Способ и устройство охлаждения твердотельного лазерного активного элемента Российский патент 2024 года по МПК H01S3/42 

Изобретение относится к области лазерной техники, в частности к твердотельным лазерам, и касается способа охлаждения активного элемента лазера.

Известен [1] конвективный способ охлаждения стержнеобразного активного элемента (АЭ) из стекла или монокристаллического граната с введенными в него ионами редкоземельных элементов, например, неодима, основанный на обтекании боковой поверхности АЭ потоком жидкости.

Недостатком способа является неравномерность радиального распределения температуры при световой накачке АЭ, если он имеет достаточно большой диаметр, требуемый для получения высокой мощности лазерного излучения. Вследствие возникающих термооптических эффектов излучение лазера имеет высокую расходимость. Кроме того, способ неэффективен при непрерывной или высокочастотной импульсно-периодической работе мощного лазера.

Известен [2] способ охлаждения активного элемента путем механического перемещения среды, образующей АЭ, из области возбуждения (накачки) в область кондуктивного теплообмена с окружением. При этом область возбуждения помещают между зеркалами оптического резонатора. Конструктивно способ реализован в виде лазерного устройства, состоящего из:

- лазерной среды с кольцевым поперечным сечением (кольцевой среды) внутри оболочки, имеющей прозрачные стенки на концах;

- средств, определяющих зону резонатора в активной части кольцевой лазерной среды между указанными прозрачными стенками;

- средств для возбуждения активной части кольцевой лазерной среды в зоне резонатора и генерации инверсии населенностей в указанной активной части резонаторной зоны;

- средств для вращения указанной кольцевой среды так, что невозбужденную холодную часть среды вводят в зону резонатора, а возбужденную часть среды выводят оттуда для того, чтобы передать накопленное при возбуждении тепло окружению.

Недостатком способа охлаждения является его низкая эффективность, ограничивающая возможную подводимую мощность источников возбуждения активной части кольцевой лазерной среды.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемым способу и устройству является способ и устройство [3] конвективного охлаждения активного элемента в виде набора тонких параллельных пластин прямоугольной формы, разделенных узкими щелевыми зазорами, при поперечной прокачке жидкости через эти зазоры. Материал пластин - алюмоиттриевый гранат с неодимом (АИГ-Nd) и накачку производят излучением блоков лазерных диодов, подаваемым через окна во встречном направлении. Окна закрыты стеклами, имеющими поперечное сечение в форме клина с целью обеспечить падение рабочего лазерного излучения на границы раздела воздух-стекло и охлаждающая жидкость-материал пластин активного элемента под углом, близким к углу Брюстера. Прокачку охлаждающей жидкости (тяжелой воды D₂O) производят центробежным насосом по замкнутому контуру через теплообменник. Реализация этого способа охлаждения возможна при использовании других материалов АЭ, прозрачных для рабочего излучения лазера и содержащего добавки ионов редкоземельных элементов, например, фосфатное или силикатное стекло, лазерная керамика, полученная прессованием нанопорошков алюмоиттриевого граната или окиси иттрия с последующим спеканием заготовок.

Недостатком способа охлаждения является повышение температуры жидкости вдоль потока между пластинами, что приводит к возникновению оптического клина, искажающего волновой фронт лазерного излучения. Описан способ борьбы с клином, который состоит в организации течения в противоположных направлениях через два одинаковых АЭ в виде таких же наборов пластин, помещенных в один общий оптический резонатор [4].

Недостатком устройства при описанном способе является то, что конструкция устройства охлаждения приобретает повышенную сложность и увеличенные габариты.

Задачей изобретения является минимизация габаритных характеристик и уменьшение энергопотребления устройства охлаждения АЭ за счет обеспечения наилучших условий охлаждения твердотельного лазерного активного элемента способом одновременного перемещения через зону оптической накачки АЭ с организацией конвективного теплосъема охлаждающей жидкостью.

