ЖИДКОСТНЫЙ ЛАЗЕР
LIQUID LASER

Предлагаемое изобретение относится к области квантовой электроники, а именно к устройствам для генерации и усиления лазерного излучения с использованием жидких активных сред (ЖАС), в том числе для замкнутых не прокачиваемых объемов.
Известен лазер [1], содержащий активный элемент (АЭ) трубчатой формы, часть которого размещена в рабочей зоне оптического резонатора. При вращении АЭ вокруг собственной оси его часть, отработавшая после очередного акта излучения, выходит из зоны генерации, а ее место занимает другая часть АЭ, находившаяся в момент генерации в теневой не подверженной возбуждению зоне, после чего цикл генерации повторяется. В процессе перемещения по кругу в теневой зоне ранее нагретые части АЭ охлаждаются, а в случае ЖАС еще и перемешиваются. Известное техническое решение позволяет увеличивать частоту следования импульсов, среднюю и удельную мощность жидкостного лазера (ЖЛ), а также однородность лазерного излучения в поперечном сечении, однако увеличение первых двух параметров ограничено значением, равным отношению длины окружности трубчатого АЭ к ширине зоны возбуждения, и технологическими возможностями, а невысокая однородность лазерного излучения связана с отсутствием симметрии геометрических параметров сечения АЭ в зоне генерации лазера.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому жидкостному лазеру является лазер с газообразной активной средой (АС), объем которой состоит из активной части в зоне генерации и пассивной части вне зоны [2]. Известный лазер содержит герметичный корпус, АС, источник накачки, теплообменник с хладагентом, средства циркуляции АС и хладагента, оптический резонатор, между зеркалами которого установлен корпус с выходными окнами, прозрачными для излучения генерации. Внутри корпуса размещены упомянутые АС и теплообменник с хладагентом, связанный с окружающим пространством через впускной и выпускной каналы с возможностью оперативной замены хладагента. Одно средство циркуляции выполнено с возможностью циркуляции АС по замкнутому контуру внутри корпуса. АС, нагретая в зоне генерации после очередного импульса излучения, перемещается с помощью средства циркуляции в теневую зону, проходит через теплообменник, охлаждается и по замкнутому контуру направляется опять в зону возбуждения, размещенную между выходными окнами. Через впускной и выпускной каналы обеспечивается циркуляция хладагента по теплообменнику и отвод тепла в окружающее пространство нагретой разрядом источника накачки АС. Известное техническое решение позволяет увеличивать частоту следования импульсов, среднюю и удельную мощности лазерного излучения, а также однородность лазерного излучения в поперечном сечении, но имеет недостатки.
- Увеличение частоты следования импульсов генерации, а также средней и удельной мощностей излучения ограничено, так как при использовании газообразных АС их активные объемы, как правило, значительны из-за низкой концентрации активного вещества. В связи с этим удельная мощность излучения невелика, а скорость перемещения АС и производительность средства циркуляции должны быть достаточно высокими, чтобы за время паузы успеть удалить из зоны генерации отработавшую и нагретую активную часть АС. Верхний предел скорости перемещения АС и производительность средства циркуляции ограничены технологическими возможностями.
- При недостаточной скорости перемещения АС в момент генерации последующего импульса в зоне генерации присутствуют вновь поступившая «холодная» и неудаленная нагретая предыдущим импульсом генерации части АС. Наличие слоев АС с различными температурами и разными, по этой причине, коэффициентами преломления приводит к неоднородности в сечении лазерного излучения. Увеличение скорости циркуляции АС уменьшает время полной замены частей АС с разными температурами в зоне генерации, однако создает неоднородности, связанные с переходом в режим турбулентных течений АС, и также ухудшает однородность лазерного излучения в поперечном сечении.
Технический результат предлагаемого жидкостного лазера (ЖЛ) заключается в следующем:
- в увеличении частоты следования импульсов;
- в увеличении средней и удельной мощности лазерного излучения;
- в улучшении однородности лазерного излучения в поперечном сечении.
