Жидкостной лазер
LIQUID LASER

Изобретение относится к области лазерной техники, в части, к жидкостным лазерам, и касается конструкции трактов прокачки лазерных жидкостей через активную область лазеров.
Известен [1] лазер для использования в фотокоагуляционной терапии, в котором раствор активного красителя прокачивается через кювету. Кювета образована двумя плоскопараллельными прозрачными пластинами с малым зазором, в которой циркулирует раствор красителя. Накачка раствора производится излучением лампы через эти пластины. На торцах кюветы установлены глухой и выходной отражатели так, что образуется волно-водный лазер. Раствор красителя центробежным насосом из резервуара прокачивается через кювету в продольном направлении с целью выравнивания температуры активной среды.
Недостатком данного лазера на красителе является то, что при большой частоте работы импульсных ламп накачки медленно циркулирующий раствор красителя нагревается до температуры, при которой может произойти химическое разрушение красителя.
Известен [2] вариант конструкции лазера с газовой активной средой, которая перемещается из области накачки и генерации в область охлаждения с использованием силы трения между средой и стенками лазерной кюветы. Это осуществляется за счет специальной конструкции лазерной камеры. Она образована коаксиально расположенными кварцевыми трубами, вращающимися вокруг продольной оси. Эта ось является одновременно электродом электроразрядной системы накачки. Внешние зеркала позволяют осуществлять генерацию лазерных импульсов в резонаторе, включающем возбужденный объем активной среды и упомянутые зеркала.
При работе лазера кювету приводят во вращение вокруг оси, газ в кольцевой камере перемещается вращающимися стенками камеры из зоны накачки в пассивную зону, при этом газ охлаждается через стенки кварцевых труб за счет контакта с окружающим воздухом. Это вызывает перемешивание массы газа в замкнутом объеме и его охлаждение. В лазерной кювете можно использовать не только газообразные, но и жидкие и твердые активные среды (при смене систем накачки).
Недостатками данной конструкции является низкая эффективность охлаждения активной среды, постепенное накопление тепловой энергии во времени и соответствующий рост температуры активной среды, что ограничивает мощность и продолжительность работы лазера.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому жидкостному лазеру является описанный в [3] жидкостной лазер, состоящий из: лазерной камеры, полупроводникового устройства накачки в составе указанной лазерной камеры, апротонной лазерной жидкости, содержащей редкоземельные ионы, циркуляционной системы для прокачки лазерной жидкости через указанную лазерную камеру. Циркуляционная система включает средство прокачки лазерной жидкости через камеру в одном направлении с формированием оптического клина в жидкости и прокачки лазерной жидкости через камеру в противоположном направлении, обеспечивая компенсацию оптического клина в жидкости.
Конструктивно жидкостной лазер состоит из замкнутого гидравлического контура, в котором с помощью насоса обеспечивается циркуляция генерирующей жидкости через две соосные лазерные камеры и два теплообменника. Внутри камер расположены два полупроводниковых устройства накачки. Полупроводниковые устройства накачки представляют собой лазерные диоды. В гидротракте установлен компенсатор давления, который поддерживает в нем заданный уровень давления. Геометрия гидротракта внутри камер представляет собой прямоточный канал со стенками, прозрачными для излучения накачки, падающего на протекающую через канал жидкую среду, с двух сторон. Лазерные камеры помещены в один оптический резонатор с оптической осью, совпадающей с осью камер.
Недостатками данного жидкостного лазера являются:
- неоднородность генерируемого излучения лазера большой мощности вследствие возникновения турбулентности при высоких скоростях потока жидкости, необходимых для предотвращения ее перегрева;
- большой габарит гидравлического контура, который необходимо увеличивать для перевода потока в ламинарный режим и устранения кавитации.
Задачей изобретения является улучшение оптической однородности активной среды за счет обеспечения ламинарного режима течения активной жидкости в лазерной камере и уменьшение габаритов жидкостного лазера.
