма направленности излучения которого нечувствительна к термическим деформациям конструкции в процессе работы.

Технический результат - улучшение массогабаритных и эксплуатационных характеристик лазера, повышение ресурса работы и упрощение конструкции газового лазера с воздушным охлаждением достигается тем, что в известном устройстве газового лазера, включающим установленную внутри ограничительного кожуха разрядную трубку из окиси бериллия с электродами и зеркалами резонатора, размещенный на ней радиатор охлаждения и средство прокачки воздуха, отличительным является то, что лазер снабжен расположенным со стороны высоковольтного электрода разрядной трубки изолятором и соединенным с разрядной трубкой объемом с дополнительным рабочим газом, средство прокачки установлено со стороны низковольтного электрода, а в прилегающей к изолятору части кожуха выполнены окна для выхода воздушного потока. Объем с дополнительным рабочим газом может быть выполнен в виде коаксиального цилиндра, внутренняя поверхность которого составляет часть ограничительного кожуха. Кожух лазера и объем с дополнительным рабочим газом могут быть выполнены из ковара, а средство прокачки воздуха может содержать осевой вентилятор. Наружная поверхность изолятора может быть выполнена в виде усеченного конуса, обращенного меньшим основанием к средству прокачки, а изолятор выполнен из окиси бериллия. Наружная поверхность разрядной трубки может быть выполнена в виде правильного многогранника, а установленный на ней радиатор может быть выполнен из элементов, длина которых вдоль разрядной трубки определяется эмпирическим соотношением A ≤ L•h/H, где: L - длина, a h и H - допустимая и реальная кривизна разрядной трубки на длине L, соответственно. Радиатор может быть выполнен игольчатым, иглы которого равномерно размещены по поперечному сечению воздушного потока.

Снабжение лазера расположенным со стороны высоковольтного электрода разрядной трубки изолятором, соединенным с разрядной трубкой и кожухом) и соединение разрядной трубки с кожухом и объемом с дополнительным рабочим газом со стороны низковольтного электрода позволяет жестко закрепить разрядную трубку относительно кожуха лазера и, тем самым, повысить стабильность диаграммы направленности лазерного излучения. Выполнение объема с дополнительным рабочим газом в виде коаксиального цилиндра, внутренняя поверхность которого составляет часть ограничительного кожуха, позволяет уменьшить габариты лазера и максимально приблизить объем с дополнительным рабочим газом к разрядной трубке. Это позволяет интенсифицировать обмен рабочей смеси газов между разрядной трубкой и дополнительным объемом, застабилизировать мощность излучения и повысить ресурс работы лазера. Выполнение кожуха лазера и объема с дополнительным рабочим газом из ковара, обладающего близким к окиси бериллия коэффициентом теплового расширения /3/, позволяет сделать конструкцию лазера более стабильной при изменении температуры. Наружная поверхность изолятора может быть выполнена в виде усеченного конуса, обращенного меньшим основанием к средству прокачки. В этом случае изолятор одновременно является дефлектором для разворота охлаждающего воздушного потока и удаления его из лазера через окна в прилегающей к изолятору части кожуха, что упрощает конструкцию лазера. Для улучшения охлаждения разрядной трубки вблизи высоковольтного электрода изолятор может быть выполнен из окиси бериллия. Это повышает надежность работы лазера. Средство прокачки воздуха предпочтительно установить со стороны низковольтного электрода, что позволит более легко обеспечить его акустическую развязку от разрядной трубки и повысить стабильность диаграммы направленности лазера. В качестве средства прокачки воздуха предпочтительно использовать осевой вентилятор. В этом случае коаксиальный поток воздуха от вентилятора наилучшим образом согласуется с коаксиальной формой газового канала внутри кожуха лазера, поэтому для охлаждения используется весь воздушный поток. Это повышает эффективность охлаждения разрядной трубки и позволяет использовать вентилятор меньшей мощности, что позволяет уменьшить габариты лазера. Выполнение наружной поверхности разрядной трубки в виде правильного многогранника позволяет установить радиатор на плоскую поверхность, что уменьшает тепловое сопротивление между разрядной трубкой и радиатором и повышает эффективность охлаждения лазера. Поскольку разрядная трубка всегда обладает какой-то кривизной и неплоскостностью, то для улучшения теплообмена радиатор может быть выполнен из элементов, длина которых вдоль разрядной трубки определяется эмпирическим соотношением A ≤ L•h/H, где: L - длина, a h и H - допустимая и реальная кривизна разрядной трубки на длине L, соответственно. Это позволяет использовать разрядную трубку без тщательной обработки ее поверхности, что важно из-за высокой токсичности окиси бериллия, удешевить и упростить конструкцию лазера. Согласно /4/, допустимая шероховатость (кривизна или неплоскостность) поверхностей радиаторов для охлаждения элементов электронной аппаратуры не должна превышать 0.8 мкм. Представляется, что эти требования можно распространить на поверхности разрядной трубки и элементов радиатора. Использование эффективного радиатора игольчатого типа /4/, иглы которого равномерно размещены по поперечному сечению воздушного потока, позволяет наилучшим образом использовать охлаждающий воздушный поток. Такой радиатор оказывает минимальное газодинамическое сопротивление воздушному потоку и не образует застойных зон, что способствует повышению эффективности охлаждения лазера.