Предлагаемый ЖЛ содержит герметичный корпус, жидкую активную среду (ЖАС), по крайней мере, два источника оптической накачки, теплообменник с хладагентом, средства циркуляции ЖАС и хладагента, оптический резонатор, между зеркалами которого установлен корпус. Выходные прозрачные для излучения генерации окна корпуса расположены напротив зеркал резонатора. Внутри корпуса размещены ЖАС, объем которой состоит из активной части в зоне генерации и пассивной части вне зоны, и теплообменник с хладагентом, связанный с окружающим пространством через впускной и выпускной каналы. На корпусе по обе стороны активной части объема ЖАС размещены входные окна, а напротив них установлены, по крайней мере, по одному источнику оптической накачки с одинаковой интенсивностью и возможностью их синхронного излучения. Размер между входными окнами не превышает двукратного расстояния в ЖАС, на котором интенсивность накачки одного из источников снижается вдвое, а ее минимальная суммарная интенсивность от всех источников - не ниже порога возбуждения ЖАС. Теплообменник выполнен из материала с хорошей теплопроводностью в виде двух герметично установленных перегородок, снабженных полыми ребрами охлаждения и размещенных по обе стороны от зоны генерации. Во внутренних полостях упомянутых ребер размещена пассивная часть объема ЖАС, а во внешних полостях размещен хладагент. В каждую перегородку введен дополнительный канал: в одну - впускной, а в другую - выпускной. Впускной и выпускной каналы на корпусе выполнены с возможностью оперативной замены хладагента. Впускной и выпускной каналы на перегородках выполнены с возможностью оперативной замены ЖАС. По крайней мере, одно средство циркуляции выполнено с возможностью циркуляции ЖАС и хладагента по замкнутому контуру внутри корпуса в виде ультразвуковых излучателей (УЗИ), из которых не менее двух функционально связаны с источниками оптической накачки и размещены взаимно противоположно и со смещением относительно друг друга вдоль ребра, с возможностью излучения в направлении активной части объема ЖАС вдоль плоскости ребер соответствующей перегородки в паузах между очередным и последующим импульсами генерации так, что фронты ультразвуковых излучений направлены навстречу, смещены относительно друг друга и не пересекаются, и еще, по крайней мере, по одному УЗИ установлено с возможностью непрерывного излучения в направлении к плоскости ребра каждой перегородки вдоль границы между активной и пассивной частями объема ЖАС.
Увеличение частоты следования импульсов и удельной мощности излучения генерации происходит за счет уменьшения объема активной части ЖАС путем увеличения ее концентрации в зоне генерации.
Увеличение средней мощности происходит за счет улучшения эффективности охлаждения ЖАС теплообменником, конструкция которого позволяет максимально сократить время теплообмена.
Улучшение однородности лазерного излучения в поперечном сечении обеспечивается за счет конструктивных особенностей ЖЛ, благодаря симметричному, равноинтенсивному и синхронному возбуждению ЖАС источниками оптической накачки, а также режима работы средств циркуляции, позволяющего устранить возмущения активной части ЖАС в момент генерации.
В случае, когда хладагент жидкий, то УЗИ установлены на стенках корпуса снаружи. Поскольку потери ультразвука (УЗ) при переходе из твердого вещества в жидкое и из жидкого в твердое незначительны, то в этом случае обеспечивается более эффективный теплообмен ЖАС и хладагента.
В случае, когда хладагент газообразный, то УЗИ установлены на перегородках внутри корпуса, поскольку потери УЗ при его переходе из газообразной среды в твердую и жидкую значительны.
Для обеспечения заданного режима работы ультразвуковые излучатели функционально связаны с источником накачки, например, через синхронизатор.
Для обеспечения максимальной скорости отвода тепла из зоны генерации основание каждого ребра охлаждения одной из перегородок размещено напротив паза между ребрами другой. В этом случае нагретая предыдущим импульсом генерации активная часть ЖАС перемещается, при воздействии ультразвука, в полости между ребрами противоположной перегородки, расположенные напротив УЗИ, по кратчайшему расстоянию и за минимальное время.
Для снижения времени теплообмена ЖАС в паузах между импульсами генерации лазерного излучения величина объема пассивной части ЖАС должна быть не меньше величины объема ее активной части. В этом случае полная замена нагретой предыдущим импульсом генерации активной части ЖАС происходит за один цикл перемещений и минимальное время.
