Лазер на солнечной накачке Советский патент 1993 года по МПК H01S3/09 

Изобретение относится к лазерной технике, конкретно к использованию солнечной энергии для прямой накачки лазеров солнечным излучением. Изобретение относится к лазерам, имеющим полосу накачки в области длин волн больших, чем длина волны, соответствующая максимуму спектрального распределения мощности солнечного излучения.

Известен лазер на солнечной накачке, состоящий из концентратора солнечного излучения и кюветы с рабочей средой лазера, снабженной оптическим резонатором и размещенной в фокальной плоскости концентратора. Недостатком известного устройства в применении к рассматриваемому типу лазеров является Низкая эффективность преобразовании энергии солнечного излучения в энергию излучения лазера в связи прежде всего с тем, что на спектральную область полосы накачки рабочей среды лазера приходится малая часть мощности солнечного излучения из-за значительного несовпадения максимума спектрального распределения мощности солнечного излучения и полосы накачки лазера, В случае накачки С02-лазера, накачиваемого по такой схеме, эта часть составила бы менее 10 ; : / Известен лазер на солнечной накачке, включающий концентраторi солнечного излучения, кювету, заполненную рабочей средой, оптический резонатор, размещенный по торцам кюветы и перёйзлучателй поглощенного концентрйроеанногй солнечного излучения в излучение накачки лазера, установленной в фокальной области концентратора между концентратором и ркнрИ кюветы для ввода излучения накачки в рабо чую среду лазера..;/;.. . Недостатком; этого лазера остаётся низкая эффективность преобразования энергии солнечного излучения в энергию излучения лазера, КПД Таких лазеров .составляет порядка 10. . Низкий КПД известноголазера.на солнечнойi накачке обусловлен в первую очередь тем, что нагретый до высокой температуры пёреизлуЧа- тель имеет большие потери излучения, связанные с тем, что со стороны освещаемой концентрированном потоком солнечного излучения имеют место значительные (до 50%) потери поглощенного излучений за счет излучения нагретой пластинй как чёрного fела, причём это излучение не попадает в рабочую среду лазера; со стороны, обращенной к окну кюветы, имеют место значительные потери излучения за счет тр- го, что характерная цЫрина спектраль його распределения теплового излучения пере- йзлучателя существенно превышает ширину поглощения рабочей среды. Кроме того, часть излучения, не участвующегЬ е накачке лазера, поступая через окно в кювету, нагревают рабочую среду, чтр также приводит к снижению мощности генерации и КПД лазера. .:;;,, - ;;; ;;;:;;:,:.;::; v . :,,. ;; х. . :.;уЛ

(. Целью изоёрётеймя является; повышу-; ниё эффективности преобразования энергии солнечногоизлучения в энергию злу енйя лазера/ - - л :/;,:.:;;-:-;.:;:; ;;--; . . Использование прёдложенногр спорб- ба приведет по сравнению с npofotHrjoM k 3-5-краТному увеличению эффективности преобразований ёнергйй солнечного излу ; чёнйя в лазерное, что позволит получить суммарный КПД лазера до 1 % (у прототипа теоретически достигаемый КПД на уровне 0,2-3,3%). л; .- -;-. -- -. Y

Сущность изобретения заключается в том. что в лазере/включающем концентрацию солнечного излучения, кюеету. запол0

5

0

5

0

S

о

5

0

5

ненную рабочей средой, оптический резот натор, размещенный по торцам кюветы и переизлучатель поглощенного концентрированного солнечного излучения в излучение накачки лазера, установленный в фокальной области концентратора между концентратором и окном кюветы для ввода излучения накачки в рабочую среду лазера, переизлучатель со стороны концентратора снабжен селективным покрытием с близким К нулк) коэффициентом отражения в области длин волн солнечного излучения и близким к единице коэффициентом отражения в области длин волн собственного излучения пёрейзлучателя, а со стороны кюветы - се- лективнйм покрытием, прозрачным в полосе накачки лазерной среды и имеющим близкий к единице коэффициент отражения в области длин волн, меньших коротковолновой границы полосы накачки и близкий к нулю коэффициент Отражения в области Длин волн, больших этой границы, а окно кюветы для ввода излучения накачки в лазерную среду снабжено селективным покрытием, прозрачным в прлосе накачки лазера: и имеющим близкий к единице коэффициент отражения в области длин волн, больших длинноволновой границы полосы накачки, и близкий к нулю коэффициент отражения в области длин волн, меньших этой ;границы ,:.,- ../.;.,:-.--.-.;;; ;- .--:-.. : .: ..-..