Поставленная задача решается тем, что в твердотельном лазерном активном элементе на основе прозрачного материала, легированного ионами редкоземельных элементов, состоящем из набора плоских параллельных пластин, разделенных щелевыми зазорами, через которые прокачивают поток охлаждающей жидкости, и возбуждаемым путем оптической накачки потоком излучения, пластины АЭ выполнены в форме круглых дисков с центральным отверстием, кроме крайней без отверстия, и собраны осесимметрично в пакет с щелевыми зазорами между пластинами, скрепленный в нескольких местах на периферии прокладками. Посредством крепления пластины без центрального отверстия пакет установлен на валу герметичного электропривода внутри замкнутого гидротракта, заполненного жидкостью, прозрачной для излучения накачки и рабочего лазерного излучения. При вращении вала электропривода и закрепленных на нем дисков происходит принудительная прокачка жидкости с расходом, который определяется высотой зазора между дисками, скоростью их вращения и свойствами жидкости (плотностью и кинематической вязкостью). Жидкость в зазорах приобретает окружную составляющую скорости, которая увеличивает кинетическую энергию, переходящую на выходе из зазора в потенциальную энергию давления жидкости. Окружная составляющая скорости жидкости возрастает с ростом радиального ее положения, но всегда меньше скорости вращения стенок щелевого зазора (дисков). Наряду с радиальной составляющей скорости это создает относительную скорость потока жидкости, ответственную за конвективный теплообмен. Таким образом, представленная структура является дисковым насосом со всеми присущими ему характеристиками течения прокачиваемой жидкости [5]. Область оптической накачки и генерации лазерного излучения в резонаторе ограничена в локальной зоне на площади дисков размерами поперечного сечения пучков излучения накачки, поэтому при вращении отработавшие нагретые участки активной среды дисков выводятся из зоны накачки, а свежие холодные участки в нее вводятся. При следовании через область, свободную от действия излучения накачки, нагретые части дисков охлаждаются потоком жидкости, движущимся относительно дисков. В составе замкнутого гидротракта имеется теплообменник, например, трубчатого типа, при обтекании которого нагретая жидкость (тяжелая вода) передает тепло обычной воде внешнего контура, текущей через трубы указанного теплообменника.

Реализующее указанный способ устройство охлаждения твердотельного лазерного активного элемента на основе прозрачного материала, легированного ионами редкоземельных элементов, состоящего из набора плоских параллельных пластин, разделенных щелевыми зазорами, включающее герметичный замкнутый гидротракт с теплообменником, заполненный прозрачной для излучения накачки и рабочего лазерного излучения жидкостью, устройство оптической накачки активного элемента встречными потоками излучения, устройство прокачки жидкости через щелевые зазоры по гидротракту, окна в корпусе гидротракта, закрытые стеклами в форме оптических клиньев, и оптический резонатор, включает пластины активного элемента, выполненные в форме круглых дисков с центральным отверстием, кроме крайней без отверстия, и собранные осесимметрично в пакет с щелевыми зазорами, скрепленный в нескольких местах на периферии прокладками, пакет установлен посредством крепления пластины без центрального отверстия на валу герметичного электропривода внутри гидротракта. На дисках сформированы, как минимум, две прямоугольные зоны накачки, расположенные диаметрально друг против друга. В корпусе гидротракта напротив зон накачки с двух сторон выполнены окна, закрытые стеклами из материала, оптически прозрачного для излучения накачки и рабочего лазерного излучения. Напротив окон в корпусе гидротракта расположены источники излучения накачки, например, блоки диодных лазеров, излучающие навстречу друг другу. Обе зоны накачки помещены в единый оптический резонатор, состоящий из концевых глухого и частично пропускающего зеркал, оптически сопряженных плоским зеркалом. Положение плоского зеркала по расстоянию от активного элемента и ориентация клинообразных стекол в окнах выбраны таким образом, чтобы обеспечить падение рабочего лазерного излучения в резонаторе на границы раздела пластина АЭ-жидкость и воздух-окно под углом, близким к углу Брюстера.

На фиг.1 показано размещение зон накачки на вращающихся дисках.

На фиг.2 показана комбинированная схема лазерного устройства (повернутое сечение А-А на фиг.1).

На фиг.3 показаны линии тока воды в зазоре относительно дисков, полученные усреднением скорости по высоте зазора (расчет).

Положение зон накачки на фиг.1 фиксировано в неподвижной системе координат, пакет дисков вращается согласно стрелке. Обозначения на фиг.1:

D0 - диаметр окружности, на которой расположены центры прямоугольных зон накачки;

D1, D2 - диаметр центрального отверстия и внешний диаметр диска соответственно;

а и b - размеры зоны накачки параллельно и перпендикулярно радиусу диска, проходящему через центр зоны.