Для повышения эффективности перемещения активной и пассивной частей ЖАС каждый из функционально связанных ультразвуковых излучателей установлен перпендикулярно общей условной плоскости, проходящей через их оси симметрии вдоль ребра, при этом начало паузы, в течение которой УЗ воздействует на ЖАС, соответствует концу очередного импульса генерации, а окончание опережает начало последующего импульса генерации на время, необходимое, по крайней мере, для однократного прохождения УЗ между стенками корпуса, на которых установлены упомянутые УЗИ, в случае жидкого хладагента или перегородками в случае газообразного хладагента. В этом случае потери ультразвука на переотражения в полостях ребер и перемещения ЖАС минимальны, а время допустимого эффективного взаимодействия с активной частью ЖАС максимально.
Канал каждой перегородки максимально удален от зоны генерации, проходит через все ее ребра и связан с ними через отверстия, что ускоряет замену ЖАС, предотвращает образование воздушных пузырей и улучшает эффективность теплообмена.
Сущность изобретения поясняется чертежом.
На чертеже представлены схематически три проекции сечений ЖЛ с жидким хладагентом.
На выносном элементе I (см. чертеж) представлен схематически фрагмент возможного размещения УЗИ для ЖЛ с газообразным хладагентом.
Корпус 1 с выходными окнами 2, прозрачными для излучения генерации 3, и входными окнами 4, прозрачными для излучения накачки 5, расположен выходными окнами 2 между зеркалами 6 оптического резонатора.
Объем ЖАС состоит из активной части 7 в зоне генерации и пассивной части 8 вне зоны. По одному источнику оптической накачки 9 установлено напротив соответствующих входных окон 4. Излучение 5 источников 9 направлено через окна 4 в активную часть 7 ЖАС навстречу друг другу. УЗИ 10 установлены на стенках корпуса 1 в случае жидкого хладагента 11 или на перегородках 12, 13 в случае газообразного хладагента 11. УЗИ 10 имеют, по крайней мере, функциональную связь с источниками накачки 9, например, через синхронизатор 16. Внутри корпуса 1 по обе стороны от зоны генерации (активной части 7 ЖАС) герметично установлены перегородки 12, 13, выполненные из материала с хорошей теплопроводностью и снабженные полыми ребрами охлаждения 14, 15. Во внутренних полостях ребер 14, 15 размещена пассивная часть 8 ЖАС, а во внешних полостях - хладагент 11. Впускной канал 17 и выпускной канал 19 предназначены для оперативной замены хладагента 11 и размещены на корпусе 1. Впускной канал 18 и выпускной канал 20 предназначены для оперативной замены ЖАС, через стенки корпуса 1 размещены на ребрах 15, 14 перегородок 13, 12 соответственно и связаны с ребрами гидравлически через отверстия 22. УЗИ 21 установлены на корпусе 1, если хладагент жидкий, или на ребрах 14, 15 перегородок 12, 13, если хладагент газообразный. Позиция 23 показывает границы между активной и пассивной частями ЖАС.
ЖЛ работает следующим образом. Через впускные каналы 17, 18 в соответствующие полости корпуса 1, образованные перегородками 12, 13, поступает ЖАС и хладагент 11. Одновременно с источниками оптической накачки 9 включают УЗИ 21, которые непрерывно излучают ультразвук в направлении к плоскости соответствующего ребра перегородок 12, 13 вдоль границ 23 между активной 7 и пассивной 8 частями ЖАС. По сигналу синхронизатора 16 источники оптической накачки 9 формируют излучение 5, которое через входные окна 4 возбуждает активную часть 7 ЖАС. По мере прохождения излучений накачки 5 через активную часть 7 ЖАС от каждого из источников 9 их интенсивность падает, в результате чего возникает неоднородность возбуждения ЖАС в сечении зоны генерации и, как следствие этого, возникает неоднородность по сечению лазерного излучения. Однако при одновременном синхронном воздействии излучений накачки 5 с одинаковой интенсивностью от двух или более источников 9 во встречно-противоположных направлениях неоднородность возбуждения активной части 7 уменьшается. Если размер между окнами 4 не превышает двукратного расстояния в ЖАС, на котором интенсивность излучения накачки 5 одного из источников 9 уменьшается вдвое, и при этом минимальная суммарная интенсивность от обоих источников 9 не ниже порога возбуждения ЖАС, неоднородность возбуждения, а значит и неоднородность излучения генерации 3 в поперечном сечении будут минимальными. В зоне генерации (активная часть 7 ЖАС) между зеркалами 6 формируется импульс генерации лазерного излучения 3, после которого следует пауза. Во время паузы по сигналу синхронизатора 16 от УЗИ 10 через стенки корпуса 1, если хладагент жидкий, или через перегородки 12, 13, если хладагент газообразный, в направлении активной части 7 ЖАС поступает ультразвуковое