Устройство охлаждения активного элемента твердотельного лазера

Устройство охлаждения активного элемента твердотельного лазера содержит активный элемент, расположенный в оболочке из оптически прозрачного теплопроводного материала, и металлические ламели, контактирующие с внешней стороной оболочки. Между активным элементом и оболочкой размещена оптически прозрачная прослойка, теплопроводность которой меньше теплопроводности оболочки и активного элемента, а в местах контакта оболочки и ламелей размещен термоинтерфейс. Технический результат - повышение качества кондуктивного охлаждения активного элемента с высокой теплопроводностью при боковой накачке. 1 ил.

 

Изобретение относится к твердотельным лазерам с диодной накачкой, в частности к элементам накачки и системам их охлаждения, и может быть использовано при изготовлении лазерной техники.

Известно изобретение под названием «Оптическая усилительная головка с диодной накачкой», патент РФ №2498467, МПК H01S 3/0933, 3/042, опубл. 2013 г., в котором описано устройство охлаждения активного элемента (АЭ) твердотельного лазера, содержащее активный элемент, расположенный в оболочке из оптически прозрачного теплопроводного материала. АЭ установлен в корпусе, вдоль его оптической оси расположены матрицы лазерных диодов (МЛД). Система охлаждения выполнена в виде двух независимых контуров: контура охлаждения АЭ и контура охлаждения МЛД с входным и выходным патрубками. Система охлаждения содержит сеть охлаждающих каналов, расположенных в корпусе и МЛД. Контур охлаждения АЭ содержит оболочку, которая охватывает АЭ с кольцевым зазором для прохождения теплоносителя, демпфирующие элементы в виде сильфонов, установленные на обоих торцах оболочки, фланцы, дополнительные входной и выходной патрубки с подводящими гибкими шлангами.

Охлаждение активного элемента осуществляется потоком жидкости вдоль активного элемента, омывающим активный элемент. Данное устройство позволяет обеспечить эффективное охлаждение активного элемента. Профиль температурного распределения внутри активного элемента является оптимальным (в идеальном случае обладающим симметрией вращения относительно оси активного элемента, форма температурных изолиний в сечении активного элемента представляет собой круг) и позволяет компенсировать возникающие термооптические искажения сравнительно простыми средствами.

Однако данное устройство имеет ряд недостатков, а именно: необходимо применение насоса для прокачки жидкости, шлангов для подвода теплоносителя, а в корпусе оптической головки предусмотреть патрубки для подачи теплоносителя в канал охлаждения активного элемента.

Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения, выбранным в качестве прототипа, является известное из а.с. РФ №1282790, H01S 3/04, опубл. в 1990 г., устройство охлаждения активного элемента, содержащее активный элемент, расположенный в оболочке из оптически прозрачного теплопроводного материала, и металлические ламели, контактирующие с внешней стороной оболочки.

Данное устройство применено в конструкции квантрона, который содержит плотно упакованные отражатель, лампы накачки и кондуктивно охлаждаемый активный элемент. Отражатель выполнен из материала с низкой теплопроводностью в виде двух частей, соединенный в месте касания металлическими ламелями, связанными с корпусом. При этом суммарная площадь поверхности ламелей и площадь отражателя связаны определенным соотношением, что позволяет повысить мощность излучения без снижения КПД и увеличения термооптических искажений.

Указанное устройство обеспечивает симметричный отвод тепла с двух противоположных участков поверхности активного элемента, тем самым уменьшая термооптические искажения. В процессе работы тепло, выделяемое в активном элементе, отводится через оболочку и ламели и передается корпусу. Уменьшение теплопритока от лампы накачки путем отвода тепла теплопроводностью через контакт к корпусу и поглощением излучаемой части тепла поверхностями отражателя с последующей отдачей корпусу позволяет повысить эффективность отражателя путем увеличения плотности упаковки, что обеспечивает повышение мощности излучения лазера.

Однако, поскольку активный элемент охлаждается через оболочку только в местах контакта оболочки с ламелями, профиль температурного распределения внутри активного элемента неоптимален. Такой способ охлаждения применим только при низкой теплопроводности материала активного элемента, например стекла, при малой средней мощности накачки, тем не менее искажения формы температурных изолиний все равно имеют место, хотя и локализованы ближе к поверхности, уменьшая полезную апертуру активного элемента.