. Снабжение Поверхностей переизлуча- Тёйя и окна кюветы указанными селективными покрытиями позволяет при одинаковьтх мощностях излучений лазера снизить потребную мощность направляемого на

пёрёизлучатель концентрированного солнечного излучения, что равнозначно повышению эффективности преобразования энергии солнечного излучения в энергию излучения яазе1 Ш А;чЙ; Ш:. - 1::;:;:: : ;

,: ; flaфиг. 1 изображена ЬптИческаясхема предлагаемого лазера; На фиг. 2-4 - спект- ральныёХарактеристики покрытий поверх- нЬстей перёйэлучателя и окна кюветы

/л э расоответственно;;- ; . -С: ;;;-- .,-.. ;;..,. Лазер На солнечной накачке содержит последовательно установленные концентратор солнечного излучения 1., выполненный, например, в виде параболоида или параболОцилиндра с высоким коэффициентом Отражения солнечного излучения концентрирующей пЬверхностью, кювету 2, заполненную рабочей средой лазера, оптический резонатор 3, размещенный по торцам кюветы 2, переизлучатель 4 поглощенного концентрированного солнечного излучения в излучения накачки лазера, установленный в фокальной области концентратора 1 между концентратором 1 и.окном 5

кюветы 2 для ввода излучения накачки в рабочую среду лазера. Переизлучатель 4 выполнен в виде пластины из жаропрочного материала, например графита и снабжен со. стороны концентратора селективным покрытием 6 с близким к нулю коэффициентом отражения в области длин волн солнечного излучения и близким к единице коэффициентом отражения длин волн собственного излучения переизлучателя (см. фиг. 2), (такое покрытие может быть изготовлено на основе оптических покрытий Si02 + Pt + Si02 или + Mo + на молибденовой подложке), а со стороны кюветы 2 - селективным покрытием 7 (см. фиг. 3), прозрачным в полосе накачки лазерной среды и имеющим близкий к единице коэффициент отражения в области длин волн, меньших коротковолновой, границы полосы накачки, и близкий к нулю коэффициент отражения в области длин волн, больших этой границы.

Такое покрытие может изготавливаться например, на .основе золотого напыленного слоя с нанесенной поверх него пленкой SiO. Окно 5 кюветы 2 выполнено прозрачным в полосе накачки рабочей среды-, например, для С02-лазера - из флюрита бария (BaF2) и с наружной стороны снабжено селективным покрытием 8 (фиг. 4), прозрачным в полосе накачки лазера и имеющим близкий к единице коэффициент отражения в области длин волн, больших длинноволновой границы полосы накачки, и близкий к нулю коэффициент отражения в области длин волн, меньших этой границы.

Такое покрытие может быть изготовлено на основе известных технологий многослойных просветляющих оптических покрытий.. .

Устройство работает следующим образом.

Солнечное излучение, поступающее на отражающую поверхность концентратора концентрируется на поглощающей поверхности переизлучэтёля 4. Поглощающая поверхность, представляющая собой селективное покрытие-6, обеспечивает эффективное поглощение концентрированного солнечного излучения в спектральном диапазоне, соответствующем спектру солнечного излучения, и одновременно эффективное отражение в спектральном диапазоне собственного теплового излучения переизлучателя 4, находящегося при температуре, обеспечивающей, близкую к максимальной спектральную плотность мощности собственного теплового излучения, приходящейся на полосу накачки лазерной среды. Например, при использовании С02 лазера с характерной длиной

волны накачки 4,27 мкм оптимальным является диапазон рабочих температур переизлучателя 4 - 900-1200 К. При этом больше 90% энергии собственного излучения переизлучателя 4 приходится на диапазон длин волн Я 1,5-1,8 мкм. В то же время основная часть (более 90%) энергии солнечного излучения приходится на диапазон длин волн 2,0 мкм. Таким образом, характерная

граница Ai (см. рис. 2) для селективного покрытия 6 поглощающей поверхности переизлучателя 4 может в данном случае находиться в диапазоне длин волн 1,5 . AI 2,0 мкм.

Собственное тепловое излучение переизлучателя испускается преймущёс тв ённо селективной поверхностью 7 пёрейзлучате- ля 4, обращенной к лазерной кювете 5. При

этом для уменьшения потерь этой энергии рассматриваемое селективное покрытие должно обладать высокой отражающей способностью в диапазоне длин волн, меньших коротковолновой границы полосы накачки

лазерной среды. Для С02-лазера эта граница соответствует примерно 4,2 мкм. Таким образом,- характерная граница резкого изменения оптических свойств селективного покрытия 7 должна находиться в области

AI 4,2 мкм, максимально тесно примыкая к ней. В полосе накачки лазерной среды (4,,2 MKM)V селективное покрытие должно обладать высокой (близкой к 1,0) спектральной излучательной способностью.