излучение. Под воздействием ультразвука происходит интенсивное перемещение частей 7 и 8 объема ЖАС: активной части 7 - в полость ребер по направлению от соответствующего УЗИ 10 и пассивной части 8 - в зону генерации, а также перемешивание и теплообмен между частями ЖАС 7 и 8 с различной температурой. Аналогичные процессы теплообмена происходят и с хладагентом 11 во внешних полостях ребер 14, 15. Моменты включения и выключения УЗИ 10 регулируют с помощью синхронизатора 16. Синхронизатор 16 обеспечивает согласованную работу источников накачки 9 и УЗИ 10, излучающих в направлении активной части 7 ЖАС. Момент включения УЗИ 10 соответствует концу очередного импульса генерации, а выключение УЗИ 10 соответствует опережению начала последующего импульса генерации лазерного излучения на время, необходимое, по крайней мере, для однократного прохождения ультразвуком расстояния от стенки корпуса 1, на которой установлен УЗИ 10, до противоположной стенки корпуса 1 (если хладагент жидкий) или между перегородками 12, 13 (если хладагент газообразный). УЗИ 10 обеспечивает циркуляцию ЖАС в пазах между ребрами 14, 15 перегородок 12, 13 и активизирует теплообмен ее частей: активной 7 и пассивной 8, а также пассивной 8 и хладагента 11 в паузах между импульсами генерации. ЖАС 21 активизирует теплообмен между пассивной частью 8 ЖАС и хладагентом непрерывно, не возмущая при этом активную часть 7 и не нарушая ее однородности при генерации. Процесс охлаждения усиливается одновременным воздействием УЗ излучения и на пассивную часть 8 ЖАС, и на хладагент 11, находящиеся в этот момент времени в полостях ребер 14, 15, так как под воздействием УЗ, за счет увеличения массообмена в слое контакта жидкости и стенки ребра, увеличивается толщина слоя эффективного теплового взаимодействия с обеих сторон стенки ребра. Благодаря совместному действию УЗИ 10 и УЗИ 21 увеличивается частота следования импульсов, средняя мощность и однородность в поперечном сечении лазерного излучения 3. Концентрация ЖАС может быть высокой (на 8-10 порядков выше, чем в газообразной АС), что позволяет максимально уменьшить геометрические размеры ее активной части 7 и увеличить удельную мощность излучения. Эффективность теплообмена может быть дополнительно увеличена непрерывной или периодической заменой ЖАС через каналы впускной 18 и выпускной 20.
-5
3
3
2
Экспериментальная проверка предлагаемого ЖЛ произведена на макете. Разборный корпус 1 из алюминия размером 42×30×30 мм с входными 4 и выходными 2 окнами, выполненными из стекла К-8, установлен выходными окнами между плоскими диэлектрическими зеркалами 6 резонатора с коэффициентами отражения 0,97 и 0,45. Внутри корпуса 1 между перегородками 12, 13 размещен раствор ЖАС. В качестве ЖАС использован этанольный раствор родамина 6Ж с концентрацией 4·10 моль/л. Активная часть ЖАС в зоне генерации имеет размеры 2×5×14 мм и соответствующий им объем 0,14 см. Объем пассивной части ЖАС составляет около 1,7 см. Алюминиевые перегородки 12, 13 с полыми ребрами охлаждения 14, 15, ориентированными вдоль направления генерации излучения 3, имеют общую площадь около 38 см. Ширина паза внутренней полости ребер - 1 мм и толщина стенки ребра - 0,5 мм. В качестве хладагента 11 использована водопроводная вода. Скорость циркуляции воды через впускной 17 и выпускной 19 каналы составляет около 1 л/мин. Впускной 18 и выпускной 20 каналы используются только для заливки ЖАС и удаления воздушных пузырей. Источником накачки 9 служит лазер ЛГИ-511 с параметрами: длина волны лазерного излучения 337 нм, импульсная мощность 30 кВт, средняя мощность до 240 мВт, длительность импульса 8 нс и максимальная частота следования импульсов до 1000 Гц. Для обеспечения двухсторонней равноинтенсивной синхронной накачки использован оптический делитель с системой формирования излучения накачки, в котором дополнительные потери составили около 12%. Необходимая концентрация ЖАС определяется путем сравнения интенсивностей излучения накачки в два этапа: 1 - при отсутствии в зоне генерации ЖАС; 2 - при наличии ЖАС. При каждом измерении излучение накачки вводится со стороны одного входного окна и регистрируется на выходе противоположного входного окна корпуса 1. УЗИ 10 установлены на верхней и нижней стенках корпуса симметрично со смещением относительно друг друга в направлении вдоль ребра и излучают ультразвук в паузах между импульсами накачки. Согласованную работу источника накачки 9 и УЗИ 10 обеспечивает синхронизатор 16. Момент выключения УЗИ 10 соответствует опережению начала генерации следующего импульса генерации ЖЛ на 40 мкс и выбран на основании справочных данных для скорости УЗ в этаноле и конструктивных размеров корпуса 1.
