72 РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ КВАНТОВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ - Страница 5

2.1.2. Тепловой расчет лазера

Энергетический КПД CO2-лазеров составляет η ≈ 12%, поэтому электрическая мощность, выделяющаяся в газовом разряде, может быть рассчитана по формуле

Pэл = Pвых /η.                                              (2.15)

Продольная напряженность электрического поля в разрядном канале пропорциональна давлению. По результатам экспериментальных исследований CO2-лазеров получено соотношение

Е ≈ 10р,                                             (2.16)

где p – давление в мм рт.ст., E – напряженность электрического поля в В/см.

Падение напряжения на разрядном канале

U = E ℓ.                                            (2.17)

Падение напряжения может составлять значительную величину – более 10 кВ. В этом случае желательно перейти к двухплечевой схеме питания (рис.П.2.3). В этом случае

U = 0,5E ℓ.                                       (2.17, а)

Ток разряда, А

I = Pэл /U.

Если по результатам расчета электрического режима будет установлено, что требуется источник питания более 15 кВ (даже при двухплечевой схеме), целесообразно накачку лазера осуществлять высокочастотным (ВЧ) электрическим разрядом. При проектировании лазера с ВЧ накачкой можно ограничиться только расчетом энерговклада.

Мощность излучения CO2-лазера падает с увеличением температуры, поэтому охлаждение лазера должно быть достаточно эффективным. Из-за относительно высоких значений погонной мощности, выделяющейся в разряде, применяется принудительное жидкостное, чаще всего водяное охлаждение. Вода является наиболее эффективным теплоносителем, но по условиям эксплуатации (необходимость работы в условиях отрицательных температур, необходимость электроизоляции токовводов и т.д.)  используют иногда другие жидкости. Эти случаи всегда оговариваются. Указывается также средняя температура рабочей жидкости TS. Если температура не задана, ее принимают равной 200С.

Выбирают, если не указан в задании, объемный расход охлаждающей жидкости V. При выборе объемного расхода следует учитывать, что наиболее доступный источник рабочей жидкости - водопроводная сеть, обеспечивающая подачу воды с производительностью 15 л/мин. В ряде случаев такой объемный расход оказывается избыточным. В этих случаях целесообразно принять V = 3…5 л/мин, тем более что гидродинамическое сопротивление каналов охлаждения газовых лазеров часто бывает недостаточным для прохождения потока с производительностью 15 л/мин.

Исходя из особенностей конструктивного исполнения, выбирают величину зазора δк (обычно δк = 2…4 мм) и протяженность Lк канала охлаждения.

Площадь поперечного сечения кольцевого канала системы охлаждения

Fк = πδк(Dк + Dб)/2,                                            (2.18)

Dк =  d +2δо - внешний диаметр оболочки разрядного канала, Dб = Dк + 2δк – внутренний диаметр рубашки охлаждения, δо – толщина стенок разрядного канала. Для канала из кварцевого стекла толщина стенок выбирается в пределах 2…3 мм, для керамического канала δо ≈ 5 мм.

В приборах с ВЧ накачкой канал системы охлаждения имеет прямоугольную форму, поскольку располагается на электродах системы накачки (рис.П.2.4). Ширина канала a принимается равной ширине электродов, а поперечный размер b – в пределах 2…3 мм. Для таких каналов

Fк = a b.                                                 (2.18, а)

Расчет теплоотвода выполняется по критериальным уравнениям, составленным в результате экспериментальных исследований и обработанных методами теории подобия.

Критерий Рейнольдса, определяющий скоростной режим движения жидкости,

Re = vdэф/ν,

где v = V/Fк - скорость движения теплоносителя, dэф- эффективный диаметр канала охлаждения, ν – коэффициент кинематической вязкости рабочей жидкости (табл. 2.4.).

В случае кольцевого канала dэф = 2δк.

Если канал прямоугольной формы - dэф=2ab/(a+b).

Расчет теплоотдачи выполняется по разным формулам в зависимости от степени турбулизации потока жидкости.

При Re > 10000 (устойчивый турбулентный режим)

Nu = 0,023 εlRe0,8Pr0,4.                                      (2.19)

При 2400 < Re < 10000 (переходной режим)

Nu = 0,023 εlkRe0,8Pr0,4.                                  (2.19, а)

При Re < 2200 (ламинарный режим)  Nu = 4,6.

Таблица 2.4

Теплофизические характеристики рабочих жидкостей

 

Жидкость

ТS, 0С

Плотность

γ, кг/м3

Коэф.