В настоящее время лазерная техника широко использует активные элементы из кристаллов YAG, GSGG, GGG, YLF, которые обладают рядом преимуществ, позволяющих получать высокие мощности излучения. Одним из таких преимуществ является высокая теплопроводность кристаллов в сравнении со стеклами. Однако при данном способе охлаждения температурные изолинии в сечении активного элемента с высокой теплопроводностью имеют сложную форму, что вызывает оптические искажения, практически не поддающиеся компенсации обычной оптикой.

Задача, на решение которой направлено изобретение, - повышение качества кондуктивного охлаждения АЭ при боковой накачке.

Технический результат, получаемый при использовании предлагаемого технического решения, - обеспечение оптимального профиля температурного распределения в активном элементе.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве охлаждения активного элемента твердотельного лазера, которое содержит активный элемент, расположенный в оболочке из оптически прозрачного теплопроводного материала, и металлические ламели, контактирующие с внешней стороной оболочки, особенность заключается в том, что между активным элементом и оболочкой размещена оптически прозрачная прослойка, теплопроводность которой меньше теплопроводности оболочки и активного элемента, а в местах контакта оболочки и ламелей размещен термоинтерфейс.

Всей совокупностью перечисленных признаков обеспечивается равный тепловой поток по всей боковой поверхности активного элемента. Это дает возможность достичь оптимального профиля температурного распределения в активном элементе и, таким образом, решить задачу повышения качества кондуктивного охлаждения АЭ при боковой накачке. Все элементы, из которых создана конструкция предлагаемого устройства, известны из уровня техники и используются в нем с выполнением свойственных им функций. Однако данная комбинация удовлетворяет условию изобретательского уровня, так как решает известную задачу охлаждения активного элемента лазера при помощи нового средства, усиливающего охлаждающий эффект при боковой накачке. Кроме того, устройство охлаждения отличается простотой в изготовлении и использовании, а также универсально и подходит для охлаждения активного элемента в твердотельных лазерах с боковой диодной накачкой. Достигаемый изобретением технический результат превышает сумму технических результатов, получаемых от использования в изобретении каждой из составных частей данного устройства порознь.

При проведении анализа уровня техники, включающего поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявлении источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, не обнаружено аналогов, характеризующихся признаками, тождественными всем существенным признакам данного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа как наиболее близкого по совокупности существенных признаков аналога, позволило выявить совокупность существенных отличительных признаков от прототипа, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «новизна».

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию «изобретательский уровень» заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного устройства. В результате поиска не выявлены технические решения с этими признаками. На этом основании можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию «изобретательский уровень».

На чертеже представлен общий вид устройства охлаждения АЭ.

Устройство охлаждения АЭ твердотельного лазера содержит активный элемент 1, который расположен в оболочке 2, и металлические ламели 3. Между активным элементом и оболочкой размещена оптически прозрачная прослойка 4, теплопроводность которой меньше теплопроводности оболочки и АЭ. Металлические ламели 3 контактируют с внешней стороной оболочки 2 через термоинтерфейс 5. Оболочка 2 выполнена из оптически прозрачного теплопроводного материала.

Устройство работает следующим образом. При непрерывном режиме работы твердотельного лазера мощность тепловыделения АЭ достаточно высока, поэтому требуется его эффективное охлаждение, которое происходит следующим образом.

Тепло с боковой поверхности активного элемента 1 через прослойку 4 передается на теплопроводную оболочку 2. Далее по оболочке 2 тепло перетекает в ламели 3 и отводится посредством системы охлаждения, конвекцией и т.п. (в зависимости от конкретной конструкции лазера). Так происходит теплосъем с активного элемента. Оптимальный профиль температурного распределения в активном элементе достигается тем, что теплопроводность прослойки 4 между активным элементом 1 и оболочкой 2 существенно меньше теплопроводности оболочки, вследствие этого тепловой поток по всей боковой поверхности одинаков и слабо зависит от площади контакта металлических ламелей с внешней поверхностью оболочки. Форма изолиний в сечении активного элемента определяется в основном теплопроводностью и толщиной прослойки. Высокая теплопроводность оболочки обеспечивает минимальный градиент температур в оболочке. При этом разница температур в оболочке частично компенсируется прослойкой. Для повышения эффективности боковой накачки прослойка может быть выбрана с коэффициентом преломления, близким к коэффициенту преломления АЭ и оболочки.