Пакет дисков 1 (фиг.2) закреплен на валу 2 электропривода 3 через крайний диск без центрального отверстия. Все диски погружены в жидкость, заполняющую внутренний объем герметичного гидротракта 4, вал 2 электропривода 3 введен в гидротракт 4 через гермоузел 5, обеспечивая его вращение. В составе гидротракта имеется трубчатый теплообменник с перегородкой для формирования контура циклической прокачки жидкости, на фиг.2 не показанный. В корпусе гидротракта 4 напротив каждой зоны накачки на дисках по обе стороны пакета дисков 1 имеются окна 6, герметично закрытые стеклами, прозрачными для излучения накачки и рабочего лазерного излучения. Стекла в окнах 6 имеют форму оптических клиньев, угол падения рабочего лазерного излучения на границу раздела воздух-стекло близок к углу Брюстера. Рабочее лазерное излучение пересекает границы раздела материал дисковых пластин АЭ-жидкость также под углом, близким к соответствующему углу Брюстера. Оптический резонатор образован глухим зеркалом 7 и выходным зеркалом 8. Оптическое сопряжение между зеркалами 7 и 8 обеспечено плоским зеркалом 9. Излучение оптической накачки АЭ в зонах, показанных на фиг.1, изображено на фиг.2 основными пунктирными линиями, в представленном варианте его источниками являются блоки лазерных диодов 10. Рабочее лазерное излучение отображено тонкими линиями.

Линии тока жидкости в зазорах между дисками относительно стенок зазора (фиг.3) направлены в сторону, противоположную направлению вращения дисков, поскольку из-за вязкости средняя по высоте зазора окружная скорость жидкости меньше скорости движения стенок зазора (дисков). Относительная окружная скорость w_u, как и радиальная скорость ν_R при ламинарном течении жидкости в первом приближении обратно пропорциональна радиусу, на котором в данный момент времени находится рассматриваемый элементарный объем жидкости, что в результате справедливо для полной относительной скорости направленной по касательной к линии тока:

Здесь Q - объемный расход жидкости;

ν - ее кинематическая вязкость;

h - высота щелевого зазора между дисками;

ω - угловая частота вращения дисков;

R - текущий радиус;

С₁ - постоянная пропорциональности.

Предлагаемый способ охлаждения твердотельного лазерного АЭ реализуется при работе предлагаемого устройства следующим образом. При включенном излучении накачки и вращающемся пакете дисков АЭ в материале дисков, пересекшем границу зоны накачки, за счет поглощения излучения накачки ионами редкоземельного элемента (неодима) часть из них переходит в электронно возбужденное состояние и в оптическом резонаторе происходит вынужденное излучение на рабочей лазерной частоте. Другая часть возбужденных ионов теряет свою энергию в виде тепла, повышая температуру материала дисков. Если интенсивность излучения накачки одинакова по площади зоны, каждый элементарный объем материала диска накапливает поглощенную энергию линейно на своем пути от входа в зону накачки до выхода из нее с приростом температуры от некоторой начальной до максимальной. Если зона накачки имеет описанную выше прямоугольную конфигурацию, время прохода элементарного объема между входной и выходной границами зоны накачки пропорционально центральному углу, опирающемуся на соответствующую дугу:

Оно тем меньше, чем больше радиус. Поэтому максимальная температура нагрева при выходе из прямоугольной зоны накачки тем меньше, чем больше радиус. Кроме того, в пределах зоны накачки существует окружной градиент температуры вследствие указанного выше накопления поглощенной энергии в процессе движения через зону накачки. По выходе из зоны приток тепловой энергии прекращается и за счет теплопроводности и конвективной теплопередачи температура дисков АЭ снижается. Процесс теплопередачи является циклическим с установившимся полем температур в неподвижной системе координат. Тепло, принятое охлаждающей жидкостью, уносится в процессе прокачки дисковым насосом, который представляет описанная конструкция, и утилизируется в теплообменнике. Охлажденная жидкость возвращается на вход дискового насоса в порядке циркуляции. Эффективность конвективного охлаждения может увеличиваться путем повышения угловой скорости вращения дисков, поскольку, как видно из приведенной выше формулы, при этом возрастает составляющая относительной окружной скорости w_u и, как указывается в [5], пропорционально повышается радиальная скорость ν_R с соответствующим увеличением расхода охлаждающей жидкости Q. Ограничением является только нежелательный переход к турбулентному режиму течения при условии, что число Рейнольдса Re=0,8ωD₁h/ν охлаждающей жидкости на входе в щелевые зазоры будет более 1300 [5].

Оптическая схема резонатора компенсирует линейные составляющие неоднородности коэффициента преломления материала АЭ в области распространения рабочего лазерного излучения как в радиальном, так и в окружном направлениях за счет зеркального наложения эффектов термооптики.