теплопров.

κж, Вт/(м град)

Коэф.

кинемат.

вязкости

ν·106, м2

Удельная

теплоемкость

Cp, Дж/(кг·град)

Pr

Вода

20

998

0,597

1,006

4183

7,03

40

992

0,627

0,659

4174

4,36

ПМС-5

20

911

0,124

5,146

1632

61,70

40

894

0,121

3,812

1631

58,02

ПМС-10

20

936

0,137

9,772

1538

102,68

40

919

0,134

7,292

1605

80,27

Этилен-гликоль

20

1117

0,249

19,18

2382

204,9

40

1101

0,256

8,69

2474

92,46

Примечание. Для приведения в соответствие геометрии системы охлаждения с характеристиками теплоносителя все линейные размеры системы охлаждения следует выражать в метрах.

В этих формулах  Pr – критерий Прандтля;  Nu =  - критерий Нуссельта; k – поправочный коэффициент переходного режима (табл.2.5); εl – поправочный коэффициент, учитывающий условия стабилизации скоростного режима (табл.2.6); κж– коэффициент теплопроводности жидкости; α – коэффициент теплоотдачи.

Таблица 2.5

Значения поправочного коэффициента k

Re

>10000

6000

5000

4000

3000

2500

2200

k

1

0,89

0,81

0,65

0,55

0,40

0,27

 

Таблица 2.6

Значения поправочного коэффициента εl

Lк/dэф

>50

40

30

20

15

10

5

2

εl

1,0

1,03

1,07

1,13

1,17

1,23

1,34

1,50

 

По результатам расчета критерия Нуссельта определяется коэффициент теплоотдачи

.                                             (2.20)

Зная величину коэффициента теплоотдачи, несложно определить температуру стенок канала охлаждения.

Если канал кольцевой формы,

Tк = TS +.                         (2.21)

В случае канала прямоугольной формы

Tк = TS +.                      (2.21, а)

Температура внутренней поверхности разрядного капилляра круглого сечения (накачка продольным разрядом)

,                                    (2.22)

где κс – коэффициент теплопроводности материала стенок разрядного капилляра (табл. 2.7).

Если накачка осуществляется поперечным ВЧ разрядом, охлаждаемая поверхность разрядного канала плоская. В этом случае температура внутренней стороны стенок канала

,             (2.22, а)

где h – расстояние между электродами ВЧ накачки (рис. П.2.4).

Таблица 2.7

Коэффициент теплопроводности материала оболочки

Материал

Коэффициент теплопроводности κс,

Вт/(м град)

Стекло кварцевое С5-1

1,4

Керамика ВК-94Б

13,4

Керамика бериллиевая

210

 

Температура газа при накачке продольным разрядом

.                                  (2.23)

В случае поперечной ВЧ накачки

.                                      (2.23, а)

В этих формулах κг – коэффициент теплопроводности газовой смеси.

Для смеси произвольного состава справедливо следующее выражение (уравнение Васильевой):

,                                             (2.24)

где κi – коэффициент теплопроводности данного компонента,

xi – доля i-го компонента в газовом составе,

,

где Mi –  массовое число молекулы,

μi – вязкость i-го компонента (табл.2.8). Расчет κг можно несколько упростить, если учесть, что

.

Таблица 2.8

Свойства основных компонентов газового состава CO2-лазера

Параметр

CO2

N2

He

M

44

28

4

κ, Вт/(м град)

0,0181

0,0273

0,157

Μ·107, Па·с

159,9

187,0

207,6

 

Если расчетное значение Tг окажется более чем на 200 отличающимся от значения температуры газа, принятой в начале расчета, все предыдущие этапы, начиная с определения давления газовой смеси (2.1), следует провести заново.

2.1.3. Элементы конструкции излучателя CO2-лазера

При конструировании излучателя СО2-лазера в первую очередь прорабатываются общая компоновка его элементов, форма и материал оболочки разрядного капилляра и балластного объема, а также конструкция юстировочных узлов и элементов системы охлаждения.