Предлагаемый газовый лазер с воздушным охлаждением представлен на фиг. 1, где: 1 - разрядная трубка, 2 - радиатор, 3 - средство прокачки воздуха, 4 - кожух, 5 -изолятор, 6 - окна для выхода воздушного потока, 7 - объем с дополнительным рабочим газом. На фиг.2 и 3 показаны предпочтительные варианты исполнения элементов воздушного радиатора.

Газовый лазер с воздушным охлаждением работает следующим образом. На электроды разрядной трубки (1) подают напряжение постоянного тока от специального источника (на фиг.1 не показан). В разрядной трубке (1) зажигается газовый разряд, в котором происходит возбуждение активной лазерной среды. Это возбуждение с помощью зеркал резонатора преобразуется в лазерное излучение. Выделяющееся внутри разрядной трубки (1) тепло через стенку из теплопроводящей керамики передается радиатору (2), имеющему хороший тепловой контакт с поверхностью разрядной трубки (1). Вентилятор (3), прогоняя воздух внутри ограничивающего кожуха (4), обдувает элементы радиатора (2) и, тем самым, охлаждает разрядную трубку (1). Далее воздух, обтекая изолятор-дефлектор (5), установленный со стороны высоковольтного электрода разрядной трубки (1), выбрасывается через окна в кожухе (6) для выхода воздушного потока. Объем с дополнительным рабочим газом (7) соединен каналом с разрядной трубкой (1) со стороны низковольтного электрода. Для уменьшения габаритов лазера объем с дополнительным рабочим газом (7) выполнен коаксиальным цилиндрическим, при этом его внутренняя поверхность является продолжением кожуха (4). Между внутренними поверхностями кожуха (4), объема с дополнительным рабочим газом (7) и наружной поверхностью разрядной трубки (1) образуется коаксиальный канал, в который подается коаксиальный воздушный поток от осевого вентилятора (3), что обеспечивает равномерный обдув элементов радиатора (2) при минимальных потерях давления. Воздушный поток, организованный по данной схеме, симметричен относительно оси разрядной трубки (1) и обеспечивает равномерное температурное поле в ее поперечном сечении, что предотвращает возникновение изгибных температурных деформаций активного элемента. Использование радиатора (2) игольчатого типа, иглы которого равномерно размещены по поперечному сечению коаксиального воздушного потока (фиг. 2 и фиг.3), имеющего оптимальные характеристики по тепловому сопротивлению, обеспечивает эффективный отвод тепла от разрядной трубки (1). Иглы радиатора (2) могут быть смещены относительно оси разрядной трубки (1) и расположены под разными углами относительно направления распространения воздушного потока (фиг. 3), что позволяет эффективнее использовать его сечение и уменьшить влияние застойных зон. Для хорошего теплового контакта с поверхностью разрядной трубки (1) радиатор (2) выполнен из элементов небольшой протяженности. Улучшение массогабаритных и эксплуатационных характеристик лазера достигается за счет применения одного вентилятора (3) низкого давления, эффективного игольчатого радиатора (2) и выполнения отдельными элементами конструкции сразу нескольких функций. Например, объем с дополнительным рабочим газом (7) является также частью кожуха (4) и силовым каркасом. Изолятор-дефлектор (5) является изолятором высокого напряжения, дефлектором для изменения направления воздуха и элементом силового каркаса и т.д.