Испускаемое переизлучателем 4 излучение поступает в лазерную среду через прозрачное в диапазоне накачки окно 5 кюветы 2. Для повышения эффективности преобразования энергии окно 5 кюветы 2 может быть-также снабжено селективным покрытием 8, характеризующимся высокой отражательной способностью в области длин волн, больших длинноволновой границы попосы накачки лазерной среды, Для зера эта граница Аз должна быть больше 4,4 мкм, максимально приближаясь к этому значению. При этом собственное тепловое излучение переизлучателя 4 в области длин

волн Аг А, Аз эффективно проникает через окно 5 кюветы 2 в лазерную среду и обеспечивает оптическую накачку лазера, тепловое излучение с А Аз эффективно отражается окном 5 кюветы 2 и преимущественно возвращается и поглощается поверхностью переизлучателя 4, вновь вовлекаясь в процесс накачки.

Лазерная среда при такой организации процесса накачки испытывает меньшее тепловое воздействие со стороны переизлучателя 4, меньше нагревается, что улучшает ее параметры генерации (снижение скорости паразитной релаксации). Одновременно

лазерной кюветы 2 системой ее охла ния.

Формирование и вывод излучения г рации лазера обеспечивается в попере

уменьшается тепловой поток, отводимый от 5 геометрии оптическим резонатором 3.

лазерной кюветы 2 системой ее охлаждения.

Формирование и вывод излучения генерации лазера обеспечивается в поперечной

Использование: лазерная техника, а именно накачка лазеров солнечным излучением. Сущность изобретения: лазер включает концентратор солнечного излучения, кювету, заполненную рабочей средой лазера, оптический резонатор, размещенный по торцам кюветы и переизлучатель поглощенного концентрированного солнечного излучения в излучение накачки лазера, установленный в фокальной области концентратора между концентратором и окном кюветы для ввода излучения накачки в рабочую среду лазера. Переизлучатель со стороны концентратора снабжен селективным покрытием с близким к нулю коэффициентом отражения в области длин волн солнечного излучения и близким к единице коэффициентом отражения в области длин волн собственного излучения переизлучателя, а со стороны кюветы - селективным покрытием, прозрачным в полосе накачки лазерной среды и имеющим близкий к единице коэффициент отражения в области длин волн, меньших коротковолновой границы полосы накачки, и близкий к нулю коэффициент отражения в об ласти длин волн, больших этой границы, а окно кюветы для ввода излучения накачки в лазерную среду снабжено селективным покрытием, прозрачным в полосе накачки лазера и имеющим близкий к единице коэффициент отражения в области длин волн, больших длинноволновой границы полосы накачки, и близкий к нулю коэффициент отражения в области длин волн, меньших этой границы. 4 ил. ел С ч ю CJ ел о N

Формула изобретения Лазер на солнечной накачке, включающий в себя концентратор солнечного излучения, кювету, заполненную рабочей средой, оптический резонатор, размещенный по торцам кюветы, и переизлучатель поглощенного концентрированного солнечного излучения в излучение накачки лазера, установленный в фокальной области концентратора между кон центратором и окном кюветы для ввода излучения накачки в рабочую среду лазера, о тли ч а ю щ и и с я тем, что; с целью повышения эффективности преобразования энергии солнечного излучения в энергию излучения лазера, переизлучатель со стороны концентратора снабжен селективным покрытием с близким к нулю коэффициентом отражения в области длин волн солнечного излучения и близким

к единице коэффициентом отражения в области длин волн собственного излучения переизлучателя, а со стороны кюветы - селективным покрытием, прозрачным в полосе накачки лазерной среды и имеющим близкий к единице коэффициент отражения в области длин волн, меньших коротковолновой границы полосы накачки, и близкий к нулю коэффициент отражения в области длин волн, больших этой границы, а окно кюветы для ввода излучения накачки в лазерную среду снабжено селективным покрытием, прозрачным в полосе накачки лазера и имеющим близкий к единице коэффициент отражения в области длин волн, больших длинноволновой границы полосы накачки, и близкий к нулю коэффициент от: ражения в области длин волн, меньших этой границы,

0/7700Ж. С/ТЯёдЯм

afj. т)

ог уЬ 4/Лз -Я

йй.