Поставленная задача решается тем, что в известном жидкостном лазере, содержащем замкнутый гидротракт, заполненный активной жидкостью на основе апротонного растворителя с ионами редкоземельных элементов, лазерную камеру возбуждения активной жидкости, устройство накачки на основе лазерных диодов, теплообменник, насос для циркуляционной прокачки активной жидкости, компенсатор давления и оптический резонатор, лазерная камера состоит из набора параллельных круглых дисков, выполненных из прозрачного для излучения накачки и рабочего излучения лазера материала с отверстием в центре для прокачки активной жидкости. Диски установлены с зазором, обеспечивающим ламинарный поток активной жидкости между ними с требуемым расходом, и смонтированы на валу вращения посредством крайнего нижнего диска. Зазоры между дисками снабжены кольцами с перемычками, имеющими форму крыла. Вал вращения соединен с герметичным электроприводом. Теплообменник выполнен трубчатым и имеет поперечную перегородку с щелью, обеспечивающей поток активной жидкости в теплообменник и обратно к центральному отверстию дисков лазерной камеры для входа в зазоры между дисками. Гидротракт имеет прозрачные для излучения накачки и рабочего излучения лазера окна, противоположно расположенные по обеим сторонам лазерной камеры и образующие, по крайней мере, два оптических канала для осуществления оптической накачки активной жидкости и генерации рабочего излучения лазера. В каждом канале установлены дихроичные поворотные зеркала, пропускающие рабочее излучение лазера и отражающие излучение накачки. Оптический резонатор выполнен общим для двух диаметрально противоположно расположенных каналов, его оптические оси в каналах оптически сопряжены поворотными зеркалами, оба конечных зеркала оптического резонатора являются выходными.
Лазерная камера размещена в одном корпусе с теплообменником, что позволяет снизить гидравлическое сопротивление тракта и уменьшить габариты устройства в целом.
Конструкция предлагаемого жидкостного лазера представлена на следующих чертежах:
Фиг. 1- общая схема предлагаемого жидкостного лазера;
Фиг. 2 - сечение по линии А-А;
Фиг. 3 - сечение по линии Б-Б;
Герметичный корпус 1 (Фиг. 1) предназначен для обеспечения потоков активной жидкости из лазерной камеры 2 в область теплообменника 3.
Теплообменник 3 представляет собой набор трубок 4, герметично впаянных в верхнюю 5 и нижнюю 6 стенки корпуса. Сверху и снизу торцы трубок выходят в полости, закрытые крышками 7, которые имеют патрубки 8 для подачи и отвода охлаждающей жидкости из внешней среды.
Теплообменник разделен перегородкой 9, которая имеет зазор для протока активной жидкости из нижней секции теплообменника в верхнюю секцию.
Лазерная камера собрана из набора параллельных круглых дисков 10 (Фиг. 2) с отверстием в центре для возможности прокачки активной жидкости. Диски установлены с зазором и имеют механическую связь с валом вращения 11 посредством крайнего нижнего диска 12. Зазор между дисками обеспечивается кольцами из конструкционного материала с перемычками 13 (Фиг. 3), имеющими форму крыла, гладкие диски собранные пакетом с зазором образуют дисковый насос, который обеспечивает прокачку активной жидкости через лазерную камеру.
Активная жидкость заполняет герметичный корпус до уровня 14. Объем над уровнем жидкости заполнен инертным газом и несет функцию расширительного бачка при нагреве активной жидкости.
При вращении вала 11 с помощью герметичного электропривода 15 активная жидкость за счет трения о диски в зазорах приобретает вращательное движение и за счет центробежных сил приобретает дополнительную энергию, которая в результате переходит в энергию напора. Перемычки 13, имеющие форму крыла, создают дополнительный напор по принципу центробежного насоса.
За счет полученной энергии жидкость перемещается в корпусе из лазерной камеры в теплообменник по замкнутому контуру. Вследствие малых зазоров и небольших относительных скоростей поток активной жидкости имеет ламинарный режим, что важно для получения однородного, качественного излучения лазера.