Работоспособность предлагаемого газового лазера с воздушным охлаждением была опробована на действующем макете. Разрядная трубка была выполнена на основе выпускаемой промышленностью заготовки из вакуумно-плотной керамики на основе окиси бериллия с минимальными доработками. При диаметре канала 15 мм и размере наружного шестигранника 20 мм трубка имела длину 1000 мм. На всех шести гранях разрядной трубки на теплопроводящей пасте типа КПТ - 8 были установлены элементы игольчатого воздушного радиатора (98 шт.). Основание каждого элемента имело сечение 11•45 мм, высота игл радиатора равнялась 30 мм. Диаметр игл изменялся от 5 мм у основания до 3 мм у конца. Разрядная трубка с элементами радиатора была закреплена внутри коаксиального цилиндрического объема с дополнительным рабочим газом емкостью около 1,5 литра и соединена с ним каналом с внутренним диаметром 4 мм для обмена газа. Кожух лазера имел внутренний диаметр 100 мм, конический изолятор - дефлектор был выполнен из полиамида, имел угол конуса 45^o и был установлен со стороны высоковольтного электрода разрядной трубки. Средство прокачки воздуха - осевой вентилятор ЭВ-1,25 имел потребляемую мощность 18 Вт и производительность ≈280 м³ /час при избыточном давлении 60 Па. Резонатор лазера был образован глухим сферическим (R ≈ 3 м) зеркалом из инвара, покрытого медью, и плоским полупрозрачным зеркалом из арсенида галлия с диэлектрическим покрытием с коэффициентом пропускания 20%. Рабочая смесь лазера имела состав: CO₂: N₂: Не: Xe= 1 : 1,6 : 5,4 : 0,8 при давлении 20 Торр. В экспериментах была получена выходная мощность лазера 38 Вт при температуре охлаждающего воздуха 25^oC. Мощность электрической накачки составляла при этом ≈280 Вт (U=9.4 кВ, I = 30 мА), что соответствовало КПД лазера ≈14 %. Укажем, что в сравнительных экспериментах модифицированный вариант серийной разрядной трубки CO₂ - лазера ГЛ - 501 с активной длиной 1 метр производства НПО "Исток" (г. Фрязино, РФ) позволял получить выходную мощность около 30 Вт при КПД лазера ≈12 % при температуре охлаждающей воды 8^oC. Таким образом показано, что в предлагаемом лазере эффективность воздушного охлаждения получается более высокой, чем при водяном охлаждении серийной стеклянной лазерной трубки. При испытаниях лазера с воздушным охлаждением в течении 3 месяцев получена высокая стабильность средней мощности и диаграммы направленности лазерного излучения.

С наибольшей эффективностью предлагаемый лазер с воздушным охлаждением можно использовать при его вертикальном расположении, когда для охлаждения может быть дополнительно использована естественная конвекция воздуха. Вентилятор при этом должен находится внизу, где его легче акустически развязать от резонатора лазера. При вертикальной компоновке разрядная трубка максимально разгружена от изгибных напряжений, возникающих от воздействия собственного веса конструкции и, следовательно, обладает максимальной надежностью, что особенно важно для мобильного варианта лазера, где воздушное охлаждение особенно ценно. Предлагаемое изобретение наряду с уже отмеченными выше преимуществами воздушного охлаждения: простотой конструкции, автономностью, малыми габаритами и весом, удобством в эксплуатации, - обладает свойством стабилизации средней мощности излучения лазера. Поскольку мощность излучения лазера связана с температурой стенки разрядной трубки, то застабилизировав ее температуру с помощью воздушного потока, мы тем самым стабилизируем параметры генерации. Причем время выхода на стабилизированный режим работы невелико, так как все элементы разрядной трубки и радиатора имеют небольшую теплоемкость и малое тепловое сопротивление.

Благодаря своим преимуществам, предлагаемый газовый лазер с воздушным охлаждением найдет широкое применение в лазерных системах, используемых в технологических целях, научных исследованиях, экологическом мониторинге и медицине.

Источники, принятые к рассмотрению
1. "Газоразрядная лазерная трубка". - Заявка Японии N 63-131588, МПК H 01 S 3/04 от 03.06.88.