Предлагаемый способ и устройство обеспечивают минимизацию габаритных характеристик и уменьшение энергопотребления устройства охлаждения АЭ за счет обеспечения наилучших условий охлаждения твердотельного лазерного активного элемента способом одновременного перемещения через зону оптической накачки АЭ с организацией конвективного теплосъема охлаждающей жидкостью.

Источники информации

1. А.А. Мак, Л.Н. Сомс, В.А. Фромзель, В.Е. Ящиин. Лазеры на неодимовом стекле. М., Наука, 1990, с. 121.

2. Патент США №4567597.

3. Xing Fu, Peilin Li, Qiang Liu and Mali Gong. 3kW liquid-cooled elastically-supported Nd:YAG multi-slab CW laser resonator. OSA Vol.22, No. 15 (2014). - прототип.

4. Jiayu Yi, Bo Tu, Xiangchao An, Xu Ruan, Jing Wui, Hua Su, Jianli Shang, Yi Yu, Yuan Liao, Haixia Cao, Lingling Cui, Qingsong Gao and Kai Zhang. 9 kilowatt-level direct-liquid-cooled Nd:YAG multi-module QCW laser. Optics Express, Vol.26, No. 11 (2018).

5. В.И. Мисюра, Б.В. Овсянников, В.Ф. Присняков. Дисковые насосы. М., «Машиностроение», 1986.

Изобретение относится к области лазерной техники в части твердотельных лазеров и касается способа охлаждения активного элемента (АЭ) лазера. Технический результат - минимизация габаритных характеристик и уменьшение энергопотребления устройства охлаждения твердотельного лазерного активного элемента за счет обеспечения наилучших условий охлаждения АЭ. Результат достигается тем, что предложен способ охлаждения твердотельного лазерного активного элемента на основе прозрачного материала, легированного ионами редкоземельных элементов, состоящего из набора плоских параллельных пластин, разделенных щелевыми зазорами, через которые прокачивают поток охлаждающей жидкости, и возбуждаемого путем оптической накачки потоком излучения, отличающийся тем, что оптическую накачку осуществляют в локальной зоне площади пластин активного элемента, при этом активный элемент перемещают поперек потока излучения оптической накачки. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ охлаждения твердотельного лазерного активного элемента на основе прозрачного материала, легированного ионами редкоземельных элементов, состоящего из набора плоских параллельных пластин, разделенных щелевыми зазорами, через которые прокачивают поток охлаждающей жидкости, и возбуждаемого путем оптической накачки потоком излучения, отличающийся тем, что оптическую накачку осуществляют в локальной зоне площади пластин активного элемента, при этом активный элемент перемещают поперек потока излучения оптической накачки.

2. Устройство охлаждения твердотельного лазерного активного элемента на основе прозрачного материала, легированного ионами редкоземельных элементов, состоящего из набора плоских параллельных пластин, разделенных щелевыми зазорами, включающее герметичный замкнутый гидротракт с теплообменником, заполненный прозрачной для излучения накачки и рабочего лазерного излучения жидкостью, устройство оптической накачки активного элемента встречными потоками излучения, устройство прокачки жидкости через щелевые зазоры по гидротракту, окна в корпусе гидротракта, закрытые стеклами в форме оптических клиньев, и оптический резонатор, отличающееся тем, что пластины активного элемента выполнены в форме круглых дисков с центральным отверстием, кроме крайней без отверстия, и собраны осесимметрично в пакет с щелевыми зазорами, скрепленный в нескольких местах на периферии прокладками, пакет установлен посредством крепления пластины без центрального отверстия на валу герметичного электропривода внутри гидротракта, корпус гидротракта имеет, как минимум, две пары окон, окна в каждой паре расположены по обе стороны пакета пластин, пары окон размещены диаметрально противоположно относительно оси вращения вала, одинаковые источники излучения накачки расположены напротив каждого окна в обеих парах окон и определяют две зоны накачки активного элемента, оптический резонатор состоит из глухого зеркала и частично пропускающего выходного зеркала, оптически сопряженных между собой плоским зеркалом так, что резонатор охватывает зоны накачки активного элемента между окнами в обеих парах.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что положение плоского зеркала по расстоянию от активного элемента и ориентация оптических клиньев стекол в окнах выбраны так, чтобы обеспечить падение рабочего лазерного излучения на границу раздела воздух-стекло и на границы раздела жидкость-материал пластин активного элемента под углом, близким к углу Брюстера в обеих зонах накачки.