Среди материалов оболочки газовых лазеров традиционно первое место занимает стекло. Этот материал обладает высокими электроизоляционными свойствами, высокой вакуумной плотностью, прозрачен в широком диапазоне видимого спектра, имеет высокую коррозионную устойчивость. К тому же при нагреве до температур свыше 500 0С стекло приобретает пластичность и хорошо сваривается в системах стекло-стекло и стекло-металл, сохраняя при этом высокую вакуумную плотность. Все это позволяет изготавливать приборы очень сложной формы. Недостатками стекла являются его хрупкость при обычных температурах, невысокая теплопроводность и низкая термостойкость. Эти недостатки исключают возможность применения обычных сортов стекол в качестве материала оболочки мощных приборов. Исключением является кварцевое стекло, обладающее приемлемой термостойкостью и достаточной механической прочностью. Недостатками кварцевого стекла являются: высокая температура размягчения, высокая стоимость и сложность технологических циклов изготовления изделий на его основе. Кроме того, кварцевое стекло имеет очень низкий коэффициент термического расширения, что исключает возможность создания согласованных спаев с металлическими выводами, а это в свою очередь снижает вакуумную плотность металлостеклянных соединений.

Примером металлостеклянного варианта может служить конструкция излучателя из кварцевого стекла  (см. приложение 2, рис. П.2.2).

Рубашка охлаждения такого лазера располагается в промежутке между разрядным каналом и балластным объемом. Балластный объем сообщается с разрядным каналом через отверстие в одном из изоляторов электрического вывода.

На концах патрубка разрядного капилляра укреплены: с одной стороны окно (3), устанавливаемое под углом Брюстера, с другой  – глухое зеркало (8) с отражающим покрытием, напыляемым на кварцевую подложку. Выходное зеркало закрепляется на торцевой стороне специальной втулки пьезоэлектрического корректора (1). Окно, глухое зеркало и пьезокорректор соединены с оболочкой посредством клеевого компаунда К-400. Юстировка резонатора производится в процессе формирования клеевых соединений.

Пьезокорректор обеспечивает возможность перестройки лазера в пределах нескольких вращательных линий и автоматическую корректировку установленного режима по максимуму излучаемой мощности. В данном приборе используется биморфная конструкция в виде двух пьезоэлектрических пластин, соединенных таким образом, что при подаче управляющего напряжения возникает изгиб, который приводит к продольному перемещению полупрозрачного зеркала. Внешний диаметр пластин 38 мм, внутренний – 16 мм.

Электрические выводы системы накачки (5,5’) соединены с кварцевой оболочкой в виде несогласованных ленточных спаев. В стеклянном патрубке одного из выводов предусмотрено отверстие, сообщающее балластный объем с разрядным каналом.

Следующим вариантом конструктивного исполнения СО2-лазера является лазер в металлокерамическом исполнении (рис. П.2.3). Активный элемент с керамической оболочкой из вакуумной керамики ВК-94Б (прежнее название 22ХС) гораздо сложнее в изготовлении, но обеспечивает более высокие механические характеристики изделия. Вакуумноплотное соединение с металлическими деталями осуществляется в виде многоступенчатых спаев. Наиболее распространенным металлом для спая с керамикой ВК-94Б является сплав ковар (марка НК29К18), обладающий коэффициентом термического расширения, близким к КТР вакуумных стекол молибденовой группы и многих сортов керамики.

В рассматриваемом варианте металлокерамического прибора оба зеркала внутренние. Зеркала укрепляются на корпусе с помощью сильфонов. Юстировка зеркал осуществляется винтами.

Как и в металлостеклянном приборе, рубашка охлаждения и балластный объем расположены коаксиально с разрядным капилляром. Балластный объем сообщается с разрядным каналом с помощью двух патрубков, проходящих через рубашку водяного охлаждения. Эти же патрубки используются в качестве анодного вывода при двухплечевой схеме питания. Катодные выводы установлены симметрично на концевых участках разрядного капилляра. Во избежание электрических пробоев по поверхности оболочки между катодными выводами и корпусом балластного объема сформированы кольцевые изоляторы из эпоксидного компаунда.

Волноводные СО2-лазеры изготавливаются преимущественно в металлокерамическом исполнении (рис. П.2.4).

Одно из зеркал резонатора заменено дифракционной решеткой (1), обеспечивающей возможность плавной перестройки длины волны излучения в пределах контура усиления. Перемещение дифракционной решетки обеспечивается с помощью пакетов из пьезоэлектрической керамики (4). Для этой цели могут использоваться пъезоэлектрические пакеты промышленного выпуска ПП-4, выполненные в виде колец с внутренним диаметром 18 мм, внешним – 30 мм и толщиной 5,4 мм.

Из-за большого давления газовой смеси и малого диаметра разрядного канала напряжение зажигания разряда может оказаться недопустимо большим. В этом случае накачка может осуществляться поперечным ВЧ разрядом. Для установки электродов часть материала керамической оболочки сошлифовывают до образования плоских взаимно параллельных полосок заданной ширины. На этих полосках устанавливают электроды прямоугольной формы с полостями для охлаждающей жидкости.