Таким образом, представленные данные свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемого изобретения следующей совокупности условий:

- средство, воплощающее заявленное устройство при его осуществлении, предназначено для использования в электронной и оптико-механической промышленности при изготовлении лазерных устройств;

- для заявляемого устройства в том виде, в котором оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления.

Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию «промышленная применимость».

Устройство охлаждения активного элемента твердотельного лазера содержит активный элемент, расположенный в оболочке из оптически прозрачного теплопроводного материала, и металлические ламели, контактирующие с внешней стороной оболочки, отличающееся тем, что между активным элементом и оболочкой размещена оптически прозрачная прослойка, теплопроводность которой меньше теплопроводности оболочки и активного элемента, а в местах контакта оболочки и ламелей размещен термоинтерфейс.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к лазерной технике. Универсальный излучатель твердотельного лазера с безжидкостным охлаждением содержит резонатор, установленный жестко на основание, устройство накачки и теплообменный блок, содержащий термоэлектрические модули и теплообменники.

Изобретение относится к лазерной технике. Излучатель твердотельного лазера без жидкостного охлаждения с термостабилизацией диодной накачки содержит активный элемент, установленный в кольцах, термоинтерфейс и блок диодной накачки, состоящий из теплораспределителя с выступами, установленного жестко на посадочной поверхности, термоэлектрического модуля, расположенного между теплораспределителем и посадочной поверхностью, и линеек лазерных диодов, размещенных на выступах теплораспределителя равномерно относительно активного элемента и обращенных к нему излучающей частью.

Изобретение относится к лазерной технике. Квантрон твердотельного лазера с термостабилизацией диодной накачки содержит размещенные в корпусе в виде многогранника: активный элемент, матрицы лазерных диодов, расположенные вокруг и вдоль активного элемента равномерно, и систему охлаждения, выполненную в виде двух независимых контуров для охлаждения активного элемента и матриц, контур охлаждения активного элемента содержит трубку, охватывающую активный элемент с образованием кольцевого канала шириной δ, и входной, выходной коллекторы, из которых выходят каналы.

Изобретение относится к лазерной технике. Оптическая усилительная головка с контротражателем диодной накачки состоит из размещенных в корпусе активного элемента в виде стержня, элементов диодной накачки, расположенных равномерно вокруг и вдоль активного элемента на держателях, и системы охлаждения, содержащей трубку, охватывающую активный элемент с образованием кольцевого канала шириной δ, каналы в корпусе, каждом держателе и элементах накачки и входной и выходной коллекторы.
Изобретение относится к лазерной технике, а конкретнее к жидкостным охлаждающим средам (теплоносителям) (ЖТС) твердотельных лазеров (например, неодимовых или гольмиевых), являющимся одновременно светофильтром для ультрафиолетового (УФ) излучения лампы накачки лазера.

Изобретение относится к твердотельным лазерам с диодной накачкой, в частности к элементам накачки и системам их охлаждения. Оптическая усилительная головка с диодной накачкой состоит из размещенных в корпусе активного элемента в виде стержня, матриц лазерных диодов, расположенных на держателях вдоль активного элемента, и системы охлаждения, содержащей стеклянную трубку, охватывающую активный элемент с образованием радиального канала δ.

Изобретение относится к конструкции оптической накачки для оптического квантового генератора, которая содержит активную среду в виде цилиндрического стержня (1), имеющего круглое сечение, причем концы стержня введены в два кольца (11), выполненные из теплопроводного материала, по меньшей мере, три пакета (21, 22) небольших стержней диодов накачки, расположенных звездой вокруг стержня, опору (5) с регулировкой температуры посредством модуля (8) на основе эффекта Пельтье, причем кольца (11) находятся в контакте с опорой (5).

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к импульсно-периодическим твердотельным лазерам. .

Изобретение относится к твердотельным оптическим квантовым генераторам, в частности к системам их охлаждения, и может быть использовано при изготовлении лазерной техники.

Изобретение относится к лазерной технике. Универсальный излучатель твердотельного лазера с безжидкостным охлаждением содержит резонатор, установленный жестко на основание, устройство накачки и теплообменный блок, содержащий термоэлектрические модули и теплообменники.