2. В.Б. Беляев и В.М. Помитун, "Газовый лазер с воздушным охлаждением". - А.c. N 1778839 (СССР), МПК H 01 S 3/041, опубл. 30.11.92, Бюл. N 44.

3. William P. Kolb, Dale E. Crane, "Internal Mirror Laser", US Patent N 4625317, Int. Cl. H 01 S 3/097, Date of Patent: Nov. 25, 1986.

4. В.А. Волохов, Э.Е. Хрычиков, В.И. Киселев, "Системы охлаждения теплонагруженных радиоэлектронных приборов". - М.: Советское радио, 1975.

Изобретение относится к области квантовой электроники, преимущественно к газовым лазерам, и может быть использовано в электроразрядном СО₂-лазере. Сущность изобретения: газовый лазер с воздушным охлаждением включает установленную внутри ограничительного кожуха разрядную трубку из окиси бериллия с электродами и зеркалами резонатора, размещенный на ней радиатор охлаждения и средство прокачки воздуха. Лазер снабжен расположенным со стороны высоковольтного электрода и соединенным о кожухом изолятором, разрядная трубка соединена с изолятором и объемом с дополнительным рабочим газом, объем с дополнительным рабочим газом и средство прокачки установлены со стороны низковольтного электрода, а в прилегающей к изолятору части кожуха выполнены окна для выхода воздушного потока. Объем с дополнительным рабочим газом выполнен в виде коаксиального цилиндра, внутренняя поверхность которого составляет часть ограничительного кожуха. Кожух и объем с дополнительным рабочим газом выполнены из ковара. Средство прокачки воздуха содержит осевой вентилятор. Наружная поверхность изолятора выполнена в виде усеченного конуса, обращенного меньшим основанием к средству прокачки. Изолятор выполнен из окиси бериллия. Наружная поверхность разрядной трубки выполнена в виде правильного многогранника. Радиатор выполнен из элементов, длина которых вдоль разрядной трубки определяется эмпирическим соотношением А ≤ L • h/H, где L - длина, а h и Н - допустимая и реальная кривизна разрядной трубки на длине L соответственно. Радиатор выполнен игольчатым, иглы которого равномерно размещены по поперечному сечению воздушного потока. Технический результат состоит в улучшении массогабаритных и эксплуатационных характеристик лазера, повышении ресурса работы и упрощении конструкции газового лазера с воздушным охлаждением. 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Газовый лазер с воздушным охлаждением, включающий установленную внутри ограничительного кожуха разрядную трубку из окиси бериллия с электродами и зеркалами резонатора, размещенный на ней радиатор охлаждения и средство прокачки воздуха, отличающийся тем, что он снабжен расположенным со стороны высоковольтного электрода и соединенным с кожухом изолятором, разрядная трубка соединена с изолятором и объемом с дополнительным рабочим газом, объем с дополнительным рабочим газом и средство прокачки установлены со стороны низковольтного электрода, а в прилегающей к изолятору части кожуха выполнены окна для выхода воздушного потока. 2. Газовый лазер по п.1, отличающийся тем, что объем с дополнительным рабочим газом выполнен в виде коаксиального цилиндра, внутренняя поверхность которого составляет часть ограничительного кожуха. 3. Газовый лазер по пп.1 и 2, отличающийся тем, что кожух и объем с дополнительным рабочим газом выполнены из ковара. 4. Газовый лазер по пп.1 и 2, отличающийся тем, что средство прокачки воздуха содержит осевой вентилятор. 5. Газовый лазер по пп.1 - 4, отличающийся тем, что наружная поверхность изолятора выполнена в виде усеченного конуса, обращенного меньшим основанием к средству прокачки. 6. Газовый лазер по п.5, отличающийся тем, что изолятор выполнен из окиси бериллия. 7. Газовый лазер по пп.1 - 6, отличающийся тем, что наружная поверхность разрядной трубки выполнена в виде правильного многогранника. 8. Газовый лазер по п.7, отличающийся тем, что радиатор выполнен из элементов, длина которых вдоль разрядной трубки определяется эмпирическим соотношением A≤L•h/H, где L - длина, а h и Н - допустимая и реальная кривизна разрядной трубки на длине L соответственно. 9. Газовый лазер по п.8, отличающийся тем, что радиатор выполнен игольчатым, иглы которого равномерно размещены по поперечному сечению воздушного потока.