УЗИ 21 установлены на боковой стенке корпуса по обе стороны от одного из входных окон 4 и излучают ультразвук в направлении к плоскости ребер соответствующих перегородок 12, 13 в непрерывном режиме. В качестве УЗИ применены таблетки из пьезокерамики диаметром 15 мм и резонансной частотой 500 кГц общей для всех УЗИ. Питание УЗИ 10 и УЗИ 21 осуществляется от четырехканального генератора с выходной мощностью каждого канала 20 Вт и независимой настройкой на резонансную частоту.
Измерения параметров лазерного излучения производились: энергетических - с помощью ИМО-2Н, пространственных - с помощью анализатора профиля лазерного пучка с камерой FX50 и размерами матрицы 6,5×4,9 мм.
Испытания проводили в трех режимах: 1 - без воздействия ультразвука на ЖАС; 2 - с воздействием ультразвука от двух УЗИ 10 в паузах между импульсами генерации; 3 - с одновременным воздействием двух УЗИ 10 и двух УЗИ 21. Критерием отклонения от нормы параметров излучения генерации при изменении частоты следования импульсов служил уход линейной зависимости изменений интенсивности лазерного излучения от интенсивности накачки на величину более 50%.
Проведенные измерения параметров ЖЛ показали:
- в режиме 1 максимальная частота следования импульсов составила 20 Гц, а средняя мощность составила 0,5 мВт;
- в режиме 2 максимальная частота следования импульсов составила 200 Гц, а средняя мощность составила 5,2 мВт;
- в режиме 3 максимальная частота следования импульсов составила 1000 Гц, а средняя мощность составила 29,6 мВт.
Таким образом, частота следования импульсов в 3-м режиме увеличилась в 40 раз по отношению к 1-му и в 5 раз по отношению ко второму, а средняя мощность лазерного излучения увеличилась соответственно в 59,2 раза и в 5,69 раз.
3
3
3
Удельная мощность лазерного излучения в третьем случае составила: 29,6: 0,14=211,4 мВт/см. Тогда как для лазера ЛГИ-511, используемого в качестве источника накачки, с максимальной средней мощностью 240 мВт и активной частью объема АС около 20 см удельная мощность излучения составляет около 12 мВт/см.
Экспериментальная проверка однородности лазерного излучения в поперечном сечении проводилась при одностороннем и двухстороннем возбуждении активной части 7 ЖАС без зеркал 6 резонатора путем проецирования излучения люминесценции с одного из выходных окон 2 корпуса 1 на матрицу камеры FX50. Относительное изменение интенсивности люминесценции ЖАС при одностороннем возбуждении составило 71%. Относительное изменение интенсивности люминесценции ЖАС при двухстороннем возбуждении составило 6%. Однородность лазерного возбуждения в поперечном сечении улучшилась в 11,8 раз.
Источники информации
1. Патент США №4567597, H01S 3/04, НПК 372-34, 1986 г.
2. Патент США №4099143, H01S 3/086, НПК 372-34, 1978 г.