Изобретение относится к лазерной технике. Излучатель твердотельного лазера без жидкостного охлаждения с термостабилизацией диодной накачки содержит активный элемент, установленный в кольцах, термоинтерфейс и блок диодной накачки, состоящий из теплораспределителя с выступами, установленного жестко на посадочной поверхности, термоэлектрического модуля, расположенного между теплораспределителем и посадочной поверхностью, и линеек лазерных диодов, размещенных на выступах теплораспределителя равномерно относительно активного элемента и обращенных к нему излучающей частью.

Изобретение относится к лазерной технике. Квантрон твердотельного лазера с термостабилизацией диодной накачки содержит размещенные в корпусе в виде многогранника: активный элемент, матрицы лазерных диодов, расположенные вокруг и вдоль активного элемента равномерно, и систему охлаждения, выполненную в виде двух независимых контуров для охлаждения активного элемента и матриц, контур охлаждения активного элемента содержит трубку, охватывающую активный элемент с образованием кольцевого канала шириной δ, и входной, выходной коллекторы, из которых выходят каналы.

Изобретение относится к лазерной технике. Оптическая усилительная головка с контротражателем диодной накачки состоит из размещенных в корпусе активного элемента в виде стержня, элементов диодной накачки, расположенных равномерно вокруг и вдоль активного элемента на держателях, и системы охлаждения, содержащей трубку, охватывающую активный элемент с образованием кольцевого канала шириной δ, каналы в корпусе, каждом держателе и элементах накачки и входной и выходной коллекторы.

Активный элемент лазера на парах щелочных металлов содержит камеру с активной средой и оптические окна, прозрачные для лазерного излучения. В стенках камеры установлены трубчатые концевые секции, отделяющие оптические окна от стенок.
Изобретение относится к лазерной технике, а конкретнее к жидкостным охлаждающим средам (теплоносителям) (ЖТС) твердотельных лазеров (например, неодимовых или гольмиевых), являющимся одновременно светофильтром для ультрафиолетового (УФ) излучения лампы накачки лазера.

Изобретение относится к твердотельным лазерам с диодной накачкой, в частности к элементам накачки и системам их охлаждения. Оптическая усилительная головка с диодной накачкой состоит из размещенных в корпусе активного элемента в виде стержня, матриц лазерных диодов, расположенных на держателях вдоль активного элемента, и системы охлаждения, содержащей стеклянную трубку, охватывающую активный элемент с образованием радиального канала δ.

Изобретение относится к конструкции оптической накачки для оптического квантового генератора, которая содержит активную среду в виде цилиндрического стержня (1), имеющего круглое сечение, причем концы стержня введены в два кольца (11), выполненные из теплопроводного материала, по меньшей мере, три пакета (21, 22) небольших стержней диодов накачки, расположенных звездой вокруг стержня, опору (5) с регулировкой температуры посредством модуля (8) на основе эффекта Пельтье, причем кольца (11) находятся в контакте с опорой (5).

Изобретение относится к переносным лазерным устройствам, в частности к ручным лазерным устройствам с непосредственным охлаждением комплекта стержня активного вещества лазера.

Изобретение относится к лазерной технике. Оптическая усилительная головка с диодной накачкой содержит размещенные в корпусе: активный элемент в виде стержня, матрицы лазерных диодов, расположенные равномерно на держателях, и систему охлаждения, содержащую трубку, охватывающую активный элемент с образованием кольцевого канала δ, каналы, расположенные в корпусе и каждом держателе, входной, выходной патрубки и выполненные в корпусе входной и выходной коллекторы, трубка выполнена из материала, прозрачного для излучения накачки. Система охлаждения выполнена в виде единого контура, а корпус оптической усилительной головки выполнен в виде цилиндра. Технический результат заключается в обеспечении возможности уменьшения гидравлического сопротивления системы охлаждения. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 8 ил.

Устройство охлаждения активного элемента твердотельного лазера содержит активный элемент, расположенный в оболочке из оптически прозрачного теплопроводного материала, и металлические ламели, контактирующие с внешней стороной оболочки. Между активным элементом и оболочкой размещена оптически прозрачная прослойка, теплопроводность которой меньше теплопроводности оболочки и активного элемента, а в местах контакта оболочки и ламелей размещен термоинтерфейс. Технический результат - повышение качества кондуктивного охлаждения активного элемента с высокой теплопроводностью при боковой накачке. 1 ил.

Наверх