УСТРОЙСТВО ОХЛАЖДЕНИЯ АКТИВНОГО ЭЛЕМЕНТА ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ЛАЗЕРА
COOLING DEVICE OF ACTIVE ELEMENT OF SOLID-STATE LASER

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».