Для юстировки резонатора в корпусе металлических втулок, на которых крепятся зеркало и дифракционная решетка, сделаны проточки. Юстировка производится специальным приспособлением, обеспечивающим изгиб втулок и соответствующие угловые перемещения зеркал относительно осевой линии разрядного канала. Если узел массивен (например, в случае применения дифракционной решетки), юстировка может осуществляться специальными винтами.

Герметизация разрядного канала в области дифракционной решетки обеспечивается применением диафрагмы.

 

3. ГЕЛИЙ-НЕОНОВЫЙ ЛАЗЕР

Гелий-неоновые лазеры относятся к категории маломощных излучателей. В зависимости от режима работы, конструкции и габаритов величина мощности составляет от десятых долей до десятков милливатт при КПД в пределах 0,001 - 0,1%.  Излучение этих лазеров по сравнению с лазерами других типов отличается наиболее высокой монохроматичностью, стабильностью частотных и пространственных характеристик. Поэтому, несмотря на небольшую мощность, гелий-неоновые лазеры нашли широкое применение в самых  различных  областях науки и техники: в системах связи, интерферометрии, метрологии, спектроскопии, медицине и т.д. Накачка активной среды лазера осуществляется с помощью тлеющего газового разряда.

Упрощенная схема нижних энергетических уровней атомов гелия и неона представлена на рис. 3.1. Стрелками обозначены процессы заселения и расселения энергетических уровней, играющие основную роль в механизме создания инверсии населенностей.

Верхними лазерными уровнями атомов неона являются состояния 2s и 3s, нижними - 2p и 3p. Каждому из s-состояний атомов неона соответствуют по 4 близко расположенных друг к другу энергетических подуровня.  Состояния 2р и 3р содержат по 10 подуровней. Наибольшие инверсии населенностей и, соответственно, мощности лазерного излучения достигаются на переходах a,b,c между уровнями 3s2-3p4, 3s2-2p4 и 2s2-2p4. Длины волн излучения при этом составляют: 3,39 мкм (a), 0,63 мкм (b) и 1,15 мкм (c).

В механизме создания инверсии населенностей между энергетическими уровнями указанных переходов определяющую роль играет гелий. Два нижних состояния 23S1 и 21S0 , на которые гелий может переходить в результате неупругих столкновений с быстрыми электронами (стрелки e на рис. 3.1),  по  величине  энергии  практически   совпадают  с  верхними лазерными уровнями 2s2 и 3s2 атомов неона. В результате при соударениях возбужденных атомов гелия с атомами неона в основном состоянии происходит эффективная передача энергии от гелия неону (стрелки С ) по схеме:

He* + Ne = Ne* + He,

обеспечивающая селективное заселение верхних лазерных уровней.

Верхние уровни 2s и 3s расселяются в результате излучательных переходов (a, b, c) в состояния 2р и 3р. Из этих состояний атомы неона излучательно переходят в состояние 1s (стрелки d, f). Наличие последнего является фактором, существенно ограничивающим  величину достижимого коэффициента усиления активной среды и, соответственно, генерируемой мощности.

Из-за относительно большой населенности состояния 1s, обусловленной низкой скоростью его расселения (она определяется скоростью диффузии атомов неона,  поскольку в основное состояние они  переходят в


основном при столкновениях со стенками разрядной трубки - стрелка D), существенную роль в заселении нижних уровней 2р и 3р играет процесс их ступенчатого возбуждения через состояние 1s. Скорость ступенчатого заселения пропорциональна квадрату тока. В результате при некотором его значении она превысит скорость заселения верхних уровней, возрастающую пропорционально току, и инверсия наcеленностей, соответственно коэффициент усиления и мощность лазерного излучения, достигнув максимальных значений, начнут уменьшаться.

Наиболее широкое практическое применение получили He-Ne лазеры, работающие на длине волны 0,63 мкм (красно-оранжевый диапазон видимого спектра). Эти лазеры наиболее полно исследованы и технологически отработаны. Все нижеприведенные сведения относятся к приборам этого типа. Следует отметить, что для получения генерации на линии 0,63 мкм необходимо подавить генерацию на линии 3,39 мкм. Оба перехода имеют общий верхний уровень, но коэффициент усиления на переходе a почти на два порядка больше, чем на переходе b. Для подавления излучения 3,39 мкм применяют интерференционные зеркала, обладающие избирательной отражающей способностью.