1
1
Для осуществления ламинарного режима течения в лазерной камере зазор между дисками устанавливается таким, чтобы число Рейнольдса активной жидкости было не более 1300. Число Рейнольдса определяется по формуле Re=ωRb/ν [4], где ω - угловая скорость вращения дисков, R - внутренний радиус диска, b - величина зазора между дисками, ν - кинематическая вязкость активной жидкости. Количество дисков определяется суммарной толщиной слоя активной жидкости, при прохождении которого излучение накачки ослабляется до заданного уровня. Внутренний и внешний диаметры дисков, а также угловая скорость их вращения зависят от требуемого расхода жидкости и скорости в области действия излучения накачки.
В корпусе предусмотрены, по крайней мере, два оптических канала, определяющих область генерации. Оптические каналы имеют прозрачные для рабочих длин волн излучения лазера окна 16, расположенные напротив друг друга, которые служат для ввода излучения накачки активной среды и вывода силового излучения лазера. Оси излучения накачки и оптического резонатора в каждом из каналов совпадают и направлены параллельно оси вращения дисков. Оси резонатора в каналах оптически сопряжены поворотными зеркалами 17 так, что тепловые оптические клинья, наведенные в протекающей поперек каждого канала жидкости, взаимно компенсируются. Зеркала 18 являются выходными зеркалами резонатора. Для двухстороннего ввода излучения накачки в каждый канал (по осям ИН-1, ИН-1', ИН-2, ИН-2') служат дихроичные зеркала 19, 19' и 20, 20' отражающие излучение накачки и пропускающие силовое рабочее излучение лазера. Все зеркала расположены вне корпуса 1.
Число оптических каналов может быть увеличено с пропорциональным увеличением мощности излучения лазера при сохранении конструктивных параметров лазерной камеры и электропривода.
Жидкостной лазер работает следующим образом. При вращении вала с лазерной камерой относительно оси вращения активная жидкость перемещается из камеры в межтрубное пространство теплообменника и, охлажденная, возвращается в камеру. Охлаждающая жидкость поступает через верхний патрубок 8 в распределительную полость теплообменника и по охлаждающим трубкам в выходную полость и далее в выпускной патрубок теплообменника. Излучение накачки поглощается ионами редкоземельного элемента (например, неодима) и часть его вызывает их возбуждение на электронные уровни с последующим излучением на рабочей длине волны лазера. Другая часть рассеивается в виде тепла, повышающего температуру активной жидкости. За счет векторной суммы радиальной и тангенсальной скоростей движения жидкости она выносится из области нагрева излучением накачки и заменяется новой, охлажденной. Таким образом, поддерживается стационарный режим генерации вплоть до непрерывного режима.
3
2
2
2
Данная конструкция может использоваться в жидкостном лазере, при этом в качестве активной среды используются растворы на основе апротонных жидкостей POCl, SOCl, SOCL, активированных ионами редкоземельных элементов Nd, Yb и другими, а разделяющие дисковые элементы изготавливаются из прозрачных для рабочих длин волн материалов, например, кварцевого стекла.
Предлагаемый жидкостной лазер, в котором для прокачки активной жидкости используется дисковый насос, согласно [4] обеспечивает прокачку жидкости в ламинарном режиме, имеет улучшенную оптическую однородность активной среды и тем самым уменьшает расходимость генерируемого излучения. Конструктивное совмещение насоса с лазерной камерой укорачивает длину гидравлического тракта, что приводит к уменьшению общих габаритов жидкостного лазера.
Источники информации
1. Патент США. №4013 978.
2. Патент США №4567597А.
3. Патент США №6600766 – прототип.
4. В.И. Мисюра, Б.В. Овсянников, В.Ф. Присняков. «Дисковые насосы», М. «Машиностроение», 1986 г., стр. 89.